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混合开关型电流源逆变器及其关键技术研究

王伟琦  
【摘要】:随着能源危机与环境压力的不断加重,大力开发太阳能、风能和潮汐能等绿色清洁可再生能源已经成为世界各国能源战略的共识。电力电子变换器是应对未来能源格局深刻变化,实现清洁可再生能源大规模接入的核心技术。电力电子变换器集成了功率半导体开关和高频滤波器等元件,其成本、可靠性以及工作效率等因素决定着可再生能源发电系统的经济效益和可利用价值。在面向未来发展的绿色能源之路中,设计新型电力电子装备,提升能源输送能力,增加供电安全性,改善电能质量以及提升能源的变换效率等等,这些都已成为电气工程领域至关重要的研究课题。电流源逆变器(Current Source Inverter,CSI)被视为一种具有巨大潜力的电力电子变换器,是光伏系统、风力发电、数据中心和超导储能等领域里重要的能源变换装备,具备固有的升压能力和高可靠性等特点,近年来,受到了学者们的持续关注。然而,电流源逆变器在直流侧通常配置有巨大的电感器,其笨重的体积和高昂的成本,为CSI的应用带来了不利影响;与此同时,相较于同等容量的电压源逆变器(Voltage Source Inverter,VSI),CSI的功率开关器件通常会承担更多的导通损耗,电路的工作效率也相对较低。尽管经历了多年的发展,电流源逆变器目前仍然面临着诸如成本、体积和效率等一系列问题。如何克服其成本和效率等方面的传统缺陷,是学界和产业界的一个挑战性课题。另一方面,以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)为代表的宽禁带半导体技术近年来发展迅猛。相较于传统硅(Silicon,Si)基器件,由碳化硅材料作为基底构造的功率半导体器件在电压、温度和开关频率等方面都有极强的耐受能力,具备非常优异的高功率密度和高效率优势,是电力电子变换器的理想选择。在当前的研究阶段,SiC基功率开关虽然已逐步实现了商业化,但是,市面可见的SiC基功率开关的可选购范围仍然十分稀少,且价格极为昂贵,远高于同等功率等级的Si基功率开关。因此,短期内SiC基功率开关难以全面替换电力电子变换器的Si基功率开关,Si基功率开关仍然是目前电力电子应用中的主流器件。针对电力电子技术和功率半导体器件的发展现况,近年来,国内外的学者们积极开发出多种具有混合型功率开关的电力电子变流器,即通过配置有限的高性能先进功率半导体开关,对变流器的拓扑结构进行改造,进而使变流器的整体性能获得显著提升。这一技术为电力电子装备提供了许多极具性价比的设计方案,已经成为电力电子变流器发展的一种新思路。本论文以三相电流源逆变器作为研究对象,针对逆变器的输出性能和工作效率,从建立新型拓扑结构与采用先进的宽禁带功率半导体器件两方面着手,将混合开关技术与电流源逆变器相结合,提出了同时集成硅基和碳化硅基功率半导体器件的混合开关型电流源逆变器概念,开展了多项深入且具有原创性的研究工作。具体的研究内容如下:(1)混合开关型电流源逆变器的电路配置机理研究。本论文对传统电流源逆变器及其多种变型拓扑结构进行了研究,分析了每个电路结构各自的优势与局限性,总结归纳出这些现有CSI拓扑所拥有的共同特点和所面临的共性问题,明晰了 SiC基功率开关和Si基功率开关在电流源逆变器中所应承担的功能和需要完成的调制任务,确立了混合配置功率开关所应遵循的电路优化原则,并提出了设计一种混合开关型电流源逆变器所应该执行的具体步骤。(2)混合开关型H7电流源逆变器(Hybrid-Switch H7 Current Source Inverter,HSH7-CSI)的研究。针对单机运行的三相CSI,本论文在传统H6电流源逆变器(H6 Current Source Inverter,H6-CSI)的基础上,提出了一种混合开关型H7电流源逆变器,并分别以最少开关次数和优化电能质量为约束原则,设计了两种配套的调制策略。相较于传统的H6-CSI结构,HSH7-CSI仅通过增设1个SiC-MOSFET,而使整体电路能够以全SiC-MOSFET的开关损耗进行工作,大幅度提升了电路的运行效率,同时赋予了电路减小直流电感的配置能力。HSH7-CSI以极高的性价比,解决了困扰CSI发展的低效率和大电感难题,是一种有潜力的CSI设计方案。最后,本论文利用仿真和实验平台对所提出的HSH7-CSI以及其调制方法进行了实验测试,验证了HSH7-CSI所具备的优异性能。(3)混合开关型五电平电流源逆变器(Hybrid-Switch Five-level Current Source Inverter,HSF-CSI)的研究。针对CSI的多电平运行技术,本论文设计了一种全新的具有8个功率开关的混合开关型五电平电流源逆变器。在此基础上,阐释了HSF-CSI的基本矢量模态和换流执行方式,设计了相配套的低损耗调制方法。一方面,相较于传统H6-CSI电路,HSF-CSI以相近的硬件数量和空间资源获得了五电平电流输出能力,减小了滤波器的配置需求。另一方面,相较于传统的五电平CSI,HSF-CSI不仅显著提升了电路的运行效率,更同时大幅减少了器件数量,提高了功率密度,是一种具有非常高性价比和应用潜力的CSI技术方案。最后,本论文通过仿真和实验对所提出的HSF-CSI的有效性和优越特点进行了验证。(4)模块化级联式混合开关型电流源逆变器(Modular Cascaded Hybrid-Switch Current Source Inverter,MCHS-CSI)的研究。针对在风力发电等高压、大功率领域应用的模块化级联式电流源逆变器系统,本论文对其传统拓扑做出了改进,提出了一种模块化级联式混合开关型电流源逆变器。通过设计的电路拓扑以及调制策略,MCHS-CSI能够以全SiC-MOSFET的开关损耗进行工作,显著地提高了逆变器的运行效率,同时降低了直流侧电感电流的纹波。在此基础上,构建了MCHS-CSI的故障容错方法,并设计了子模块能量均衡控制策略。最后,通过仿真和实验对所提出的MCHS-CSI及其调制方法和控制策略进行了验证。相较于传统电流源逆变器,本论文提出的混合开关型电流源逆变器技术能够通过配置少量的SiC功率半导体器件,而使CSI的运行效率和工作性能得到了大幅提升,拥有成本低廉,改装方便等优点,是具有工业推广前景的全新电流源逆变器技术方案,对于促进电流源逆变器的更广泛应用,提升能源的变换效率具有重要意义。


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