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多电平逆变器通用调制策略和电容电压平衡研究

蔡凯  
【摘要】:随着保护生态环境观念的深入人心,提高能源使用效率、减少能源资源消耗、促进使用可再生能源已成为当今世界各国谋求发展的重要共识。我国也适时提出了建设“资源节约型”社会、促进可持续发展的战略目标。将电力电子与自动控制等技术相结合,研制各种新型电力电子装置,构建绿色的电能使用环境,可以为实现这一发展目标提供强有力的支持。多电平变换器以其在高性能和大容量方面的突出优势已成为近年来国内外研究与应用的热点之一。多电平变换器包含独立直流单元型和单一直流单元型,以及混合型等多种拓扑结构。其中,单一直流单元类型中的二极管箝位型结构以其结构简单、成本较低等优点而得到最为广泛的研究和应用。 多电平逆变器的通用调制策略是其研究领域中重要的课题,是实现多电平应用的基本保证,本文以其作为主要研究内容之一。本文分析了电力电子变换器数字控制的基本问题,从空间矢量意义和正弦调制波意义两个方面为任意电平或任意相的多电平逆变器建立了数学模型,对比传统的三、多电平调制策略,提出了新颖的基于二电平拓展的任意电平逆变器的控制策略和基于标量合成的任意电平、任意相系统的控制策略,并详细讨论了两种控制策略的工作机制、实现步骤和关键技术等问题。本文还对单相电路上的开关器件的工作机制进行了研究,依据运行特点将其分为二电平开关组、常开开关组、常断开关组,有效地解决了多电平PWM信号的扩展分配问题。 二极管箝位型多电平逆变器以其结构简单、成本较低等优点而得到广泛的研究和应用,电容电压平衡问题是影响其安全运行和输出性能的关键问题,该问题的研究工作具有重要的理论和工程价值。本文首先讨论了三电平逆变器电容电压失衡原因和影响,对失衡特性深入地进行了解析推导,得到了电容电压瞬时波动、连续波动和最大波动等波动特性的分析结论,并将这些结论推广到更多电平逆变器中,为箝位型多电平逆变器的电气参数设计和电容电压平衡控制提供了指导。在失衡分析的基础上,本文针对载波通式中的自由度项,提出了两种新颖的三电平逆变器电容电压平衡控制策略——电容电压滞环变幅控制策略和电容电压滞环偏移控制策略。并在逆变器输出性能为首要控制目标这一思路的指导下,分析了严格刚性的电容电压平衡控制是存在弊端且不必要的,进一步提出了电容电压柔性平衡控制策略。在Matlab中搭建仿真模型中得到的仿真结果验证了分析结论和控制方法的正确性。 依照模块化、最大化的思路,设计了基于DSP+CPLD架构的三电平逆变器实验平台。在实验平台上对本文所提出的空间矢量PWM通用控制策略和正弦PWM通用控制策略、三电平电容的失衡特性、以及滞环变幅、滞环偏移及电容电压柔性平衡控制策略等进行了实验研究。仿真和实验结果充分验证了本文理论研究工作的正确性。


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