单相多电平电流型变流器拓扑结构及其控制策略的研究

摘要

随着国内经济的迅速发展，工业上对拥有良好输出性能的大容量变流器的需求越发旺盛，这就要使用具有快响应速度、低开关频率、较大的功率容量等优异性能的多电平变流器。而超导器件储能技术的持续发展，和相继出现的具有高反向阻断电压能力的半导体元件，如IGBT等，使得电流型多电平变流器的工作效率问题将得到有实质性的解决，使电流型多电平变流器具有响应速度快、电流直接控制等能力的优秀特性。在参考大量国内外学者文献的基础上，对电流型三相多电平变流器拓扑结构进行了总结与归纳，对单相单元模块电路的工作原理进行了理论推导与分析。在已有的三相或单相电压型拓扑结构的基础上推导出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型多电平单相电流型变流器的拓扑结构。并研究了此种五电平单相电流型拓扑结构的多种PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制)调制策略和控制策略。
　　本文首先对对偶原理的性质在电路中的应用进行了详细深入的研究，对非线性器件的器件对偶、对变压器的对偶、开关的对偶进行了全面的推导总结。电路拓扑等效变换的前提条件是其必须为平面化的拓扑结构，同时将复杂的电路简化为单独的工作网络，对其分别运用对偶方法。其次，在感性负载与容性负载的条件下，对推导与衍生出的拓扑结构的工作原理建立了低频数学模型，对分流电感上承载的电压进行了数学建模，研究了此种变流器的电路电流均衡特性，得出的相应结论为五电平变流器的电流控制提供了理论基础。再次，研究了载波相移脉宽调制、阶梯波 PWM、多载波垂直脉宽调制、Walsh-SHEPWM等调制策略及开环闭环控制策略在上述五电平单相电流型变流器拓扑结构中的应用及其电路输出特性，并对各种调制策略进行了双重傅立叶变换的数学建模分析，从数学模型的角度对电路的输出特性进行了详细深入的阐述。最后，对上述拓扑结构及其调制策略、控制策略进行了仿真分析，验证了新拓扑及其数学模型、所用开关的调制策略与控制策略的正确性。

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1 绪论

1.1 多电平变流器的研究背景

1.2 电力变流器的各种类型

1.3 电压源型多电平变流器

1.4 电流源型多电平变流器

2 对偶定理在拓扑结构中的应用

2.1 对偶的基本原则

2.2 开关器件的对偶关系

2.3 磁感性元器件的对偶关系

2.4 对偶变换举例

2.5 小结

3 Ⅰ型结构的对偶推导及其数字化控制方法

3.1 Ⅰ型拓扑开关结构的主电路推导

3.2 载波相移SPWM调制技术

3.3 数字化实现方法与仿真结果

3.4 小结

4 Ⅱ型结构的推导及其数字化控制方法

4.1 Ⅱ型拓扑结构的推导及其电路特性

4.2 调制策略的研究

4.3 Ⅱ拓扑结构控制策略的研究

4.4 小结

5 其它拓扑结构及其控制策略

5.1 其它拓扑结构形式分析

5.2 控制策略研究

5.3 仿真验证

5.4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果