复合级联多电平变换器拓扑及控制方法研究

摘要

近年来,在高压、大功率应用场合,一种新型变换器——复合级联多电平变换器引起人们越来越多的关注.多电平的一般原理是由N个电平台阶合成阶梯波以逼进正弦输出电压,其特点是依靠单元拓扑组合,通过适当控制方法,在得到高质量的输出波形的同时,克服两电平变换器的诸多缺点,达到降低开关器件应力,减小开关损耗,提高系统效率等目的.此外,复合级联多电平变换器可以灵活地针对不同的单元拓扑采用不同耐压和功率等级的开关器件,使用不同的直流电压电源,用最少量的级联单元拓扑实现最多的电平数,降低了系统成本.该文的研究内容主要包括三部分:一是拓扑结构及工作原理分析.首先对复合级联多电平变换器进行了分类研究,从而将复合级联多电平变换器系统地分为传统级联型、等电压比型和准线性型三类.其次,着重对全桥单元多电平变换器,以典型的2单元多电平变换器为例,通过工作模态分析与仿真分析,说明了它的工作原理.最后分析了复合级联多电平变换器各个单元能量分配与其直流电压等级的关系.二是探讨了全桥单元复合级联多电平变换器的控制方法.多电平的控制方法一般有消谐波PWM法、三角载波移相PWM法、开关频率优化PWM方法,以及在此基础上提出的三角载波移相-开关频率最优PWM法.在综合比较这些方法的基础上,该文提出了两种复合级联多电平逆变器的控制方法:1、高低频调制复合级联多电平逆变器的控制方法——采用高频PWM调制和低频方波调制相结合的复合调制策略.该策略针对各单元的直流电压等级不同,高压单元采用低频方波调制,以适应具有高阻断电压和低开关频率的开关管,如IGCT,GTO等的可靠工作;低压的单元采用高频三角载波PWM调制,以充分发挥具有快速开关能力的IGBT管的优势,两者结合即可以得到高电压、高品质的输出波形,又可以增强了运行的可靠性.2、一种单阶梯多电平的控制方法,与高低频调制复合级联多电平逆变器的控制方法不同,该控制方法所有全桥单元均采用低频调制,因而开关频率低,适合中压大功率场合.三是对全桥两单元复合级联多电平变换器进行了实验研究,它包括硬件电路设计、单片机控制软件设计和特性分析,实验样机功率为100W.试验以全桥两单元不同直流电压比1:1、1:2和1:3,分别对高低频调制和单阶梯控制策略下的输出进行了研究,结果验证了该文理论研究的正确性.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2级联多电平变换器研究意义及应用现状

1.2.1级联多电平变换器的研究意义

1.2.2级联多电平变换器的应用现状

1.3级联多电平变换器的数字控制背景及目的

1.4本文研究的主要内容和成果

第二章复合级联多电平逆变器拓扑分类分析

2.1二极管或电容箝位多电平拓扑

2.1.1二极管箝位型

2.1.2飞跨电容型

2.1.3具有冗余功能的多电平变换器拓扑

2.2全桥单元的多电平拓扑

2.2.1基于全桥单元的拓扑

2.2.2基于混合单元的多电平拓扑

2.2.3级联型拓扑比较

2.2.4仿真输出波形

2.3复合级联多电平变换器的工作原理分析

2.3.1基本工作模式

2.3.2最大输出电平

2.3.3输出电平连续的一般方法

2.4复合级联多电平变换器的能量分配

2.4.1最高全桥单元电压的选择

2.4.2其它全桥单元电压的选择

2.5小结

第三章复合级联多电平变换器控制方法与谐波分析

3.1传统多重叠加式控制原理及方法

3.1.1多重叠加式控制原理

3.1.2多重叠加的控制方法

3.2级联多电平变换器一般控制方法

3.2.1两电平逆变器控制方法

3.2.2多电平变换器的控制方法

3.2.3级联型多电平变换器的PWM控制方法

3.3级联多电平变换器新的控制方法

3.3.1高低频调制多电平的控制方法

3.3.2单阶梯多电平的控制方法

3.4控制方法的谐波分析

3.4.1PW调制级联多电路输出电压谐波特点

3.4.2高低频调制控制方法谐波分析

3.4.3单阶梯多电平谐波分析

3.5小结

第四章全桥两单元复合级联多电平变换器硬件电路设计

4.1系统构成

4.1.1系统框图

4.1.2电压反馈环节单元

4.2数字处理器的结构

4.3隔离驱动电路的设计

4.4功率MOSFET的设计

4.5滤波器的设计

4.5.1电感，电容参数计算

4.5.2滤波电感材料的选择

4.6辅助电源的设计

4.7本章小结

第五章试验波形与谐波分析

5.1试验电路图

5.2试验波形分析

5.2.1驱动波形分析

5.2.2高低频调制多电平输出波形及其谐波分析

5.2.3单阶梯多电平输出波形及其谐波分析

5.3小结

结论

1.论文所作的工作

2.进一步工作设想

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢

附录一：PWM调制多电平仿真

附录二：单阶梯多电平仿真

附录三：三个级联十七平仿真

附录四：控制程序清单