三电平NPC变换器特定谐波优化PWM策略研究

摘要

在高压大功率领域，三电平变换器与两电平变换器相比，具有器件电压应力小、开关损耗少和电磁干扰低等优点。在常用的三电平变换器中，以二极管箝位型(Neutral Point Clamped，NPC)的应用更为广泛。在三电平NPC变换器控制系统中，其固有的中点电压不平衡问题会使电路中功率开关器件承受的电压应力不均衡，影响开关器件正常工作甚至毁坏器件；降低直流侧电容的使用寿命以及降低变换器输出效率。因此，对三电平NPC变换器中点电压不平衡问题的研究具有重要的意义。 特定谐波消除调制(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation，SHEPWM)策略是一种通过傅里叶分解，预先确定开关角度的通断时刻，从而消除选定的低次谐波的技术。本文以三电平NPC变换器为研究对象，采用SHEPWM策略，研究了SHEPWM策略中开关角度在线控制，并且以中点电压不平衡为优化目标，对SHEPWM策略进行改进。 首先，分析了SHEPWM策略用于三电平NPC变换器的工作原理，建立用于求解开关角度的非线性超越方程组，并对其求解。将SHEPWM策略求解开关角度的非线性方程转化为特定的控制系统，使用查表、积分控制器和解耦控制器来帮助系统收敛到零误差稳态。引入内部瞬时观测器直接提取输出电压的谐波谱，而不是用FFT算法从输出电压波形中提出谐波频谱，消除传统频谱提取算法产生的相位延迟，可以实现开关角度的准确控制和快速响应。 其次，分析NPC变换器中点电位不平衡的原因，在SHEPWM策略的基础上研究了两种方案控制直流侧中点电压波动。方案一推导中点电位偏移时基波分量和3次谐波之间的关系，计算出最优3次谐波含量，在SHEPWM策略的非线性超越方程组加入最优3次谐波幅值方程，抑制中点电压波动；方案二基于变换器输出电流的正负极性和直流侧电容两端的电压引入开关角度的微小变化，不影响输出电压谐波性能的同时，改变零电平开关状态的占空比，从而控制中点电压。 最后，搭建了三电平NPC变换器仿真和实验平台，对本文所研究的特定谐波开关角度在线控制和中点电压平衡控制技术进行验证。结果证明了本文所研究的SHEPWM策略开关角度在线控制技术和中点电压控制技术的正确性和有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三电平变换器的研究现状

1.2.2 SHEPWM的研究现状

1.2.3 NPC变换器中点电位平衡控制的研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 三电平NPC变换器的SHEPWM策略

2.1 SHEPWM数学模型建立

2.2 SHEPWM数学模型求解

2.2.1 SHEPWM方程求解

2.2.2 SHEPWM方程初值给定

2.3 仿真与实验验证

2.3.1 仿真验证

2.3.2 实验验证

2.4 本章小结

3 SHEPWM策略开关角在线控制

3.1 变换器平均和小信号模型的建立

3.2 控制系统状态空间设计

3.2.1 状态空间设计

3.2.2 稳定性分析

3.3 基于小信号模型的解耦控制和动态响应分析

3.3.1 解耦控制

3.3.2 小信号模型引入的误差

3.3.3 稳定性分析

3.3.4 小信号模型动态响应分析

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 三电平NPC变换器中点电位平衡技术研究

4.1 引言

4.2 基于3次谐波控制的特定谐波优化调制策略

4.2.1 中点电流数学模型

4.2.2 基于3次谐波的特定谐波优化调制策略

4.2.3 仿真验证

4.2.4 实验验证

4.3 基于开关角度变化的中点电压平衡控制

4.3.1 中点电压平衡控制

4.3.2 仿真验证

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果