基于H桥拓扑大容量变流器的若干关键技术研究

摘要

大规模开发使用可再生新能源、电动汽车、电力机车可以在一定程度上缓解化石能源的日益短缺以及消耗传统能源带来的环境恶化问题。大容量变流器是规模化新能源电力系统、电动汽车驱动系统、电力机车牵引传动系统的核心部件，与它相关的关键技术问题包括电能质量问题、拓扑结构、并联技术与多电平技术。本文围绕这些关键技术问题，在总结、归纳当前研究现状和技术发展的基础上，主要对以下几个方面进行深入研究:共直流母线并联逆变器系统(PIS)的运行方式、前级级联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器拓扑结构以及运行方式、H桥死区消除正弦脉宽调制(SPWM)、六半桥（3H桥）逆变器电路拓扑及其死区消除空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)等。
　　首先，论文针对适用于大容量并网逆变器或是不间断电源(UPS)的共直流母线PIS的拓扑结构提出了理想无环流运行方式。本文为UPS用共直流母线PIS输出端建立数学模型，并且设计了两种包含电压外环以及电流内环的双闭环控制方法。另外，详细分析了信号传输延时引起各并联单元之间的环流，并提出了相应的解决措施。
　　其次，论文针对适用于将交流高压变换为直流低压的前级级联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器，讨论了输出均流与前级输入均压之间的约束关系，并且理论分析与实验验证了前级级联型PWM整流器输入输出均压与前级各直流输出端等效电阻之间关系，从而得出一个能同时满足后级输出均流与前级输入输出均压的方案。同时，论文提出了前级级联PWM整流器与后级DC-DC并联系统的控制方法。
　　再次，论文基于H桥拓扑结构提出了用于每个开关周期内能够改变同一桥臂上下开关管互补导通的新型开关策略。利用新型开关策略的特点，提出了死区消除SPWM方案，并对方案中的关键点即如何精确判断逆变器输出电流极性做了详细的介绍。死区消除SPWM能够被应用于共直流母线PIS以及级联PWM整流器中。
　　最后，论文借鉴单相全桥逆变器相对于半桥逆变器的优势，将三半桥三相逆变器改造为3H桥三相逆变器。虽然3H桥逆变器中的开关管承受的电压电流应力与三半桥逆变器相同，但是在直流侧电压相同的情况下，3H桥逆变器相比三半桥逆变器输出的最大功率提高了一倍，具有扩容效果。针对3H桥三相逆变器的拓扑结构，提出了与之匹配的死区消除SVPWM方案，并为其输出端口设计了直接驱动负载与采用工频隔离变压器阻断零序电流流通的两种接线方式。

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致谢

摘要

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附表清单

第1章 绪论

1．1 大容量变流器应用背景

1．2 大容量交流器关键技术问题与研究现状

1．2．1 电能质量问题

1．2．2 三相变流器单机拓扑结构

1．2．3 并联技术

1．2．4 多电平技术

1．3 基于H桥拓扑串并联技术构建的大容量变流器

1．3．1 H桥逆变器串并联技术

1．3．2 H桥整流器串并联技术

1．4 本文的主要研究内容

第2章 共直流母线逆变器并联系统的研究

2．1 引言

2．2 共直流母线逆变器并联系统结构特点

2．3 共直流母线PIS运行方式

2．3．1 UPS用共直流母线PIS输出端数学模型

2．3．2 共直流母线PIS闭环控制策略

2．4 引起环流因素

2．4．1 各并联单元滤波电感参数差异引起环流

2．4．2 信号传输延时效应

2．5 实验验证

2．5．1 UPS用共直流母线PIS实验结果

2．5．2 并网逆变器用共直流母线PIS实验结果

2．6 本章小节

第3章 前级级联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器的研究

3．1 模块化AC-DC-DC变换器结构特点

3．1．1 拓扑结构

3．1．2 输入均压与输出均流的关系

3．2 级联PWM整流器运行方式

3．2．1 级联PWM整流器控制方法

3．2．2 直流侧输出纹波电压对网侧输入电流的影响

3．2．3 影响CPR输入输出均压效果因素

3．3 后级DC-DC并联系统的控制策略

3．4 实验验证

3．4．1 前级级联PWM整流器实验结果

3．4．2 后级DC-DC并联系统实验结果

3．5 本章小结

第4章 H桥死区消除SPWM

4．1 引言

4．2 传统双桥单极性SPWM

4．2．1 基本原理

4．2．2 死区效应

4．3 新型开关策略

4．4 基于新型开关策略的死区消除SPWM方案

4．4．1 基本原理

4．4．2 电流过零点判断法

4．4．3 硬件死区方案解决电流过零点死区问题

4．5 H桥死区消除SPWM具体应用

4．5．1 应用于单台逆变器

4．5．2 应用于共直流母线PIS

4．5．3 应用于级联PWM整流器

4．6 本章小结

第5章 六半桥(3H桥)三相电压源型逆变器的研究

5．1 引言

5．2 六半桥三相SVPWM控制方法

5．3 死区消除SVPWM方案

5．3．1 基本原理

5．3．2 关于电流过零处天然死区时间的讨论

5．4 死区对六半桥VSI输出电流的影响

5．5 实验验证

5．5．1 直接驱动负载供电方式的实验结果

5．5．2 无零序电流供电方式的实验结果

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间所取得的科研成果