电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究

摘要

由于多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电磁兼容性好等特点，从而使变流器装置在增大容量的同时改善其输出性能成为可能。而超导储能技术的不断发展、高反向电压阻断能力半导体器件(如MCT、IGCT等)的相继出现，将有效解决电流型变流器的效率问题，为电流型多电平变流器在某些大电流高功率场合的应用提供了优势。本文主要是系统地研究了电流型多电平变流器的主电路拓扑构造、PWM调制策略、自均流特性以及均流控制方法；本文还研究了一种三相电流型多电平PWM整流器。 在阅读相关参考文献的基础上，对电流型多电平变流器的拓扑发展概况进行了归纳，同时对各种拓扑的工作原理进行了分析。针对几种常用的多电平PWM调制策略，就其基本调制特点以及在电流型多电平变流器中的应用概况进行了介绍。结合目前电流型多电平变流器研究所取得的成果，介绍了电流型多电平变流器的实际应用前景和研究意义。 本文推导和构造了多种电流型多电平变流器拓扑，为整个研究工作打下了良好的基础。利用电路对偶原理，推导出了一种通用型单相电流型5电平变流器拓扑，经过简化和改进，提出了一种单相6开关电流型5电平变流器拓扑。然而，如何构造三相电流型多电平变流器拓扑，则是拓扑研究工作的一个难点。为了能运用对偶定理，将三相电压型多电平变流器电路进行等效变换获得平面化的拓扑图，再利用打点法推导出了三相电流型5电平变流器拓扑1。通过改造矩阵变换器输入侧的电源连接方式，派生出了三相电流型5电平变流器拓扑2。结合多电平电流的产生机理，利用电感并联实现分流的思想推导了三相电流型5电平变流器拓扑3。以单相6开关电流型5电平变流器作为基本单元，通过适当的连接与组合，分别得到了三相电流型5电平变流器拓扑4和拓扑5。 研究了各类电流型多电平变流器的PWM调制策略。研究了多电平PWM调制技术在单相电流型多电平变流器和A类三相多电平变流器中的应用，并对其输出谐波特性进行了理论分析，获得了与电压型多电平变流器相同的谐波消除性能。对于B类变流器，只要在实现单相多电平变流器PWM调制的基础上，将3个调制波的相位依次错开120°就可输出三相多电平电流。针对C类变流器，主要研究了基于三逻辑的PWM调制技术，由于三逻辑载波相移SPWM技术在线性调制区存在基波损失，为提高输入电流的利用率，对过调制区的输出谐波特性进行了理论分析，得到了幅值调制比与基波幅值、谐波特性之间的定量关系，为在过调制时如何选取合适的幅值调制比提供了理论参考。 本文分类研究了电流型多电平变流器的自均流特性。通过建立分流电感电压的数学表达式，对Ⅰ类和Ⅱ类变流器的稳态自均流特性进行了详细的理论分析，并得出了相对应的结论，为实现均流控制提供了理论基础。本文利用双重傅立叶变换及其线性性质，在中间电平电流不平衡条件下，对三逻辑载波相移SPWM以及多载波垂直分布SPWM输出波形的谐波特性进行了数学分析，从理论上说明了由于中间电平电流不平衡而对多电平变流器输出性能所产生的影响。 结合Ⅰ类和Ⅱ类变流器的：PWM调制策略，分别提出了相对应的均流控制方法。对于Ⅰ类变流器，本文提出了一种基于直流侧电流反馈的均流方法，弥补了基于载波旋转方法所存在的动态均流特性差，稳态特性易受负载性质影响等不足。为解决Ⅱ类变流器的电流不平衡问题，在实现载波相移SPWM的基础上，提出了一种基于直流侧电流反馈、利用跨相冗余开关组合自动切换的均流方法。针对该种均流方法在更高电平变流器中不容易实现的问题，提出了一种基于调节脉冲宽度的均流方法，由于各个模块单元间采用相对独立的均流控制方式，因此不受变流器输出电平数增加的影响，可扩展应用于更高电平数输出的变流器，实现方法具有普遍性。 本文根据电流型多电平SPWM变流器可逆的思想，结合载波相移SPWM整流技术和模块并联扩容技术，研究了一种三相电流型多电平PWM整流器。通过建立平均等效电路模型对多电平整流器的工作原理进行了分析，为满足电流型PWM整流器的控制要求，研究了三逻辑PWM技术的数字化实现方法，并通过建立7电平整流器的实验样机对控制原理和实现方法进行了实验验证。与多脉波电流型相控整流器的基本性能进行了对比分析，三相电流型多电平PWM整流器无需复杂的网侧移相变压器，在网侧电流谐波特性、功率因数等方面都具有明显的优势。 论文最后对全文工作进行了总结，并对电流型多电平变流器今后的研究方向进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2电流型多电平变流器的研究现状

1.2.1主电路拓扑发展概况

1.2.2电流型多电平变流器的调制策略

1.2.3均流控制方法研究概况

1.3电流型多电平变流器的应用前景

1.3.1在有源电力滤波器(APF)中的应用

1.3.2在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用

1.3.3在超导储能系统(SMES)中的应用

1.4本文的主要研究内容和研究成果

参考文献

第2章电流型多电平变流器主电路拓扑的研究

2.1单相电流型多电平变流器主电路拓扑的研究

2.1.1通用型单相电流型多电平变流器拓扑的推导

2.1.2单相电流型多电平变流器拓扑的衍生和优化

2.2三相电流型多电平变流器主电路拓扑的研究

2.2.1三相飞跨电容箝位电压型多电平变流器的对偶拓扑

2.2.2三相矩阵变换器的衍生拓扑

2.2.3三相组合式电流型多电平变流器拓扑

2.2.4基于单相电流型多电平变流器扩展的三相拓扑

2.2.5三相电流型多电平变流器的拓扑分类

2.3电流型多电平变流器主电路拓扑的归纳

2.4本章小结

参考文献

第3章电流型多电平变流器PWM调制策略的研究

3.1单相电流型多电平变流器PWM调制策略的研究

3.1.1单相电流型5电平变流器的工作原理

3.1.2 PWM调制方法的研究

3.1.3单相电流型多电平变流器调制策略小结

3.2三相电流型多电平变流器PWM调制策略的研究

3.2.1 A类变流器的研究

3.2.2 B类变流器的研究

3.2.3 C类变流器的研究

3.2.4三相电流型多电平变流器调制策略小结

3.3本章小结

参考文献

第4章电流型多电平变流器自均流特性的研究

4.1电流型多电平变流器的两种分流模式

4.2电流型多电平变流器自均流特性的研究

4.2.1 Ⅰ类变流器的自均流特性

4.2.2 Ⅱ类变流器的自均流特性

4.3中间电平电流不平衡对输出电流的影响

4.3.1对载波相移SPWM输出波形的影响

4.3.2对多载波垂直分布PWM输出波形的影响

4.4本章小结

参考文献

第5章电流型多电平变流器均流控制方法的研究

5.1 Ⅰ类变流器均流控制方法的研究

5.1.1基于载波旋转的均流控制方法

5.1.2基于直流侧电流反馈的均流控制方法

5.1.3 Ⅰ类变流器的均流控制方法小结

5.2 Ⅱ类多电平变流器均流控制方法的研究

5.2.1基于跨相冗余开关组合切换的均流控制方法

5.2.2基于调节脉冲宽度的均流控制方法

5.2.3 Ⅱ类变流器的均流控制方法小结

5.3本章小结

参考文献

第6章三相电流型多电平PWM整流器的研究

6.1前言

6.2工作原理分析

6.2.1三相电流型多电平PWM整流器的等效模型

6.2.2单位功率因数整流原理

6.3 PWM控制原理

6.3.1三逻辑SPWM信号的产生原理

6.3.2三逻辑SPWM控制的解耦预处理

6.3.3三逻辑SPWM的数字化实现方法

6.4实验结果

6.5与多脉波电流型相控整流器的性能比较

6.5.1多脉波相控整流器的基本性能

6.5.2三相多电平PWM整流器的基本性能

6.5.3性能对比

6.6本章小结

参考文献

第7章全文总结与工作展望

7.1论文工作总结

7.2今后工作的展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文