基于混合开关器件的电流型多电平PWM整流器研究

摘要

整流器是电力电子装置与市电网相连接的重要环节,电流型多电平PWM整流器具有电流控制灵活、输出容量大、直流电压值低于交流侧电压峰值而无需增加降压环节、输入电流谐波畸变率低以及暂态响应快等优点,在电动汽车充电机、风电场换流站和金属热处理等大功率场合具有明显优势。结合上述特点,对一种采用混合开关器件的电流型多电平PWM整流器进行了深入的研究和分析。
　　1.分析电流型3电平PWM整流器的主电路拓扑和数学模型,提出一种采用混合开关器件的整流器平均动态模型。整流器开关器件的动态模型通常是时变的,传统方法通过经典控制理论把整流器转化成时不变模型进行系统分析和设计。本文借助于dq变换理论和广义状态空间平均方法,描述了由三相可控硅整流器和IGBT控制斩波环节构成的新型整流器动态模型,该模型在瞬时响应和稳态过程方面性能良好。同时研究了基于混合开关的PWM整流器的工作原理,详细描述了整流器的换流过程。
　　2.研究基于混合开关器件整流器的空间矢量脉宽调制方法(SVPWM),提出一种改进的SVPWM控制策略。针对电网侧加入LC滤波环节而造成的网侧电压和电流相位不同步,利用q轴电流给定不为零的方法来校正整流器的功率因数。仿真和实验表明该整流器能够有效提高输入功率因数,实现网侧电流正弦化。
　　3.通过模块直接交错并联实现多电平来获得大电流和高功率。本文对由多个三相基于混合开关器件的整流器组成的交错并联多电平系统进行研究,借助于错时采样SVPWM控制,减少低开关频率时交流侧的谐波含量,同时为解决并联系统内部环流产生较大功率损耗问题,提出基于扇区信号判断的均流控制策略。
　　4.为了抑制由于输入侧LC滤波器谐振引起的网侧电流畸变和系统振荡,提出了有源阻尼控制与改进SVPWM技术结合的控制策略。采用增加虚拟等效阻尼电阻的方法,在不改变基波功率流动的前提下抑制LC谐振引起的畸变和振荡。该方法能够有效降低线电流畸变,改善系统稳定性。
　　5.设计了一个基于FPGA数字化控制的多电平整流器系统。SVPWM控制脉冲的产生、基于扇区信号判断的均流控制以及有源阻尼控制程序均由 EP2C5Q208C8完成。实验验证了基于混合开关器件的电流型多电平PWM整流器的优良性能。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 PWM整流技术的发展现状

1.3 电流型多电平整流器的研究概况

1.4 本文主要研究内容及工作

第2章 电流型PWM整流器主电路研究

2.1 电流型PWM整流器主电路拓扑结构研究

2.2 混合开关整流器的数学模型分析

2.3 混合开关整流器换流过程分析

2.4 本章小结

第3章 混合开关型多电平整流器SVPWM方法研究

3.1 混合开关型3电平整流器改进SVPWM方法研究

3.2 混合开关型多电平整流器改进SVPWM方法研究

3.3 本章小结

第4章 混合开关型多电平PWM整流器控制策略研究

4.1 LC振荡阻尼混合控制

4.2 均流控制

4.3 本章小结

第5章 混合开关型多电平PWM整流器实验设计

5.1 FPGA芯片简介

5.2 实验系统设计

5.4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢