中点箝位型（NPC）三电平变换器及其调制技术研究

发布时间：2020-03-24 01:05

【摘要】：高压大功率变换器在电网的发、输、配、用各个环节都发挥着重要作用,其中多电平结构作为一种拓扑级解决方案,具有电压应力低、调制策略灵活等特点。中点箝位型(Neutral Point Calmped,NPC)多电平拓扑最早报道于上世纪80年代,已有近40年的发展历史,但其应用领域仍在不断拓展——从最早的逆变器发展到最近的双向直流变换器,另外,新的应用场合也对变换器的性能提出了新的要求,因此仍有许多问题有待探索和解决。本文以NPC型三电平桥臂为基础,探索其在单向直流变换器、双向直流变换器和逆变器这三种重要应用中拓扑结构和调制策略上的改进与优化,以提高变换器多方面的运行性能。本文的主要研究内容如下:对于高压输入的三电平全桥直流变换器,在理想情况下该变换器的供电模态并不存在单个输入分压电容提供负载电流的情况,因此其输入中点电压并不会偏离平衡状态;但在实际系统中,开关管的动作可能存在微小的差异,当两桥臂的对管关断不一致时,会出现单个分压电容提供负载电流的模态,从而导致中点电压偏移。针对该现象本文提出了两方面的解决措施:在调制策略上,可以通过闭环控制进行脉宽补偿从而实现中点电压平衡;在拓扑结构上,通过引入飞跨电容也能实现中点电压自平衡。之后本文重点对带飞跨电容的三电平全桥直流变换器进行了详细的模态分析,发现飞跨电容的引入能给输入电容提供额外的电流补偿支路,解释了中点电压自平衡功能的实现机理,并分析了中点电压稳态误差的影响因素,推导了误差的具体表达式,最后在实验平台上对此进行了验证。三电平桥臂的引入使变换器中开关器件的电压应力降低为输入电压的一半,但是在高压输出的场合,传统的整流拓扑中的二极管仍然需要承受很高的电压应力。针对高压输出的应用场合,本文将带飞跨电容的NPC型三电平结构引入到整流侧,构造出一种新的变换器拓扑。该变换器的调制策略与传统直流变换器一致,但能带来多方面运行性能的改善:○1副边整流二极管的电压应力减半,且飞跨电容的引入保证了串联二极管的均压性能;○2滞后桥臂开关管在电流断续模式下能实现零电流开关,在电流连续模式下能实现零电压开关;○3即使不附加任何缓冲电路,也能完全消除副边整流二极管上的电压尖峰;○4副边整流电压的低电平从传统变换器的0V提高到了输入电压的一半,这样一方面提高了变换器的直流电压利用率,另外还减小了滤波电感的电流纹波。文中详细分析了该变换器的工作原理和运行特性,并在实验样机上进行了验证和比较:引入三电平整流拓扑之后,变换器在轻载时的效率大幅提升,滤波电感的电流纹波下降了接近一半,整流二极管上的电压尖峰被完全消除。应用于双向功率传输的三电平双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)直流变换器,其开关器件的电压应力低,并且能提供更多的控制自由度,有利于增强控制系统的灵活性,但控制自由度越多,其实现过程就越复杂。本文在控制的灵活度与实现的复杂度之间进行折中,提出了一种具有五个控制自由度的调制策略,并在该调制策略的基础上,构造了一种减小传输电感电流有效值的优化算法。该算法提取原副边H桥输出高频电压中的基波分量和三次谐波分量,通过调节各分量的幅值来获得最优占空比。与传统的各类优化算法相比,该方法无需进行详细的模态分析,计算简单,实现难度低,而且该优化算法也更加直观,有利于理解变换器的运行特性。最后,该调制策略及优化算法的性能通过仿真和实验予以验证,所提出的优化调制策略与传统的单移相调制策略相比在轻载时能大幅降低电感电流有效值,进而提升系统效率。针对三电平NPC逆变器,本文基于载波调制(Carrier-Based Pulse Width Modualtion,CBPWM)的方法,提出了一种能消除中点电压低频纹波并抑制共模电压的双调制波策略。传统CBPWM策略中每相只对应一个调制波,因此在一个载波周期内单个桥臂只能输出两种状态,而双调制波策略中每相对应两个调制波,在一个载波周期内单个桥臂可以输出三种状态,因此可以实现更多复杂的优化算法。本文以消除中点电压的低频纹波为优化目标,从各相的零状态占空比相等的原则出发,详细推导了各状态占空比的表达式并构造了相应的调制波。在此调制策略的基础上,通过分析调制过程中使用到的电压矢量,重新对开关序列进行优化排列,能将逆变器的共模电压抑制在输入电压的1/6以内。最后,该调制策略及优化算法的性能通过仿真和实验予以验证:在引入双调制波策略之后,逆变器的中点电压低频纹波被完全消除;在对开关序列进行优化排列之后,逆变器产生的共模电压幅值从240V下降到了120V。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】