多相交错并联逆变器耦合特性分析与容错运行方法

发布时间：2020-06-08 11:39

【摘要】：随着电力电子技术的发展,多相交错并联逆变器技术在经历了两相交错并联的广泛研究和成熟应用后,受到了越来越多的关注。它能够通过并联提升容量,通过载波交错实现输出多电平以及高等效开关频率,还具备冗余和模块化设计的潜质。虽然交错并联相数的增多能带来这些好处之外,但它也造成了很多新的问题,涉及耦合电感、滤波电感、控制器设计以及容错运行策略等。本文首先分析了多相交错并联逆变器的电路特性,设计了耦合电感。然后,论文分析了磁粉芯滤波电感软饱和特性,即电感值会随电流变化特性的影响,提出了相应的补偿策略。接着,论文分析了低控制频率配合高等效开关频率的控制问题,提出了一种控制器带宽扩展方法。最后,本文分析并设计了一种基于线圈短路的多相交错并联逆变器容错运行策略。本文的主要研究内容如下:多相交错并联逆变器具有多电平输出以及高等效开关频率的优点。那么随着交错并联相数的增多,输出电平数是否会一直增加,是否存在极限?本文分析了多相交错并联逆变器的电路特性,从调制比与交错并联相数的关系出发,推导了最大交错并联相数。本文选择耦合电感用以连接各个开关桥臂。不开气隙的耦合电感可以极大地减小磁芯元件的体积,但同时它又存在饱和的问题,危害逆变器的可靠运行。本文针对多相交错并联逆变器的关键器件耦合电感,分析了其磁特性。根据相关结论,提出了增强耦合电感抗饱和能力的设计原则,并设计了几种适用不同应用需求的耦合电感。多相交错并联逆变器具有多电平输出和高等效开关频率,常规的电感设计方法不再适用。此外,磁粉芯高频特性优于硅钢片,比较适合作为多相交错并联逆变器滤波电感的材质。但是磁粉芯材质电感具有软饱和特性,磁导率会随着磁场强度的增大而下降,导致其电感值会随着电流的增大而下降。这会影响逆变器的电流纹波特性、谐波特性、控制器带宽等。本文研究多相交错并联逆变器的输出电流纹波与交错并联相数及开关频率的关系。在此基础上,提出多相交错并联逆变器的电感设计方法。针对磁粉芯软饱和特性,通过建立基于傅里叶级数展开的模型,分析了它对逆变器的影响机理。根据电流纹波变化规律,提出了适应磁粉芯软饱和特性的电感设计原则,可以获得比常规方法更小更准确的电感设计结果。根据磁粉芯电感的作用机理,提出了补偿控制策略,有效地改善逆变器的各项性能。最后,通过实验结果验证了分析的正确性和所提方法的有效性。在多相交错并联逆变器中,等效开关频率高,滤波电感的感值小。而另一方面,数字控制的频率受限于数字实现过程,通常最大为开关频率的两倍。这种等效开关频率远高于控制频率的情形与常规逆变器不同,存在新的问题。本文分析了高等效开关频率对逆变器性能及控制器设计的影响,并比较了几种不同控制策略的优劣。然后提出了一种基于相位裕度补偿的控制器带宽扩展方法。利用该方法,在实验台架中设计了两倍于最初的开环穿越频率,控制器带宽提升了13%,明显地改善了逆变器的动态响应特性。在多相交错并联逆变器中,开关器件数量多,存在比较大的故障风险。而耦合电感在逆变器故障时,存在饱和问题,严重影响多相交错并联逆变器的容错运行能力。此外,在设计容错运行策略以及耦合电感时,需要耦合电感线圈的电压、电流以及桥臂环流等关键参数。而耦合电感中磁柱数量多,磁通耦合关系复杂,导致这些参数求解较困难。本文分析耦合电感在故障下的磁特性以及基于线圈短路的容错运行策略的原理。在此基础上,提出了一套计算所提关键参数的方法。其结果可以用于指导容错运行策略以及耦合电感的设计。最后,通过实验结果验证了分析的正确性和所提方法的有效性。
【图文】：

直流变换器,故障概率,功率器件,半桥

在逆变器的多种应用领域中，如电动汽安全可靠运行有很高的要求[93, 94]。因此都受到广泛的关注。而这其中，使逆变故障时，，能够及时地检测出故障，并迅正常电路能够不受波及地继续运行。这也主要包含这三个方面：故障检测与诊及设计需求的差异导致其在系统架构、错运行策略也各有千秋。本文主要关注并联直流变换器的容错运行策略的研究半导体器件相比其他器件具有更高的故于电解电容造成的，31%是由于功率半导布如图 1-3 所示。

调制过程,多相,电平

将同一高度的交点连接，可以划分出不同的同时闭合数是不同的，也就决定了输出的电平数是不方块中时（图中红色虚线），在一个开关周期内调制波其他所有的三角载波。因此，相同色彩的方块中，多是一致的，也即输出的电平是一样的。图中正弦调制同的色块，导致逆变器输出不同的电平。但是逆变器动态调节能力，通常不会将调制比设置到 1。而另一加，载波交点的位置逐渐上移，靠近 1。因此，存在情形，此时逆变器无法输出满电平。为了最大化地利加的特性，调制波应该覆盖所有区域。根据几何关系21emm> 表调制比，m 为交错并联相数。
【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】：TM464

【参考文献】