三电平逆变器中点电位平衡与输出电压谐波问题研究

发布时间：2020-07-16 21:56

【摘要】：随着传统化石能源的日益匮乏与人们环保意识的不断增强,新能源发电技术愈发受到关注。同时由于近年来电动汽车的推广力度逐渐增大,人们对于电动汽车充电设备的需求也在日益增长。变流器作为接口设备,在这些应用场合之中均占据重要地位。考虑到现有材料与成本问题,多电平变流设备是中压、大功率电能变换领域的首选,其中以三相三电平中点箝位型变流设备的应用最为广泛。本文以该拓扑结构为基础,对三电平中点箝位型逆变器展开详细深入地研究。直流侧的中点电位保持在直流电源的一半,对保证三电平中点箝位型变流器正常输出具有重要意义。在传统方法中,依靠冗余小矢量对中点电位进行调节,然而该方法对中点电位的调节范围有限,在低功率因数或高调制度的情况下调节能力减弱甚至消失。与此同时,在传统调制模式下使用该调节方法将引起中点电位低频波动,对逆变器运行造成影响。在深入分析中点电位与各个电压矢量之间关系后,本文提出多段中矢量的概念,并将多段中矢量与模型预测控制方法相结合,使得变流器在全调制度下都具有中点电位调节的能力,同时消除了中点电位低频波动现象。该方法不仅提高了对中点电位变化的控制能力,也提高了系统对中点电压调节的速度。此外,针对传统模型预测控制对采样与开关频率要求高,运算量大,开关频率不固定的问题,本文提出了相应的解决方案,即在每个控制周期之中,每次选取多个电压矢量,同时采用输出电压矢量顺序相配合的控制方法。然而模型预测控制与多段中矢量相结合的方法依然对控制器的运算能力要求较高,不利于逆变器工作在动态性能要求较高的场合。考虑到空间矢量调制方法与载波调制具有同一性,本文提出通过将双载波调制与双调制波调制相结合的方法,在其中利用对占空比的二次补偿,得到了与采用多段中矢量相似的效果。该方法省略了对各个矢量单独作用时间的计算,减少了调制过程的时间,同时保留了载波调制的算法简单且应用方便的特点。三电平逆变器的输出电压质量不仅受自身中点电位影响,也与负载有关。针对应用于分布式发电等场合之中,逆变器接入非线性负载导致输出电压受影响的问题进行研究。通过对系统进行建模,推导出该情况下的电路模型,推导出减少输出电压谐波的方法。而为保证该方法的普遍适用性,考虑到可能存在的并联情况,本文在下垂控制的框架下,构建了谐波功率下垂控制。通过虚拟谐波功率构造出对谐波电压控制的负反馈回路,减小了输出电压之中的谐波含量。为验证上述算法,在实验室之中搭建了三电平中点箝位型变流器样机进行相应并进行实验。通过结果表明,多段中矢量可提高三电平变流器在高调制度下对中点电位的调节能力;谐波下垂法增强了逆变器对外界负载扰动的抵抗能力,保证了非线性负载下逆变器输出电压波形质量。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM464
【图文】：

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第一章绪论与两电平变流设备相比，多电平变流设备具有开关应力低，输出波形正弦度高，开关损耗小等特点[21]。多电平设备从拓扑上可以分为(1)级联型多电平逆变器(2)中点箝位型(Neutral Point Clamped, NPC)逆变器。1.2.1 级联型多电平逆变器级联型逆变器于 1975 年 P.Hammond 提出，是最早的一种多电平逆变器拓扑，也是人们在多电平变流领域的第一次尝试。经过不断发展并拓宽它的应用场合，现在级联型逆变器广泛应用于高电压电动机驱动、大功率电源等大功率场合[22]。

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充电电路复杂[35]；(2)为保证多电平输出，在稳态时依然需要确保各电容上电压维持在特定值[36]；(3)载波调制状态下，电容电压不易控制，输出波形中谐波含量较高[37]，且调制方式复杂；(4)为减少飞跨电容的容值，系统需要工作在较高的开关频率下[24]。由此可见，(1)和(2)不利于系统体积的减小与成本的降低，(3)和(4)限制了系统的使用范围，(4)使得该类型逆变器开关损耗增加，不利于工作在大功率变流场合。飞跨电容箝位型多电平逆变器自身的特点，限制了它的应用范围，科研人员对二极管箝位型多电平逆变器进行广泛应用与深入研究。以三电平二极管中点箝位型(3L-NPC)逆变器为例，其拓扑结构如图 1-2 所示，通过在每个桥臂上的两个二极管，使得输出相电压分为 0，±0.5 ，其中表示直流电压源幅值。该拓扑结构的变流器可在实际应用之中实现四象限运行。

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NPC 逆变器拓扑结构及其换流状态分析可控硅器件问世以来，研究人员提出了各种控制方法与变流需求在交流、直流形式之间进行变换的目的。最早得以广泛器件，为增大系统的容量，IGBT 器件应运而生。IGBT 器件通流能力更强。随着人们对系统耐压与容量要求的进一步提比 IGBT 更高的电压，耐受温度更高等特点，得到人们的青用，复杂的驱动电路以及驱动过程中的电压过冲问题，限制阶段，IGBT 依然是中压，大功率电路的首选器件。IGBT 耐压能力不足与系统电压提升之间的矛盾，研究人员提过多年的研究，多电平拓扑在 1kV 至 10kV 的中压大功率领在此之中，二极管箝位型多电平拓扑是最为常见的拓扑结构器作为主要研究对象。设备的拓扑结构如图 2-1 所示。

【参考文献】