【摘要】： 多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小以及电磁兼容性好等特点,使得变流器装置在增大容量的同时改善其输出性能成为可能。随着超导储能技术的不断发展以及高反向电压阻断能力半导体器件(如MCT、IGCT等)的相继出现,电流型变流器的效率问题将得以解决,这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。本文首先研究了电流型多电平变流器的一些相关理论,如拓扑构造方法、PWM调制技术等;在此基础上,本文以三相电流型多电平整流器的应用研究为目标,对三相电流型多电平整流器的工作特性、参数设计以及控制方法等进行了深入研究,并取得了以下一些成果。 本文提出了基于基本电路单元的电流型多电平变流器拓扑的构造方法。采用本文所提出的拓扑构造方法不仅推导出了已有的一些电流型多电平变流器拓扑,还构造出了一些新型拓扑结构。在此基础上,本文分析了电压型多电子变流器与电流型多电平变流器的“内在”对偶关系,揭示了通过借鉴电压型多电平变流器的研究成果来研究电流型多电平变流器的一些方法。 本文提出了三相电流型变流器的间接调制技术和直接调制技术。间接调制技术是将二逻辑信号到三逻辑信号的变換关系作为通过三相电压型变流器调制策略来构造三相电流型变流器调制策略的一种通用实现手段。直接调制技术是基于三相电流型变流器本身的开关工作机理而提出的。与间接调制技术相比,直接调制技术具有线性传输特性、开关次数少、直流电流利用率高等优点。另外,本文还提出了一种低电压应力直接调制技术,实现了变流器的非零矢量所在相之间的自然换相。 本文建立了三相电流型多电平整流器的低频数学模型和高频数学模型,详细分析了三相电流型多电子整流器的频域特性。在此基础上,从整流器的工作性能、电路参数以及系统成本等方面对三相电流型多电平整流器和三相多重化相控整流器进行了比较。分析结果表明,三相电流型多电平整流器的多项性能指标要优于多重化相控整流器,因此本文提出了在今后工业应用领域中,采用三相电流型多电平整流器来取代多重化相控整流器的设想。 基于频域特性分析结果,本文提出了一种三相电流型多电平整流器直流侧滤波参数的设计方法。该方法将多模块并联整流器的直流侧等效电路等效为多个单模块整流器直流侧等效电路的并联,因此当三相电流型多电平整流器恒流输出时,直流侧体现为一阶系统,可以根据直流电流纹波指标要求和系统动态响应要求对分流电感参数进行设计。当三相电流型多电平整流器恒压输出时,可以参照Buck电路原理来设计其直流侧分流电感参数和滤波电容参数。 本文研究了三相电流型多电平整流器的控制方法。首先研究了基于直接电流控制的双闭环控制方法在三相电流型多电平整流器中的应用。然后,针对三相电流型多电平整流器恒压输出情况,提出了采用负载电流前馈控制的双闭环控制策略,解决了开环幅值增益尖峰和系统快速性之间的矛盾,使得系统即便采用较小的回路增益,仍可具有较快的动态响应和较好的稳态性能。 最后,基于DSP和FPGA硬件平台,设计了三相电流型多电乎整流器的全数字化控制系统。在此基础上,分别对三相电流型多电平整流器在恒流输出和恒压输出时的工作情况进行了实验,验证了本文所述理论的正确性。 【关键词】：电流型多电平变流器 拓扑 PWM调制 多电平整流器 频域特性 前馈控制 【学位授予单位】：浙江大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2008 【分类号】：TM461 【目录】： 致谢6-7 摘要7-9 ABSTRACT9-12 目录12-15 1 绪论15-28 1.1 研究背景15-16 1.1.1 多电平变流器的产生背景15 1.1.2 多电平变流器的发展状况15-16 1.2 电流型多电平变流器的研究现状16-24 1.2.1 拓扑结构的研究17-20 1.2.2 调制技术的研究20-23 1.2.3 控制方法的研究23 1.2.4 对偶原理的应用23-24 1.3 电流型多电平变流器的应用前景24-26 1.3.1 超导储能系统24-25 1.3.2 有源电力滤波器25 1.3.3 功率因数校正25-26 1.4 本文的主要研究工作26-28 2 电流型多电平变流器拓扑的构造和分析28-56 2.1 三种基本电路单元28-37 2.1.1 单值电感型电路单元28-33 2.1.2 多值电感型电路单元33-35 2.1.3 并联H-桥电路单元35-37 2.2 电流型多电平变流器拓扑的构造37-46 2.2.1 单值电感型多电平变流器37-40 2.2.2 多值电感型多电平变流器40-43 2.2.3 并联H-桥多电平变流器43-44 2.2.4 三种拓扑类型的统一44-46 2.3 电压型与电流型多电平变流器的对偶关系46-55 2.3.1 直接对偶关系47-48 2.3.2 间接对偶关系48-55 2.4 本章小结55-56 3 三相电流型多电平变流器的PWM调制技术56-85 3.1 三相电流型变流器的间接PwM调制技术56-70 3.1.1 间接PWM技术的数字实现57-60 3.1.2 载波相移SPWM技术60-66 3.1.3 间接SVPWM技术66-70 3.2 三相电流型变流器的直接PWM调制技术70-83 3.2.1 基于三角载波的直接调制技术70-72 3.2.2 基于锯齿载波的直接调制技术72-74 3.2.3 低电压应力直接调制技术74-80 3.2.4 直接调制技术的特点80-81 3.2.5 仿真结果81-83 3.3 本章小结83-85 4 三相电流型多电平整流器的频域特性分析85-115 4.1 三相电流型多电平变流器的运行方式85-86 4.2 三相电流型多电平整流器的数学模型86-90 4.2.1 低频数学模型87-89 4.2.2 高频数学模型89-90 4.3 三相电流型多电平整流器的频域特性90-106 4.3.1 开关函数的傅立叶分析91-93 4.3.2 交流侧电流特性93-94 4.3.3 直流侧电压特性94-100 4.3.4 传输带宽100-102 4.3.5 与单模块整流器的特性比较102-103 4.3.6 仿真和实验103-106 4.4 与多重化相控整流器的比较分析106-112 4.4.1 多重化相控整流器的特性106-109 4.4.2 电流型多电平整流器与多重化相控整流器的比较109-112 4.5 本章小结112-115 5 三相电流型多电平整流器系统的设计和实验115-144 5.1 主电路参数设计115-124 5.1.1 交流侧滤波器设计115-117 5.1.2 直流侧滤波器设计117-124 5.2 控制系统设计124-135 5.2.1 基于直接电流控制的双闭环控制系统125-129 5.2.2 负载电流前馈与双闭环控制129-131 5.2.3 仿真分析131-135 5.3 三相电流型多电平整流器的实验135-143 5.3.1 数字控制系统136-137 5.3.2 恒流输出时的实验结果137-140 5.3.3 恒压输出时的实验结果140-143 5.4 本章小结143-144 6 全文总结和展望144-147 6.1 对本文工作的总结144-146 6.2 对后续工作的展望146-147 参考文献147-158 攻读博士学位期间发表和录用的论文158-160 攻读博士学位期间的获奖情况160 |
