电压型多电平变换器若干关键技术研究

多电平变换器由于在输出功率、谐波、功率因数、负载共模电压等方面具有显著优势，从而得到了广泛关注。然而经过二十多年的研究，多电平变换器在理论与实践中仍有许多方面研究得不太成熟，以致限制了它向更广领域应用。本文着重对目前尚未解决或解决得不够完善的一些问题进行研究，并提出相应解决方案，主要内容包括以下几个方面： 1．对多电平变换器在调制方式、谐波抑制、能量损耗和系统控制策略等方面作了回顾，主要从拓扑结构方面介绍了多电平变换器的基本理论，并着重介绍了三电平变换器原理。 2．在分析多电平变换器最优开关序列及常用调制策略原理的基础上，提出应充分挖掘多电平变换器的特点，对其调制应多考虑与其他系统性能要求相结合。在此指导思想下，提出一种针对不同负载降低系统损耗的PWM调制方法。 3．针对传统方法求解消谐方程组的不足，深入分析消谐方程组的特点，提出应用多元多项式理论求解中点箝位式变换器消谐方程组。以中点箝位式三电平变换器中求解4个开关角为例，说明了如何应用对称多项式降幂和结式理论消元。这种方法不仅克服了迭代法求解需给定初值的弊端，而且可求得全局解。对所求得的开关角作了实验验证。 4．提供研究多电平变换器通态损耗的方案。根据电流、电压关系确定器件导通规律，以此为基础计算器件导通占空比和推导用于计算通态损耗的表达式。作为该方案的应用，对正弦调制和三次谐波注入法调制下的中点箝位式三电平变换器通态损耗进行了分析与比较。 5．对多电平变换器开关损耗研究。根据电压、电流波形理论上是电压、电流前期与后期函数的事实，通过表征开关电量波形的几个特性参数，由波形产生的内在机理，精确拟合逼近实际波形。根据波形表达式，结合多电平变换器的工作原理，建立多电平变换器开关损耗模型。作为方法的应用，研究了三电平中点箝位式变换器开关损耗，研究的器件为主流功率器件IGBT和快恢复二极管。对三电平变换器开关损耗计算方法和结果进行了实验验证。 6．理论研究三电平变换器在直接转矩控制系统中的应用。研究直接转矩控制的退磁现象及解决方法；研究电压矢量对转矩脉动的影响，并根据多电平变换器的特点，给出开关状态选择方案，并作了仿真比较。 7．完成了基于SVPWM的一台箝位式三电平变频器的设计。以TMS320LF2407A DSP为控制核心，进行了速度开环、恒压频比控制的交流电机调速实验。实验结果验证了软件、硬件设计的有效性和正确性。