四象限级联型多电平逆变器拓扑及控制策略的研究

级联型多电平逆变器因其具有以低压方式解决高压电机驱动问题且易于扩展电压等级的特点,同时具有运行特性优良、节能效果显著等优点使其在高压电机变频调速领域得到了越来越广泛的应用。在高压变频驱动技术的发展过程中,由于受相关学科和自身技术发展等因素的限制,目前的级联型多电平逆变器均采用二极管不控整流桥,能量只能单向传递,无法应用于需四象限运行的变负荷拖动系统中,限制了该类逆变器的应用;另一方面,导致电网电流谐波污染严重。因此,开展新型高压电机变频驱动技术的研究,解决传统技术存在的问题,具有较大的理论意义和实用价值。 本文主要针对上述问题提出一种新型能量自动双向传递的级联型多电平逆变器拓扑,以解决高压电机系统的四象限运行问题,扩展级联型逆变器的应用领域。针对所提出的拓扑结构,论文重点研究了相应的控制策略。并对级联型逆变器的多电平PWM技术进行了深入研究。 首先分析了交流电机再生能量的产生机理以及传统级联型逆变器处于再生发电状态的运行特性,揭示了其性能上的缺陷。在此基础上,将电压型PWM整流器与级联型逆变器相结合,提出一种新的四象限级联型多电平逆变器拓扑。论文通过推导四象限功率单元的数学模型,进而建立了N单元四象限级联型逆变器的数学模型,为其控制策略的研究提供理论依据。通过分析四象限级联型逆变器能量逆传递的过程,得出各个功率单元对再生能量的分配具有同时性和均衡性的结论;同时确定了采用隔离变压器副边电压作为定向矢量的控制策略,以使系统实现较高效率运行。 深入研究了基于级联型逆变器的新型多电平PWM技术。为了解决载波移相SPWM技术以及错时采样SVPWM技术存在的问题,提出一种可显著降低算法复杂度的新型单元矢量延时叠加多电平SVPWM(OTS-SVPWM)技术。论文详尽阐述了OTS-SVPWM技术的调制原理,推导了幅值损失率与采样周期的关系。通过选取适当的采样周期值,该新型PWM技术实现了与错时采样SVPWM技术等效的多电平PWM波形输出,并具有采样频率不随级联单元数量的变化而变化的优点。 研究了基于电压定向矢量控制策略的四象限级联型逆变器的运行特性,仿真结果证明了所提出拓扑的正确性。在论文的研究中,为了更好地对所提出的新型四象限级联型多电平逆变器进行控制,以获得良好的运行特性,提出了基于改进虚拟磁链观测器的直接功率控制策略。通过采用带饱和限幅反馈环节的积分器,解决了传统观测方法存在的初始值选取等问题。在此基础上,提出了无交流电压传感器的四象限级联型逆变器的电路结构,对其运行特性进行了深入研究。结果表明,在无需检测交流输入电压的前提下,仍然达到了预期控制效果,进而有效降低了系统成本,并提高了可靠性。 搭建了基于DSP+FPGA结构的三单元四象限级联型逆变器低压实验平台,对所提出的OTS-SVPWM技术进行了实验验证,给出了具体实现方法及相应的主要实验结果。对四象限级联型变频器的运行特性进行了实验研究,实验结果证明了所提出新型拓扑及其控制策略的正确性和可行性,进而扩展了该类逆变器的应用领域。