中高压功率变换相关技术的基础研究

近年来,新型多电平功率变换器由于输出容量大、适用于高电压场合和输出电压电流谐波含量小等显著优点,在中高压调速领域、交流柔性供电系统(FACTS)中得到了广泛的关注,成为中高压环境能量处理的首选方案。本文首先对中高压功率变换技术的现状进行了较为详细的综述研究,在此基础上,着重研究了中高压功率变换器的主电路拓扑结构、控制策略和中高压功率变换器中功率器件的隔离驱动电源设计等关键性技术基础问题,主要包括以下内容: 1、着重研究了多电平变换器的拓扑结构,探讨在不同电压等级下主电路拓扑结构的构成策略和拓展方法。针对高电压、高性能功率变换场合的需要,提出了一种主从组合式多电平变换器的拓扑组合结构,具有输出波形质量高、输出电压等级高和功率转换效率高等特点。二极管箝位多电平变换器可实现功率双向流动控制,因而在电机调速领域、电力系统有源滤波和无功补偿方面有优势,本文针对中压环境应用,提出了一种混合二极管箝位多电平变换器的拓展方法,从而产生了一类新的二极管箝位多电平变换器,所使用的箝位二极管数目和具有同样电平数的经典二极管箝位多电平变换器相比有所减少。针对低电压、高性能功率变换的需要,提出了一种附加双向开关多电平变换器拓扑结构的拓展方法,所产生的附加双向开关多电平变换器具有元器件数量少,控制简单,效率高等优点。 2、着重研究了多电平功率变换器的PWM控制方法,分别介绍了多电平变换器的多载波SPWM控制方法、电压空间矢量SVPWM控制方法和特定谐波消除脉宽调制SHEPWM方法,通过仿真和实验的方法,着重研究了通用的多电平变换器SHEPWM方法,针对1/4周期对称的多电平逆变器PWM波或阶梯波形,提出了一种根据波形直接确定傅立叶系数和多电平SHEPWM非线性方程组的方法,省去了烦琐的定积分推导,大大简化了非线性方程组的建立过程:提出了一种采用多载波SPWM方法确定非线性方程组的初值的方法,加速和改善了非线性方程组迭代过程的收敛。以混合级联多电平变换器为例,分析了SHEPWM方法的具体实现。 3、对中高压功率变换装置中可控开关器件的隔离驱动电源设计方法,进行了较为详细的研究。介绍了思路具有启发性的从缓冲电路采集能量的自供电技术和未来非常具有应用前景的压电陶瓷变压器技术。基于专利技术,本文研究了一种新的隔离驱动电源设计方法,即用幅值恒定的高频交流电流,驱动一组输出隔离变压器的单匝原边绕组,在每一个输出变压器的副边得到一路稳定的驱动电源。根据该思路设计的高隔离电压、多输出驱动电源,具有:1)电源输出之间的隔离电压由原边高压电缆的绝缘电压决定,可以作到相当高的电压等级;2)隔离的输出路数由中高压功率变换装置中可控开关器件的多少决定,输出路数可以作到很高,而且输出路数的增减不影响主电路和控制电路的结构,非常方便;3)每个输出单元的位置,均可以根据其所要驱动的可控功率开关的位置,就近安排,非常灵活方便等。相对于用其他方式研制的具有相同输出路数、相同功率、相同隔离电压的电源,该电源具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高、价格低等显著优点,是目前中高压功率变换装置中功率器件驱动电源设计的比较理想的方案。 4、对本文的研究工作和成果进行了总结,对以后的研究工作进行了展望。