三相多电平变流器电压平衡、箝位策略与调制技术研究

电压源型多电平变流器因其输出电平等级多，输出电压THD小，在高压大功率场合有较大的市场需求和应用前景，因而具有重大的研究意义和价值。虽然在工业场合电压型变流器已经有很多应用，但由于种类多，结构复杂，对其研究的步伐远未停止。本文针对适合飞跨电容箝位型变流器载波PWM调制方法，二极管箝位型变流器直流端电容电压难平衡的问题，三相三电平(VIENNA结构)整流器的控制和滞环电流控制在多电平中的应用展开了工作。 针对飞跨电容型多电平变流器，从载波相移PWM方法和消谐波PWM方法的特点差异出发，结合飞跨电容型结构电容电压平衡机理，对适合该结构的旋转载波PWM调制方法的构造和由来进行详细分析；利用双重傅立叶变换，从本质上定量推出应用该PWM方法时输出电压的谐波特性，并通过在高调制度和低调制度情况下三电平和五电平逆变器的仿真和三电平逆变器的实验进行验证。推导和仿真实验结果表明旋转载波PWM方法与消谐波PWM方法在谐波性能上本质是相同的，它们相电压中载波频率处谐波集中了该谐波带的绝大部分能量，这一谐波在合成线电压时得以抵消，所以线电压谐波性能最好，最易于用滤波器滤除。与载波相移方法相比，它不仅能够提高系统的等效开关频率，实现电容电压的自平衡，并且由于载波之间没有相移，采用该方法得到的输出线电压谐波含量明显要小。本文对载波交叠特性在飞跨电容型中的应用也进行了研究，得出适于二极管箝位型的单纯载波交叠PWM方法对飞跨电容电压的平衡没有贡献的结论，无法将其直接用于该拓扑中。为了把载波交叠特性用于飞跨电容型中，提出一种既具有载波交叠特性，又能实现飞跨电容电压自平衡的新型载波PWM方法，并通过三电平逆变器的实验验证该方法的效果。 针对传统二极管箝位型多电平中直流端电容电压难以平衡的问题，本文从硬件角度出发，提出一种基于混和箝位技术的三相四桥臂多电平变流器拓扑，该拓扑在传统二极管型拓扑基础上增加了第四桥臂来充当箝位桥臂。与已有基于混和箝位技术的三相变流器拓扑相比，该新型拓扑能大大减少所用有源器件的数量，实现箝位开关和主开关器件的完全解耦，因此可以对它们进行独立控制。这一特性使得新型拓扑能不加改变的采用传统二极管型多电平拓扑所有调制策略和控制方法，同时不用折衷考虑电容电压平衡，这在已有混和箝位拓扑是不能做到的。通过对三电平和五电平逆变器的仿真以及三电平逆变器的实验，验证了新型拓扑的电容电压平衡效果。该新型拓扑在电平数大于五的应用场合具有很大的应用潜力。 针对VIENNA结构整流器，比较了一种单相三电平Boost功率因数校正整流器与其在结构和控制上的相似之处，把该单相三电平整流器的控制策略拓展到三相三电平整流器(VIENNA)中，此控制方法成本低廉、思路清晰、电路简易可靠，开关管工作在恒频率下，承受最大电压为输出电压的一半。通过仿真和实验结果验证了控制方法是有效的。 针对滞环电流控制在多电平变流器中的应用，本文以有源电力滤波器系统为仿真平台，采用无偏置量滞环电流控制对以飞跨电容型变流器为主变换器的有源滤波器系统进行仿真研究其响应特性；并对基于空间矢量概念的滞环电流控制在三相四桥臂三电平变流器的应用进行探讨和仿真分析，通过判断电压矢量所在的大区间，部分消除了无效的开关组合，减少了开关次数。 论文最后对全文工作进行了总结，并对电压型多电平变流器的今后研究工作进行了展望。