基于PSM技术的一种新颖的级联变换器的拓扑和应用研究

论文摘要

随着大功率电力电子器件的出现,电力电子装备在电力系统中得到了广泛的应用。对于传统的变换器拓扑结构,不能直接并联在高压电力系统中,并且输出电能质量低,这些均限制了其在电力系统中的应用,而基于多电平技术的级联变换器的结构,输出电压质量高,通过级联方式将电网电压平均在各个功率器件上,实现了在功率器件耐压值一定的条件下,与高压电网直接连接。而要达到与很高电压等级的电网直接并联需要足够多的级联功率半导体器件,给控制策略带来了巨大挑战。基于SVPWM的控制策略的变换器输出电压畸变率等小等特点,得到了广泛的应用,但随着级联器件的增多,开关矢量急剧增加,并且开关冗余矢量也大幅增加,给SVPWM的实现增加了难度。本文在传统的单相级联H桥的基础之上,采用一种新的单相空间矢量,通过理论分析及仿真结果很好地证明了单相SVPWM的有效性,随后借鉴载波移相调制的基本原理,通过引入三个空间依次相差120度的旋转矢量,将单相SVPWM调制的原理扩展到三相系统中,在三相系统中详细分析了新型SVPWM调制策略的实现过程,在仿真的基础之上充分验证了算法的有效性。传统的级联H桥结构若要实现足够高等级的电压输出以及足够小的电压变化率需要大量的H桥单元,随着研究的不断深入,本文采用了一种新的不对称级联H桥结构,解决了传统H桥级联结构的缺点。由于新型不对称级联多电平变换器的拓扑结构中输出采用变压器隔离,变压器是普通的工频变压器,能够输出足够高的功率,同时变压器的原副边变比不同可以实现H桥单元输出电压的升压,实现与高压电网直接并联方式运行。新的不对称级联多电平的变换器采用一种结合SM与PWM技术的新的PSM调制技术,简化了对于级联多电平变换器输出电平数较多的情况下控制。本文在最后将这种新的不对称级联拓扑结构应用在有源电力滤波器中,新的拓扑结构将拓扑结构中的电压源和电流源分开控制,补偿完全由电流源完成,同时电压源输出数量众多且台阶足够高的电平电压使电流源工作在低压环境中,改善了补偿效果,解决了有源电力滤波器高压并网的问题。在仿真和实验的基础之上,验证了拓扑结构的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 多电平的提出及其应用现状
• 1.1.1 多电平技术的提出
• 1.1.2 多电平技术的应用现状
• 1.2 有源电力滤波器的应用现状
• 1.3 课题的背景以及本文的研究内容
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 第二章 多电平拓扑结构及相关调制技术
• 2.1 引言
• 2.2 多电平拓扑结构分析
• 2.2.1 二极管钳位多电平变换器
• 2.2.2 飞跨电容多电平变换器
• 2.2.3 级联多电平变换器
• 2.2.3.1 传统型级联多电平变换器
• 2.2.3.2 混合级联多电平变换器
• 2.2.3.3 广义多电平变换器
• 2.3 级联多电平调制策略
• 2.3.1 基于载波层叠调制的级联多电平控制
• 2.3.1.1 同相层叠法
• 2.3.1.2 正负反相层叠法
• 2.3.1.3 交替反相层叠法
• 2.3.2 基于载波移相的级联多电平控制
• 2.3.3 多电平空间矢量调制法
• 2.3.4 开关频率优化调制法
• 2.3.5 优化阶梯波宽度调制法
• 2.4 本章小结
• 第三章 对称级联多电平变换器调制实现
• 3.0 引言
• 3.1 单相级联3-H桥7电平变换器主电路
• 3.2 单相级联3-H桥变换器新型SVPWM调制
• 3.2.1 扇区划分
• 3.2.2 开关状态及合成时间计算
• 3.3 三相级联N单元SVPWM调制
• 3.3.1 扇区划分
• 3.3.2 矢量合成及作用时间计算
• 3.4 采用新型SVPWM调制策略级联单元功率分析
• 3.5 仿真及实验结果分析
• 3.5.1 仿真分析
• 3.5.2 实验分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 新型不对称级联多电平PSM调制实现
• 4.1 引言
• 4.2 改进型不对称级联H桥变换器拓扑结构分析
• 4.3 输出电压PSM技术调制
• 4.3.1 PSM技术原理
• 4.3.2 新型不对称级联29电平实现
• 4.4 不对称级联变换器的功率分布分析
• 4.5 仿真及实验分析
• 4.5.1 仿真分析
• 4.5.2 实验分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 新型不对称级联多电平拓扑在APF中应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 新型有源电力滤波器拓扑结构
• 5.3 混合有源电力滤波器模型
• 5.4 电流源控制策略
• 5.4.1 电流环控制
• 5.4.2 电压环控制
• 5.5 谐波检测算法
• 5.5.1 单相谐波检测基本原理
• 5.5.2 二阶巴特沃斯低通滤波器实现
• 5.6 仿真和实验研究
• 5.6.1 参数计算
• 5.6.2 仿真研究
• 5.6.3 实验研究
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文