高压变频器拓扑结构和调制策略的仿真研究

论文摘要

随着中、高压大容量变频调速器的大量应用,多电平逆变器已经成为当前电力电子技术中倍受关注的研究热点。相应的逆变技术的研究也由日渐成熟的高频软开关技术转向了低频多电平变换技术的研究。这是因为前者以追求高频化和降低开关应力,以及改善输出波形为目标,只适用于中、小容量的逆变器,而对于中、高压大容量的逆变器,通常采用级联型结构。这种电路扩展了逆变器的电压等级,但为了有效减小高次谐波却使电路结构复杂化,控制难度加大。所以,如何对主电路结构进行改进,实现多电平基频化,则是低频多电平变换技术研究的重点。论文首先在对目前已提出的级联型多电平逆变电路结构进行深入分析的基础上,明确了本文所研究的逆变电路结构为级联型逆变器。然后,对各种多电平PWM控制方法进行了深入研究,并结合载波垂直分布PWM调制方法和载波移相PWM调制方法提出了混合PWM调制方法。通过MATLAB仿真计算,证明了在混合多载波PWM方法调制下的逆变电路具有输出的波形更好且总的谐波畸变率相对最小等优点。在分析了目前多电平PWM控制方式之后,针对国内多电平PWM控制方式的研究现状,本文提出一种使用一个载波信号和多个调制信号的规则对称采样PWM方法。同时对各种调制方法的仿真波形进行了离散傅立叶分析,得到相应的频谱特性,通过分析比较,进而总结出级联多电平各种PWM调制方法输出电压波形谐波的一般规律和各自的特点。并对在基于单载波调制PWM调制方式下带动电动机负载进行启动、运行的仿真,研究单载波PWM调制方式下电动机负载启动过程和工频、变频情况下的运行特性。通过仿真可以得出,在单载波PWM控制方式下,变频器的输出电压、电流谐波含量和电动机转矩脉动都很小,充分显示了单元级联高压变频器的优越性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 大容量变换器的发展背景
• 1.1.1 电力系统的发展需要
• 1.1.2 高压大功率交流电动机变频调速的需求
• 1.1.3 节能的需要
• 1.2 高压大容量多电平变换器的应用
• 1.2.1 高压大容量多电平变换器的应用领域
• 1.2.2 高压大容量多电平变频调速技术现状
• 1.3 多电平变换器的基本工作原理、分类及特点
• 1.3.1 多电平变换器的基本工作原理
• 1.3.2 多电平变换器的分类
• 1.4 论文研究的主要内容
• 2 多电平变换器的主电路结构
• 2.1 二极管箝位型多电平变换器
• 2.1.1 二极管箝位型多电平变换器的结构特点和工作原理
• 2.1.2 二极管箝位型多电平变换器的优缺点
• 2.2 飞跨电容型多电平变换器
• 2.2.1 飞跨电容型多电平变换器的结构特点和工作原理
• 2.2.2 飞跨电容型多电平变换器的优缺点
• 2.3 级联型多电平变换器
• 2.3.1 级联型多电平变换器的结构特点和工作原理
• 2.3.2 级联型多电平变换器的优缺点
• 2.4 本章小节
• 3 多电平变换器PWM 控制技术
• 3.1 概述
• 3.2 三电平载波PWM 控制
• 3.2.1 三角载波层叠法
• 3.2.2 优化PWM 方法
• 3.3 多电平变换器的载波PWM 控制技术
• 3.3.1 载波层叠法
• 3.3.2 载波移相法
• 3.3.3 基于载波移相和载波层叠的混合载波PWM 调制法
• 3.3.4 多电平载波PWM 技术的谐波性能
• 3.4 不同开关器件H 桥混合级联分段载波层叠式PWM 控制法
• 3.4.1 不同开关器件2H 桥混合级联PWM 控制法
• 3.4.2 不同开关器件2H 桥与3H 桥混合级联的PWM 控制法
• 3.5 空间矢量PWM 方法
• 3.6 本章小结
• 4 基于级联型多电平变换器单载波PWM 调制法的建模仿真
• 4.1 单载波PWM 调制方法的提出
• 4.2 开关角的推导
• 4.3 单载波调制方法的建模与仿真
• 4.3.1 脉冲信号产生模型
• 4.3.2 控制脉冲信号发生模型
• 4.4 单相电路仿真
• 4.5 高压变换器仿真
• 4.6 本章小节
• 5 级联型多电平PWM 变换器的谐波分析
• 5.1 不同调制方法时的谐波分析
• 5.2 输出滤波器设计
• 5.3 高压变频器带电机的仿真研究
• 5.3.1 电动机的选型
• 5.3.2 直接启动条件下系统仿真
• 5.3.3 高压变频条件下调速系统的仿真
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录