基于混合箝位五电平拓扑的三相PWM整流器研究

论文摘要

二极管箝位型（NPC）多电平PWM整流器由于其诸多优势成为高压大功率有源AC-DC转换领域研究的热点,但直流母线电容电压不均衡的问题一直是研究的难点。对于三电平拓扑,目前已有较为成熟的解决方案,在工业上获得了广泛的应用,而更高电平的拓扑却一直没有有效可行的方法,因此,多电平PWM整流器的研究大多局限于三电平拓扑。本文采用一种混合箝位五电平拓扑应用于PWM整流器,此拓扑具有自然均压的功能,从而大大减小了控制的复杂度,使得已有的较为成熟的PWM整流器控制方法可部分移植到该五电平PWM整流器的控制上。本文首先分析了混合箝位五电平PWM整流器的工作原理,运行于整功率因数下电路的工作模态。针对电压源型PWM整流器（VSR）一个重要的参数交流进线电感,本文结合混合箝位五电平特有的交替混合PWM调制（AHPWM）万法,推导出了选取电感感值的理论计算式。同时,由于开关电容电路的存在,当变换器处于三相工作时,在直流母线侧会出现不同的电容容值,本文推导了直流母线等效电容容值与调制比之间的函数关系式。基于混合箝位五电平拓扑,本文分析了PWM的数学模型,并根据数学模型,推导了直接电流控制的控制算法,阐述了双环控制的控制原理,并给出了控制系统的设计方法,以及电压前馈控制用于限制系统启动电流的策略。另外,本文对非理想特性下混合箝位五电平PWM整流器的换流模态做了详细的分析,将整功率因数控制下的换流模态分为五类,结合实验数据分析了每一类的每一种模态转换引起器件电压电流应力过大的原因,最后综合各类换流模态分析了影响系统可靠运行的因素。最后,实验室搭建了一台三相混合箝位五电平PWM整流器的样机,并且在阻性负载及逆变器负载（背靠背变换器）下做了相关实验,实验结果表明本文所设计的五电平PWM整流器实现了直流母线电容电压的均衡与稳定,有效抑制了交流侧输入电流的畸变,实现了功率因数校正。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 多电平PWM整流器研究现状
• 1.2.1 多电平变换器发展现状
• 1.2.2 PWM整流器的拓扑结构及控制技术
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 混合箝位五电平PWM整流器的工作原理
• 2.1 混合箝位五电平拓扑的基本工作原理
• 2.2 混合箝位五电平PWM整流器的工作模态分析
• 2.2.1 PWM整流器的工作状态分析
• 2.2.2 单位功率因数下混合箝位五电平PWM整流器的工作模态
• 第三章 储能元件的分析与设计
• 3.1 混合箝位五电平PWM整流器进线电感设计
• 3.1.1 抑制输入电流纹波的要求
• 3.1.2 满足快速跟踪指令电流的要求
• 3.1.3 满足功率传输指标的要求
• 3.2 混合箝位五电平PWM整流器等效直流母线电容分析
• 第四章 混合箝位五电平PWM整流器的数学模型与控制策略
• 4.1 混合箝位五电平PWM整流器的数学模型
• 4.1.1 开关函数描述的一般数学模型
• 4.1.2 采用占空比描述的一般数学模型
• 4.1.3 dq坐标系下的数学模型
• 4.2 混合箝位五电平PWM整流器的控制策略
• 4.2.1 静止坐标系下直接电流控制控制算法
• 4.2.2 dq坐标系下直接电流控制控制算法
• 4.3 控制系统环路设计
• 4.3.1 电流内环的设计
• 4.3.2 电压外环的设计
• 4.3.3 数字锁相环的设计
• 4.4 启动限流策略分析
• 第五章 混合箝位五电平PWM整流器非理想特性下模态转换测试与分析
• 5.1 混合箝位五电平PWM整流器的换流回路
• 5.2 非理想特性下换流模态分析
• 5.2.1 第一类换流模态
• 5.2.2 第二类换流模态
• 5.2.3 第三类换流模态
• 5.2.4 第四类换流模态
• 5.2.5 第五类换流模态
• 5.2.6 换流模态总结及系统可靠性分析
• 5.3 加吸收电容后的回路RC充放电分析
• 第六章 样机搭建与实验结果
• 6.1 交流进线配电设计
• 6.2 控制系统概述
• 6.3 采样调理电路设计
• 6.4 实验结果及分析
• 6.4.1 阻性负载实验结果
• 6.4.2 逆变器负载实验结果
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢