基于混合钳位型五电平拓扑的研究与设计

论文摘要

近年来,多电平技术成为电力电子技术在中高压大功率应用领域中研究的热点,其中二极管钳位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛。二极管钳位型拓扑受制于直流母线电容电压不平衡的问题,一直无法在五电平及五电平以上的变流器中推广应用。混合钳位型拓扑的提出,可以解决直流母线电容电压的平衡问题,该拓扑以悬浮电容为中间媒介,通过悬浮电容与直流母线电容间的并联来实现直流母线电容的电压平衡,不需要复杂的控制方法,不受负载特性影响。本文基于混合钳位型拓扑展开分析、研究和设计。本文从电路合成的角度重新分析混合钳位型拓扑的电路结构和工作原理,并简单介绍了电容电压平衡机理和混合钳位型拓扑的控制方法。混合钳位型拓扑是一种新颖的多电平拓扑,为对系统做进一步分析设计,本文分析了混合钳位型拓扑所有的工作模态和他们之间的相互转换,将其分为三类,归纳出各类工作模态转换的转换规则,并通过测试验证了理论分析的正确性。对几种适用于混合钳位型拓扑的载波方式做分析,比较了它们对工作模态转换和输出电压谐波的影响。混合钳位型拓扑中,电容的大量使用使直流母线电容和悬浮电容容值的选择成为一个复杂问题。本文提出了一种可以定量选择电容容值的方法。根据对电容电压平衡的影响,将系统的正常运行划分为五种模态转换,取其中对电容电压影响最大的一种作为电容容值选择的参考,并以此确定出平衡效果最好的直流母线电容和悬浮电容容值比。进而通过恒流负载的仿真,验证了这种方法的正确性。本文在混合钳位型拓扑基础上,提出了一种开关电容和二极管钳位电路组合的多电平拓扑,该拓扑将开关电容电路和二极管钳位电路有机的结合起来,充分发挥了两部分电路的优点,不但减少了器件的使用量,而且可以实现升压功能,并通过仿真和实验验证了该拓扑的可行性。最后,实验室搭建了一台15kW的混合钳位型五电平三相逆变器,验证了该拓扑在较大功率等级上应用的可行性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 多电平变流器的研究背景
• 1.2 针对直流母线电容的电压不平衡问题的探索与研究
• 1.2.1 附加硬件电路实现电容电压平衡
• 1.2.2 改进控制方法实现电容电压平衡
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 混合钳位型五电平拓扑的结构和工作原理
• 2.1 混合钳位型五电平拓扑的电路结构和电平合成
• 2.2 直流母线电容电压平衡的实现
• 2.3 混合钳位五电平拓扑的控制
• 第3章 混合钳位型五电平拓扑工作模态转换分析与测试
• 3.1 工作模态转换的分析
• 3.1.1 第一类工作模态转换
• 3.1.2 第二类工作模态转换
• 3.1.3 第三类工作模态转换
• 3.2 工作模态转换的测试
• 3.2.1 测试方案
• 3.2.2 测试结果
• 3.3 针对工作模态转换的几种载波的比较
• 第4章 直流母线电容与悬浮电容的选择
• 4.1 单相工作情况
• 4.2 三相工作情况
• 第5章 一种开关电容和二极管钳位组合的多电平拓扑
• 5.1 新拓扑的工作原理
• 5.2 升压输出的实现
• 5.3 仿真和实验验证
• 第6章 电路设计与样机搭建
• 6.1 主电路设计
• 6.1.1 整流部分参数设计
• 6.1.2 逆变部分参数设计
• 6.2 控制电路设计
• 6.3 驱动、保护与电平转接电路设计
• 6.3.1 驱动电路
• 6.3.2 硬件保护电路
• 6.3.3 电平转接电路
• 6.4 实验波形
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历