【摘要】：高壓大功率變換器在電網(wǎng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用,其中多電平結構作為一種拓撲級解決方案,具有電壓應力低、調(diào)制策略靈活等特點。中點箝位型(Neutral Point Calmped,NPC)多電平拓撲最早報道于上世紀80年代,已有近40年的發(fā)展歷史,但其應用領域仍在不斷拓展——從最早的逆變器發(fā)展到最近的雙向直流變換器,另外,新的應用場合也對變換器的性能提出了新的要求,因此仍有許多問題有待探索和解決。本文以NPC型三電平橋臂為基礎,探索其在單向直流變換器、雙向直流變換器和逆變器這三種重要應用中拓撲結構和調(diào)制策略上的改進與優(yōu)化,以提高變換器多方面的運行性能。本文的主要研究內(nèi)容如下:對于高壓輸入的三電平全橋直流變換器,在理想情況下該變換器的供電模態(tài)并不存在單個輸入分壓電容提供負載電流的情況,因此其輸入中點電壓并不會偏離平衡狀態(tài);但在實際系統(tǒng)中,開關管的動作可能存在微小的差異,當兩橋臂的對管關斷不一致時,會出現(xiàn)單個分壓電容提供負載電流的模態(tài),從而導致中點電壓偏移。針對該現(xiàn)象本文提出了兩方面的解決措施:在調(diào)制策略上,可以通過閉環(huán)控制進行脈寬補償從而實現(xiàn)中點電壓平衡;在拓撲結構上,通過引入飛跨電容也能實現(xiàn)中點電壓自平衡。之后本文重點對帶飛跨電容的三電平全橋直流變換器進行了詳細的模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)飛跨電容的引入能給輸入電容提供額外的電流補償支路,解釋了中點電壓自平衡功能的實現(xiàn)機理,并分析了中點電壓穩(wěn)態(tài)誤差的影響因素,推導了誤差的具體表達式,最后在實驗平臺上對此進行了驗證。三電平橋臂的引入使變換器中開關器件的電壓應力降低為輸入電壓的一半,但是在高壓輸出的場合,傳統(tǒng)的整流拓撲中的二極管仍然需要承受很高的電壓應力。針對高壓輸出的應用場合,本文將帶飛跨電容的NPC型三電平結構引入到整流側,構造出一種新的變換器拓撲。該變換器的調(diào)制策略與傳統(tǒng)直流變換器一致,但能帶來多方面運行性能的改善:○1副邊整流二極管的電壓應力減半,且飛跨電容的引入保證了串聯(lián)二極管的均壓性能;○2滯后橋臂開關管在電流斷續(xù)模式下能實現(xiàn)零電流開關,在電流連續(xù)模式下能實現(xiàn)零電壓開關;○3即使不附加任何緩沖電路,也能完全消除副邊整流二極管上的電壓尖峰;○4副邊整流電壓的低電平從傳統(tǒng)變換器的0V提高到了輸入電壓的一半,這樣一方面提高了變換器的直流電壓利用率,另外還減小了濾波電感的電流紋波。文中詳細分析了該變換器的工作原理和運行特性,并在實驗樣機上進行了驗證和比較:引入三電平整流拓撲之后,變換器在輕載時的效率大幅提升,濾波電感的電流紋波下降了接近一半,整流二極管上的電壓尖峰被完全消除。應用于雙向功率傳輸?shù)娜娖诫p有源全橋(Dual Active Bridge,DAB)直流變換器,其開關器件的電壓應力低,并且能提供更多的控制自由度,有利于增強控制系統(tǒng)的靈活性,但控制自由度越多,其實現(xiàn)過程就越復雜。本文在控制的靈活度與實現(xiàn)的復雜度之間進行折中,提出了一種具有五個控制自由度的調(diào)制策略,并在該調(diào)制策略的基礎上,構造了一種減小傳輸電感電流有效值的優(yōu)化算法。該算法提取原副邊H橋輸出高頻電壓中的基波分量和三次諧波分量,通過調(diào)節(jié)各分量的幅值來獲得最優(yōu)占空比。與傳統(tǒng)的各類優(yōu)化算法相比,該方法無需進行詳細的模態(tài)分析,計算簡單,實現(xiàn)難度低,而且該優(yōu)化算法也更加直觀,有利于理解變換器的運行特性。最后,該調(diào)制策略及優(yōu)化算法的性能通過仿真和實驗予以驗證,所提出的優(yōu)化調(diào)制策略與傳統(tǒng)的單移相調(diào)制策略相比在輕載時能大幅降低電感電流有效值,進而提升系統(tǒng)效率。針對三電平NPC逆變器,本文基于載波調(diào)制(Carrier-Based Pulse Width Modualtion,CBPWM)的方法,提出了一種能消除中點電壓低頻紋波并抑制共模電壓的雙調(diào)制波策略。傳統(tǒng)CBPWM策略中每相只對應一個調(diào)制波,因此在一個載波周期內(nèi)單個橋臂只能輸出兩種狀態(tài),而雙調(diào)制波策略中每相對應兩個調(diào)制波,在一個載波周期內(nèi)單個橋臂可以輸出三種狀態(tài),因此可以實現(xiàn)更多復雜的優(yōu)化算法。本文以消除中點電壓的低頻紋波為優(yōu)化目標,從各相的零狀態(tài)占空比相等的原則出發(fā),詳細推導了各狀態(tài)占空比的表達式并構造了相應的調(diào)制波。在此調(diào)制策略的基礎上,通過分析調(diào)制過程中使用到的電壓矢量,重新對開關序列進行優(yōu)化排列,能將逆變器的共模電壓抑制在輸入電壓的1/6以內(nèi)。最后,該調(diào)制策略及優(yōu)化算法的性能通過仿真和實驗予以驗證:在引入雙調(diào)制波策略之后,逆變器的中點電壓低頻紋波被完全消除;在對開關序列進行優(yōu)化排列之后,逆變器產(chǎn)生的共模電壓幅值從240V下降到了120V。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM46

【參考文獻】

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本文編號：2597552