【摘要】：隨著電力電子技術的發(fā)展,多相交錯并聯(lián)逆變器技術在經歷了兩相交錯并聯(lián)的廣泛研究和成熟應用后,受到了越來越多的關注。它能夠通過并聯(lián)提升容量,通過載波交錯實現輸出多電平以及高等效開關頻率,還具備冗余和模塊化設計的潛質。雖然交錯并聯(lián)相數的增多能帶來這些好處之外,但它也造成了很多新的問題,涉及耦合電感、濾波電感、控制器設計以及容錯運行策略等。本文首先分析了多相交錯并聯(lián)逆變器的電路特性,設計了耦合電感。然后,論文分析了磁粉芯濾波電感軟飽和特性,即電感值會隨電流變化特性的影響,提出了相應的補償策略。接著,論文分析了低控制頻率配合高等效開關頻率的控制問題,提出了一種控制器帶寬擴展方法。最后,本文分析并設計了一種基于線圈短路的多相交錯并聯(lián)逆變器容錯運行策略。本文的主要研究內容如下:多相交錯并聯(lián)逆變器具有多電平輸出以及高等效開關頻率的優(yōu)點。那么隨著交錯并聯(lián)相數的增多,輸出電平數是否會一直增加,是否存在極限?本文分析了多相交錯并聯(lián)逆變器的電路特性,從調制比與交錯并聯(lián)相數的關系出發(fā),推導了最大交錯并聯(lián)相數。本文選擇耦合電感用以連接各個開關橋臂。不開氣隙的耦合電感可以極大地減小磁芯元件的體積,但同時它又存在飽和的問題,危害逆變器的可靠運行。本文針對多相交錯并聯(lián)逆變器的關鍵器件耦合電感,分析了其磁特性。根據相關結論,提出了增強耦合電感抗飽和能力的設計原則,并設計了幾種適用不同應用需求的耦合電感。多相交錯并聯(lián)逆變器具有多電平輸出和高等效開關頻率,常規(guī)的電感設計方法不再適用。此外,磁粉芯高頻特性優(yōu)于硅鋼片,比較適合作為多相交錯并聯(lián)逆變器濾波電感的材質。但是磁粉芯材質電感具有軟飽和特性,磁導率會隨著磁場強度的增大而下降,導致其電感值會隨著電流的增大而下降。這會影響逆變器的電流紋波特性、諧波特性、控制器帶寬等。本文研究多相交錯并聯(lián)逆變器的輸出電流紋波與交錯并聯(lián)相數及開關頻率的關系。在此基礎上,提出多相交錯并聯(lián)逆變器的電感設計方法。針對磁粉芯軟飽和特性,通過建立基于傅里葉級數展開的模型,分析了它對逆變器的影響機理。根據電流紋波變化規(guī)律,提出了適應磁粉芯軟飽和特性的電感設計原則,可以獲得比常規(guī)方法更小更準確的電感設計結果。根據磁粉芯電感的作用機理,提出了補償控制策略,有效地改善逆變器的各項性能。最后,通過實驗結果驗證了分析的正確性和所提方法的有效性。在多相交錯并聯(lián)逆變器中,等效開關頻率高,濾波電感的感值小。而另一方面,數字控制的頻率受限于數字實現過程,通常最大為開關頻率的兩倍。這種等效開關頻率遠高于控制頻率的情形與常規(guī)逆變器不同,存在新的問題。本文分析了高等效開關頻率對逆變器性能及控制器設計的影響,并比較了幾種不同控制策略的優(yōu)劣。然后提出了一種基于相位裕度補償的控制器帶寬擴展方法。利用該方法,在實驗臺架中設計了兩倍于最初的開環(huán)穿越頻率,控制器帶寬提升了13%,明顯地改善了逆變器的動態(tài)響應特性。在多相交錯并聯(lián)逆變器中,開關器件數量多,存在比較大的故障風險。而耦合電感在逆變器故障時,存在飽和問題,嚴重影響多相交錯并聯(lián)逆變器的容錯運行能力。此外,在設計容錯運行策略以及耦合電感時,需要耦合電感線圈的電壓、電流以及橋臂環(huán)流等關鍵參數。而耦合電感中磁柱數量多,磁通耦合關系復雜,導致這些參數求解較困難。本文分析耦合電感在故障下的磁特性以及基于線圈短路的容錯運行策略的原理。在此基礎上,提出了一套計算所提關鍵參數的方法。其結果可以用于指導容錯運行策略以及耦合電感的設計。最后,通過實驗結果驗證了分析的正確性和所提方法的有效性。
【圖文】：

在逆變器的多種應用領域中，如電動汽安全可靠運行有很高的要求[93, 94]。因此都受到廣泛的關注。而這其中，使逆變故障時，，能夠及時地檢測出故障，并迅正常電路能夠不受波及地繼續(xù)運行。這也主要包含這三個方面：故障檢測與診及設計需求的差異導致其在系統(tǒng)架構、錯運行策略也各有千秋。本文主要關注并聯(lián)直流變換器的容錯運行策略的研究半導體器件相比其他器件具有更高的故于電解電容造成的，31%是由于功率半導布如圖 1-3 所示。

將同一高度的交點連接，可以劃分出不同的同時閉合數是不同的，也就決定了輸出的電平數是不方塊中時（圖中紅色虛線），在一個開關周期內調制波其他所有的三角載波。因此，相同色彩的方塊中，多是一致的，也即輸出的電平是一樣的。圖中正弦調制同的色塊，導致逆變器輸出不同的電平。但是逆變器動態(tài)調節(jié)能力，通常不會將調制比設置到 1。而另一加，載波交點的位置逐漸上移，靠近 1。因此，存在情形，此時逆變器無法輸出滿電平。為了最大化地利加的特性，調制波應該覆蓋所有區(qū)域。根據幾何關系21emm> 表調制比，m 為交錯并聯(lián)相數。
【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】：TM464

【參考文獻】

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本文編號：2703026