【摘要】：隨著國家節(jié)能減排的需求進一步提高,工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、交通運輸、高壓柔性輸電等場合對變換器的電壓等級提出了新的要求。多電平變換器能夠解決功率器件耐壓等級與變換器電壓等級之間的矛盾,輸出波形好,容錯性能高,各種新型多電平變換器拓撲及調(diào)制策略層出不窮。對于多電平變換器,功率器件數(shù)目大幅增加,變換器輸出開關(guān)狀態(tài)組合數(shù)目隨著電平數(shù)呈立方增長,且存在大量的冗余開關(guān)狀態(tài)組合。器件的損耗功率不平衡度因此對應(yīng)增加。原本采用理想的周期性正弦脈寬調(diào)制策略(理想的正弦輸出電流和電網(wǎng)電壓、穩(wěn)定的系統(tǒng)參數(shù)、穩(wěn)定無波動的直流側(cè)電壓、固定開關(guān)頻率的周期性調(diào)制策略等)對變換器中功率器件損耗功率進行分析和計算的方法不再適用。本文以典型功率器件IGBT及反并聯(lián)二極管為研究對象,基于數(shù)學擬合數(shù)據(jù)的方法,通過MATLAB/Simulink軟件建立了IGBT及反并聯(lián)二極管損耗功率簡化通用計算模型,考慮了結(jié)溫等因素的影響,結(jié)合變換器的拓撲及調(diào)制策略進行仿真,根據(jù)器件相關(guān)的參數(shù)值,計算變換器中各個功率器件的損耗功率。此方法相當于采用離散的方式,根據(jù)器件每個離散時間段的狀態(tài)(通態(tài)、斷態(tài)),結(jié)合器件之前離散時間段的狀態(tài),判斷每個離散時間段內(nèi)器件的動作(保持通態(tài)、保持斷態(tài)、開通或者關(guān)斷)及對應(yīng)產(chǎn)生的損耗能量。此模型更為簡單通用,且對于新型多電平拓撲和調(diào)制策略具有良好的擴展性,有利于輔助新型多電平變換器進行損耗功率計算,為產(chǎn)品化降低成本,提高器件的壽命及可靠性。模型預測控制是近年來比較受到關(guān)注的調(diào)制策略。基于一種應(yīng)用于級聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)的快速模型預測控制算法,結(jié)合之前建立的損耗功率計算模型,進行了計算,定量分析了電網(wǎng)電壓、控制時間和開關(guān)損耗權(quán)重系數(shù)等參數(shù)改變對器件損耗功率的影響,為設(shè)備產(chǎn)品化熱設(shè)計提供了參考范圍及典型值。以此調(diào)制策略為例,從損耗不平衡方面進行了評價和衡量。最后,針對多電平變換器中器件損耗功率不平衡的現(xiàn)象,對熱電制冷器件應(yīng)用于多電平變換器冷卻進行建模和研究。功率器件的壽命與其結(jié)溫幅值、結(jié)溫波動范圍、結(jié)溫平均值、模塊鍵合線直徑、器件電流和阻斷電壓等因素都有緊密的關(guān)系。目前多電平變換器多采用一種冷卻方式,功率器件損耗不均就會造成結(jié)溫分布不均,可能造成成本浪費或者器件壽命和可靠性降低等問題。熱電制冷器件易操控、免維護,可以作為一種補充冷卻方式,減少功率器件結(jié)溫波動,降低功率器件工作結(jié)溫,甚至是當器件過熱時,強制冷卻的一種補充方式。本文深化分析了熱電制冷器件的能量交換機理,建立了更精確的熱電制冷器件數(shù)學模型,有利于熱電制冷器件控制電源的研發(fā),實現(xiàn)溫度精確控制,為今后將此冷卻方式應(yīng)用于多電平變換器產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。
[Abstract]:With the further improvement of the national demand for energy saving and emission reduction, the voltage level of the converter has been put forward new requirements for industrial production, aerospace, transportation, high voltage flexible transmission and other occasions. The multi-level converter can solve the contradiction between the voltage level of the power device and the voltage level of the converter. The output waveform is good, the fault-tolerant performance is high, and a variety of new multi-level converters topology and modulation strategies emerge in endlessly. For multilevel converters, the number of power devices increases greatly, and the number of output switching state combinations increases with the level, and there are a large number of redundant switching state combinations. The loss power imbalance of the device therefore increases correspondingly. The ideal periodic sinusoidal pulse width modulation strategy (ideal sinusoidal output current and grid voltage, stable system parameters, stable DC side voltage, The periodic modulation strategy of fixed switching frequency, etc.) is no longer applicable to the analysis and calculation of the loss power of power devices in the converter. In this paper, taking the typical power device IGBT and anti-parallel diode as the research object, based on the method of mathematical fitting data, the general calculation model of IGBT and anti-parallel diode loss power is established by MATLAB/Simulink software. Considering the influence of junction temperature and other factors, combined with the topology and modulation strategy of the converter, the loss power of each power device in the converter is calculated according to the parameters related to the device. This method is equivalent to the discrete method, according to the state of each discrete time period of the device (on state, break state), combined with the state of the discrete time period before the device, to judge the action of the device in each discrete time period (keep on state, keep off state, Turn on or off) and the corresponding loss of energy. This model is more simple and general, and has good expansibility for the new multi-level topology and modulation strategy, which is helpful to assist the loss power calculation of the new multi-level converter, reduce the cost for the production, and improve the life and reliability of the device. Model predictive control is a modulation strategy that has attracted much attention in recent years. Based on a fast model predictive control algorithm for cascade H-bridge STATCOM system, combined with the loss power calculation model previously established, the power grid voltage is quantitatively analyzed. The influence of control time and switch loss weight coefficient on the loss power of the device provides a reference range and typical value for the thermal design of equipment production. Taking this modulation strategy as an example, the loss imbalance is evaluated and measured. Finally, aiming at the phenomenon of device loss and power imbalance in multi-level converter, the application of thermoelectric refrigeration device in the cooling of multi-level converter is modeled and studied. The lifetime of power devices is closely related to the amplitude of junction temperature, the fluctuation range of junction temperature, the average junction temperature, the diameter of module bond line, the current of the device and the blocking voltage. At present, the multi-level converter adopts a kind of cooling mode, and the uneven loss of power devices will lead to uneven junction temperature distribution, which may lead to cost waste or device life and reliability reduction. Thermoelectric refrigeration devices are easy to operate and maintenance-free, and can be used as a supplementary cooling mode to reduce the fluctuation of junction temperature of power devices, reduce the working junction temperature of power devices, and even force cooling when the devices are overheated. In this paper, the energy exchange mechanism of thermoelectric refrigeration devices is deeply analyzed, and a more accurate mathematical model of thermoelectric refrigeration devices is established, which is beneficial to the research and development of thermoelectric refrigeration device control power supply and the realization of accurate temperature control. It lays a foundation for the application of this cooling method to multilevel converter products in the future.
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM46

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本文編號：2492341