基于混合箝位多电平变换器的测试、分析及控制策略改进.doc

浙江大学硕士学位论文基于混合箝位多电平变换器的测试、分析及控制策略改进姓名：谭成申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：何湘宁；大熊康洁（okuma yasuhiro）20120305 多 电 平 变 换器因 其 可 以 输出 电 压 谐波 畸 变 小，可 以 使 用 低 压 器件 等特 点 ，在科 研领域和工 业界 得 到 了 广 泛的 关注 。 二极 管箝位 型 多 电 平 拓 扑是 多 电 平 变 换器拓 扑中的 一种，由于具 有结构 简 单等特 点 而受 到 学 者的 喜 爱 。 但 是 当 扩 展至 更多电 平 ，二极 管箝位 型 多 电 平 拓 扑会 出 现 母 线电 容 电 压 不 平 衡的 现 象。 对 此 ，学 者们从 拓 扑和程序 等多 方面 提 出 了 大量 的 解决 这 种问题的 方案 。 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文 瑀 琱 瑂 国 家 自然科 学基 金 多 电 平 变 换器的 研 究 现 状生， 随 后 飞跨电 容 型 多 电 平 拓 扑 出现 在 小 功 率 的 应 用场合 。在 十九 世纪八十年 代初 ， 日 本 学 者 甆 首次 提出 了中点 箝 位 型 逆变 器 。在 此后 的 年中， 多 电 平 变 换器因为其 优 良 的 特性 ， 包 括 可 以器件承受的 电 压应 力小 、电 磁 干扰少、输出 电 压 电 流 谐 波 含量 小 等 吸 引 了众 多 学 者的 注 意 ， 无 论在 工 业应 用还是学 科研 究 方面， 都成 为了一大热 点 图 多 电 平 变 换器的 基本 拓 扑文 献 【 恳 远 荏 槲恍 屯 仄宋; 。 岢隽 擞 性 大槲坏母拍 甃 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文模 块化 多 电 平 变 化 器 】 甈 谠夭 恼 也 隹淼髦 珹 和 正负 反 相层叠法 接方式 的多电平 变换 器 可 以 省去前 端 变压 器 ， 节 省了成本和 空间 。混 合 箝 位 多电平 变换 器 的研 究现状 图 混 合 箝 位 型 多电平 变换 器图 重 新排 列后的混 合 筘 位 五 电平 变换 器 单 相 拓扑 谧 刺 珺中， 组 开关 和 # 缏纺 芄 皇 涑 、 和 一 缙 健 校 ， 图 开关 电容 部分 工作 原 理 示 意 图 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文 电 压 、电 流 测 试 工 具的 各 自 特 点进 行 了分 析 ，选 择 镜腜 作 为圈测 试 开 关 动 作 时刻 的 电 流 ，选 择 混 合 箝位 多 电 平逆 变 器 以二极 管 箝位 型 多 电 平拓扑为基 本，在实现 了平 衡 母线 电 容 电 压的 前 提 下 ，能 够 稳定 输 出 多 电 平电 压该 变 换器 可 以分 为开 关 电 容 和四 电 平 二极 管 箝位 电 路 两 部分 第 一 部分 中 包 括 鲋 绷 髂 赶叩 缛荩 个箝位 开关 管 和 鲂 缛荩 坏 诙 糠 职 个箝位 二极 管 ， 鲋 骺 9毓 芎 个悬 浮电 容 涂9氐 缛莸 缏 饭 灿 不 考虑 电 容 ，总 共 个开 关 器 件 。 因此 在结 构 上 图 混 合 箝位 多 电 平 变 换 器 实验 连线 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文表 混 合箝 位 五 电 平 变 换 器 工 作 状 态 逻 辑表 二 极 管箝 位 电 路 部 分 的 电 流 、电 压 可 测 性分 析及 测 试方 案电 流 可 测 性分 析及 测 试方 案 图 确 定 二极 管 箝位 电 路部 分 的 直 接 和 间 接 测 量 电 流器件的 流程 图电 压 可 测 性 分 析 及 测 试方 案 确 定 系 统 中的 稳 定 量 。 在系 统 处于 稳 态 且 正 常 运 行时 ， 直 流母 线 电 容和 悬浮：舷 掘 吧澈 程 理铡 试： 嘲 图 电 流的 实 际 测量结果 与在 线 测试 结果 对 比 图 所 示啊：。 ：“：；： ： 一 。图 电 流在 线 测 试的未直接 测 量 器 件或线 路的电 流波 形 上翻量 结果： ： 一果 一 詹亟崾欤 灰弧 廴纾 畕 唬 骸 哆出： 餜：二测 量 结果、： ： 涮 酷 絮 ：计算 结果、 。 ： 妒 即 ：； 计 算结果夕嚣 量 缝，一计 衶； 捌蠢 嫱墨： 图 琋 转 换 至 的电 压 在 线 测 试实际 测 量 结果与 计 算 结果对比：￥ 肋 。 酚 硪 啊，计骺鲭果，： 雥 粄 骸 ！ 骸 二 。 ； 甂 ： ： 一一。 弧 弧 从。 、二 琹习 籵： 簀 、 。：名 二弛 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文基波频 率 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文 唬 骸 甼 ： 一 ： 一 图 甀 输 出电 压 电 流 实 验隅镧 一 皊 ，二一 璷 嘴 龋 。图 的 电 压电 流 实 验 波 形 动 作 后 的 换 流 回 路负 载 电 流 为 正 ， 从 悬 浮 电 容 组 流 向 负 载 。 图 关 断 时 部 分 开 关 雷 的 电 压 变 化题 。 璉 。 。 痡。！ 疘 带 鹄 。 ； ： 三辜图 的 电 压 电 流 实 验 波 形分别 被箝 位 于 和 当 接收 到控 制信 号 关 断 后 ， 其 极 两端 的 寄 生 电 容 ：一二图 关 断 时 部 分 开 关 管 的 电 压 波 形 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文频的 纹 波 电 流 图 动 作 对 的 电 流 的 影响在 回 路 中引起 了 感生 电 压 ， 反 映在 的 两端 。 在 一 周 期内 ， 呈现 正 负 电 压 同 时 ：建 ， 蒜瑚： 骸 骸 溃 ： ： ： 痡 ： ： 灰灰 、瀛，！；： 留一 蕊 唬 骸璤： 隧 ； 删 咖 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文、而 弧 弧 唬 甹：一 。 在 图 镜 幕 涣 骰 芈 分胁 猩 缪 棺 饔 迷赟 。 两端 。 ， ， ： 妒 一【 的 负端 相 连 的 两端 ， 最 多只 有 一 个 器 件 导 通 ， 所以两者 电压波 形 互 补 澍 飘稳 态 过 程 中需 要 承 受因 电流 变化 而产 生 感生 电压。！畕， 惭 。 瞪， 獬 蛊惑 难 关 管 关 断 时 ， 蚐 会 承 受 额外 的 感 生 电 压， 蚐 只 承 受 理论 的 阻 断 电 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文脚蝴赫 洲 鸪甜前 嘲 门 一： 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文： 叽 几 嘲： 蔲 窱 。 毒嘲； 捌 ：； 瑌铀叫 童 。；图 混合 箝 位 型 多 电 平 变 换器 的 三 相系统 秽，影救。 。，、绷刀 ￥矣八 上周期内，箝 位 开关 管 至 少 会 开关 动 作一次嫩守邯，； 波 在 同 一时 刻 处 于不同 的 位 置 ， 还是会 与 载 波 过渡线 相 交， 并 产 生 开 关 动作 控 制与 载 波 过渡线 相 交而 使得 三相 开 关 管 同 时 导通 或 同 时 关 断 。 从 图 可 以 得 到 冲 击 电 流 的 最大幅值 简 化 表 达 式， 。籯。 嘛 ， 、 卜八 广 的 幅值 接 近合虺 寤 鞯 缌 鹘 ； 流 过电 容 的 冲 击 电 流 负向 幅值 最大、 卜 。 一一扩 、柳相 系 统中 母线 电 容 的 电 压 电 流 仿 真 波 形 次 数， 电 压 可 以 在 更小 的 范围 内 变 化 这 样 ， 悬 浮 电 容 和 母线 电 容 并 联的 时 候，转 移 的 电 荷数量 减少， 冲 击 电 流 也就 相 应地 减小 了图 箝 位 开 关 管 同 时 动作 示意 图容 放电 ， 而 产 生 了较大的 负向 冲 击 电 流 。 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文续升 高。 悬 浮 电 容 与之 并 联 后 ， 同时向三 个悬 浮 电 容 充 电 ， 从 而 出 现 负向大幅 值充 电 电 流 。 出 现 正 向冲 击 电 流 的原因 是 ， 在 向负 载 输 出 功率 之 后 ， 的电 压 下 ，掌阿图 甮 行 位 开关 在 不同 时刻动 作 不恿图乞 緐 乙 籾乙 堋 这 样 ， 在 时刻仅 有 一 个悬 浮 电 容 的电 压变化 影 响 直流 母 线电 容 的电 流 ， 避免了 三 相 箝位 开 关 管 同 时动 作 而 产 生的三 个悬 浮 电 容 同 时向母 线电 容 充 电 或者被 母 线电 容 充 电 ， 从 而 减 小 了 冲 击 电 流 的幅 值。 在 两次 开关 动 作 时刻之 间 ， 两电容 的均 压过程 会 使 母 线电 容 上 升 或下降。 这 样 ， 在 下一 次 时刻， 悬 浮 电 容 与母 线电 容 并 联 时， 充 电 电 、 浇 会 因 并 联 的两个电 容 电 压更 接 近而 减 小 。 置。在 图 的底端 是 箝 位 开 关 管 的控 制信号 可 以 看 到 ， 因 为 设 置了 相位 差 ，三 相箝 位 管 的载 波 过 渡线 不再重叠 ， 箝 位 开 关 管 控 制信 号的上 升沿 或 下 降 沿 在 同一时 刻出 现 的情 况 明 显 减 少 这 样 ， 直流 母 线 电容 被悬浮 电容 箝 位 的次 数 增多 ，可 以 减 小电压 纹波 ， 根 据前 文 的分 析 可 知 ， 流 过 直流 母 线 电容 的冲 击电流 便 可 以得 到 抑 制。衫 、 、：燎 溅：恁鬈一猒 灰 籌 在 求解每个 开 关 动 作 的时 刻可 以 将 载 波 与 调制波 联 立 ， 得 到 如 下 方程 ：的等号左边 为 载 波 的表 达 式， 右边 是 调制波 表 达 式。由于 该 方程 是 超 越方程 ，如 果 想 要 求得 相位 差 伊 与 动 作 次 数 的连 续 函数 ， 工 作 量 会 十 分 巨 大且 不易实现 。所 以 此节采 用一种离 散的计算方式 ， 通过 在 不同 的相位 差 下 ， 计算相应 的三 相箝位 开 关 管 的发 生 同 时 动 作 的次 数 ， 从 而寻 找 到 接 近 能 够最大化 箝 位 开 关 管 动 作 次数 的相位 组合计算时 采 用 的相位 差 的取 值根 据具 体 拓 扑 参 数 有 关 。由于 载 波 是 周期 性 变， 。 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文为 了 实现 计算不同 相位 下 ， 三 相箝 位 开 关 管 的动 作 次 数 ， 此节利 用 软 件 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文 。 入。一 ，、 、 气 ，隆弧 厂 、 ，。一，一 二与图 啾龋 诓 捎 米 钣畔辔 坏拇 硐 嗟 髦 品 椒 拢 缛 軨的 电 压 纹 波 槲流 实验 波形 。 电 容 的 电 压 纹 波在 和 之 间 ， 冲 击电 流 的 正 向 峰 值 在 流程 图 的 处， 不需要 将 载波 周 期 计数 器