摘要
随着高压大功率变换领域对逆变器功能和性能需求的不断提高,多电平逆变器及其控制技术得到了飞速的发展.本文根据对称CHB及不对称CHB多电平逆变器的发展趋势,针对它们存在的一些实际问题,以CHB多电平逆变器PWM优化及功率均衡控制技术的若干问题研究为题开展全面深入的研究工作,对高压大功率变换技术而言,具有一定的理论意义和工程实用价值.本文创新性成果概括如下: 首先针对对称CHB多电平逆变器多载波调制技术中存在载波移相(PS-PWM)输出线电压谐波性能较差和载波移幅(LS-PWM)无法实现各级联单元输出功率自均衡等问题,通过对多载波PWM调制技术进行优化,分别提出了二次优化PWM调制技术和多电平混合优化调制技术,通过对载波进行改进和重构,实现CHB多电平逆变器输出电压同时具有PS-PWM和IPD-PWM调制的优点,既保证了输出电压的高质量,又实现了各级联单元输出功率的自均衡控制. 其次针对对称CHB多电平逆变器特点谐波消除(SHEPWM)调制技术中存在调制度受限和无法在线计算开关角度、传统数值算法求解消谐模型对开关角度初值依赖性太强、逆变器直流侧电源电压波动对消谐效果的不利影响,以及各级联单元输出功率不均衡等问题,分别提出了基于Wlash函数变换多波段SHEPWM、多种群遗传算法SHEPWM、考虑直流侧电源电压波动SHEPWM、功率均衡SHEPWM等优化控制技术,分别实现了将对称CHB多电平逆变器SHEPWM多波段非线性方程组变换到Walsh函数域下分段线性方程组进行求解,在拓展调制度的同时一定程度的解决了无法在线计算开关角度的问题;不需要开关角度初值,直接通过多种群智能遗传算法寻优得到多种符合消谐效果的开关角度解集;通过将直流侧电源电压波动因子引入到SHEPWM消谐模型之中,为直流侧电压不规则场合下消谐角度的选择提供参考;通过对消谐方程组中的基波幅值方程表达式进行等效拆分来实现各级联单元输出功率平衡等优化控制. 然后针对于Ⅱ型和Ⅲ型不对称CHB多电平逆变器拓扑结构的特点,分别提出了改进的混合频率调制策略,以解决II型不对称CHB逆变器电流倒灌和功率倒灌问题,以及Ⅲ型不对称CHB逆变器低频次谐波含量较大的问题,从而实现了不对称CHB多电平逆变器混合频率调制技术的优化控制. 最后针Ⅱ型不对称CHB多电平逆变器拓扑中的功率单元输出功率不平衡问题,在分析Ⅱ型ACHB多电平逆变器数学模型及各级联单元输出功率平衡条件的基础上提出一种新型的功率均衡控制策略,该策略根据功率平衡约束方程对不同调制度下高压单元输出电压的导通角α进行实时的动态调节,使得在全调制度范围内,高压单元与低压单元输出电压的基波幅值始终保持2:1的比例,从而实现全调制度下的功率均衡控制.该策略在保证各单元输出功率均衡的基础上,还具有各输出电压基波幅值都保持线性变化的特性,从而避免了未加入功率平衡控制时Ⅱ型非对称CHB逆变器各输出电压非线性增长的情况,以及在低调制度时存在的功率分配极端不平衡的现象,大大提高了系统的运行性能及稳定性.
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