摘要
大力发展能源互联网是我国实现“双碳”目标、推动能源转型的必然选择。基于先进电力电子变换技术和先进信息技术的多端口电能路由器作为能源互联网的核心装备，能够实现电能灵活转化、传递和路由。交流端口逆变器不仅是连接电能路由器与电网或负载的关键端口，更是电能高效、稳定交换的核心设备。其中T型三电平逆变器具有无源器件少、功率密度高、谐波低、效率高的优点，能够有效提升电能路由器交流端口性能。 目前，面对区域电能路由器对交流端口高效大功率的严格要求，T型三电平逆变器仍然存在若干技术问题有待完善:（1）效率提升问题:由于电能路由器内部集成多个端口变换器，电能变换环节的增加，必然会降低整个系统的效率。因而提高单端口变换器效率是提升电能路由器整体效率的必要途径。其中，优化T型三电平逆变器的调制策略是效率提升的主要方法，传统断续脉宽调制策略因其在任意时刻均有一相开关被钳位在单一电平，能够有效降低开关损耗，被广泛研究。然而，效率的提升会导致输出电流谐波增加，且通过注入零序电压实现箝位的方法与中点电位平衡控制相耦合，导致中点电压波动大，电能质量差。（2）并联系统的控制问题:为提升电能路由器交流端口容量，多机并联是常规途径，然而多台逆变器间的环流会导致输出波形畸变、降低系统效率，并且会对中点电位产生影响，引发中点振荡。而传统中点控制方法动态性能差，会进一步降低系统损耗，恶化波形质量。 为此，本文在总结现阶段国内外研究成果的基础上，以电能路由器交流端口的“高效率、低谐波、高可靠”运行为目标，对T型三电平逆变器的调制策略和控制策略展开研究，以下是本文的主要研究工作和创新点: 首先，明确了本课题的背景与研究意义，对逆变器拓扑结构、调制策略及并联系统控制策略的研究现状进行分析和介绍。对T型三电平逆变器拓扑结构及基本原理进行介绍分析。建立了不同坐标系下的数学模型，揭示了逆变器的四类电压矢量与中点电位的关系，为后文研究奠定基础。 其次，针对单台开关损耗大、效率低的问题，本文提出一种改进型断续脉宽调制策略。该策略采用低谐波自适应断续脉宽调制策略，有效减小了注入零序电压的谐波，并根据中点电压偏差向零序电压注入相反偏移分量。通过改变调制波正负箝位作用时间，进而改变P/N小矢量数量调节中点电位。与传统断续脉宽调制策略相比，所提方法降低了输出电流谐波、快速平衡了中点电位。经仿真分析验证，本文所提方法能够有效减小开关损耗、平衡中点电位、提高输出电流品质。 进而，针对逆变器并联所引发的中点电位不平衡和环流问题，本文提出具有中点电位快速平衡和零序环流抑制功能的控制策略。其中，针对中点电压不平衡问题，提出基于有限时间控制器的中点电位平衡策略。由于有限时间控制器存在分数幂项，具有比PI控制器更好的动态性能，能够实现中点电位的快速平衡并抑制其电压波动。针对零序环流问题，设计“比例+前馈”环流控制器，在不影响中点电位平衡的基础上，对控制器参数进行合理设计，有效抑制了零序环流的波动及尖峰。经仿真分析验证，本文所提方法能够快速平衡中点电位、抑制系统零序环流、改善输出电流波形质量，保证系统的安全、稳定运行。 最后，基于“DSP+CPLD”框架，搭建了10kWT型三电平逆变器实验平台，包括逆变器的主功率电路、驱动电路、采样及调理电路，验证了第三章所提调制策略的可行性与有效性。基于HIL硬件在环系统实验平台，建立了并联逆变器的主电路模型，并将其主电路模型加载到实时仿真器中，通过上位机实时观测仿真器的运行工况，验证了第四章针对并联系统所提控制策略的可行性与有效性。
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