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混合多电平逆变器拓扑及其市制方法研究

作　者: 丁凯
导　师: 邹云屏
学　校: 华中科技大学
专　业: 电气工程
关键词: 多电平逆变器混合不对称拓扑结构调制方法级联二极管钳位
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

近年来,在高压大功率应用领域多电平功率变换技术得到了广泛的关注,成为电力电子领域中学者研究的热点。大量新型的电路拓扑和相应调制策略的产生,使多电平技术得到了飞速的发展。本文在对传统多电平逆变器拓扑进行分析的基础上,重点对混合多电平逆变器拓扑及其相关调制方法进行研究。本文对多电平逆变器的主电路拓扑结构如二极管钳位多电平逆变器、飞跃电容多电平逆变器、级联多电平逆变器以及广义多电平逆变器等进行概述。并对常见的几种多电平调制方法如多电平消谐波 PWM 方法、空间矢量方法、优化阶梯波宽度法、相移 SPWM方法进行了分析综述。本文首次对混合多电平拓扑及混合调制方法的概念进行了定义。对定义范围内的一些混合拓扑结构的发展情况进行了描述,研究了不同混合拓扑及相关调制方法,并对这些多电平拓扑存在的一些相关问题进行了分析。在单相二极管钳位 5 电平逆变器的基础上,本文分析研究了基于单相二极管钳位 5电平逆变器的一种级联型拓扑结构,这种拓扑结构的思想是将多个单相二极管钳位 5 电平逆变单元串接起来,其输出的电压是通过合成每个二极管钳位逆变器的输出电压而形成的。在这种拓扑结构中由于每个功率单元采用的是二极管钳位 5 电平逆变器,那么在输出相同等级电压时所需的功率单元个数比传统级联型要少很多。首次提出了一种新型的混合二极管钳位级联多电平逆变器。本文在对传统的级联多电平,传统混合级联多电平以及二级管钳位级联逆变器研究的基础上提出了一种新型混合二极管钳位级联多电平逆变器。新型逆变器是将具有不同直流母线电压的多个二极管钳位多电平逆变器进行级联,输出电压是将这些逆变器的输出电压进行相加而合成的。根据新型逆变器的特点,提出了一种适用于此拓扑的新型混合调制策略。本文对两单元混合级联的具体示例进行了详细分析,并说明这种新型的拓扑不存在高压模块输出过多基波电压的情况。文中将拓扑结构中混合级联的模块个数推广到了 N,并进行了讨论。为了进一步简化单相二极管钳位多电平拓扑,本文对一种新型单相不对称 5 电平逆变器进行了研究,这种新型逆变器是通过将半桥二极管钳位逆变器和传统两电平半桥逆变器共享同一直流母线而获得的。针对这种新型的拓扑结构,本文分析了一种方波合成与单极性三角载波 PWM 技术相结合的调制方法,在这种调制方法下,新型逆变器允许开关速度较快的器件和耐压值较高的器件工作在一起。文中将这种逆变器与其它五种单相 5 电平逆变器进行了分析比较,并对新型的单相 5 电平不对称逆变电路进行了实验验证。首次提出了一种新型混合不对称级联型逆变器。本文根据单相不对称 5 电平逆变器 I<WP=6>华中科技大学博士学位论文可以用较少的器件输出较多电平的特点,研究了将单相不对称 5 电平逆变器与传统全桥逆变器进行级联、多个单相不对称 5 电平逆变器自身进行级联的一些新型混合不对称级联型拓扑。并针对此类拓扑结构的特点,分别提出了两种新型的混合不对称调制方法。文中对新型拓扑进行了实验验证。在对本文提出的多种混合调制方法进行归纳总结的基础上,首次提出了适用于多电平逆变器的新型混合调制技术及其分析方法。这种新型混合调制技术是以传统级联型逆变器为研究基础,适用于级联型或者其它一些类型的多电平逆变器。新型混合调制技术的基本思想是在级联多电平逆变器中用最少或者较少的单元来输出高频 PWM 波形,其余单元输出低频阶梯波,从而使逆变器的合成输出电压达到全 PWM 调制。本文首次利用幅值条件和电平条件对这种新型调制策略进行了理论分析和推导,并以文中所研究的内容为实例进行分析,给出了应用这种调制技术的一般方法和设计步骤。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-16
  1.1 多电平技术的提出及其应用现状  11-12
  1.2 混合多电平概念的提出  12-14
  1.3 课题背景与本文主要研究内容  14-16
2 多电平逆变器拓扑结构及其相关调制技术  16-34
  2.1 引言  16
  2.2 多电平逆变器拓扑结构  16-24
  2.3 多电平逆变器相关调制技术  24-33
  2.4 本章小结  33-34
3 混合多电平技术的发展及其相关问题分析  34-48
  3.1 引言  34
  3.2 传统混合级联型多电平拓扑  34-39
  3.3 二极管钳位逆变器与传统全桥级联型拓扑及相关调制方法  39-44
  3.4 一种基于飞跃电容型多电平逆变器的调制方法  44-47
  3.5 本章小结  47-48
4 二极管钳位级联多电平逆变器研究  48-59
  4.1 引言  48-49
  4.2 二极管钳位级联多电平变换器拓扑分析  49-51
  4.3 调制方法与实现过程分析  51-53
  4.4 实验研究  53-58
  4.5 本章小结  58-59
5 新型混合二极管钳位级联多电平逆变器及混合调制策略研究  59-74
  5.1 引言  59
  5.2 新型混合二极管钳位级联逆变器拓扑及混合调制策略  59-62
  5.3 模块输出电压波形分析  62-64
  5.4 N 单元级联的相关讨论  64-67
  5.5 实验研究  67-72
  5.6 本章小结  72-74
6 单相不对称五电平逆变器及其相关调制方法研究  74-86
  6.1 引言  74-75
  6.2 拓扑结构的演化分析  75-77
  6.3 调制方法分析  77-79
  6.4 电容平衡问题  79-80
  6.5 输出电压频谱分析  80-81
  6.6 单相 5 电平逆变器比较  81-83
  6.7 实验结果  83-84
  6.8 本章小结  84-86
7 新型混合不对称级联型逆变器研究  86-111
  7.1 引言  86
  7.2 混合不对称级联 9 电平逆变器研究  86-97
  7.3 基于不对称5电平逆变单元的级联型多电平逆变器...  97-110
  7.4 本章小结  110-111
8 适用于多电平逆变器的新型混合调制技术及其分析方法  111-132
  8.1 引言  111
  8.2 一个基本单元输出高频PWM波形的混合调制方法  111-124
  8.3 两个基本单元输出高频 PWM 波形的混合调制方法  124-127
  8.4 新型混合调制技术的设计方法和步骤  127-131
  8.5 本章小结  131-132
9 全文总结  132-135
  9.1 本文工作总结  132-134
  9.2 对今后的工作展望  134-135
致谢  135-136
参考文献  136-144
附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录  144

混合多电平逆变器拓扑及其市制方法研究

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