【摘 要】
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开绕组负载双端级联变换器凭借结构简单、多电平输出特性、矢量冗余等优势,在中压大功率和高可靠性场合具有一定的应用。当两端变换器采用公共直流电源供电时,变换器产生的零序电流会使输出电流畸变,高频脉动的共模电压和中点电位不平衡均会影响系统的安全运行。本文以共直流母线双中点箝位式三电平（Three-level Neutral Point Clamped,3L-NPC）变换器为研究对象,针对零序电压（Zer
【基金项目】
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深井提升大功率传动控制关键技术，国家重点研发计划,编号:2016YFC0600906
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开绕组负载双端级联变换器凭借结构简单、多电平输出特性、矢量冗余等优势,在中压大功率和高可靠性场合具有一定的应用。当两端变换器采用公共直流电源供电时,变换器产生的零序电流会使输出电流畸变,高频脉动的共模电压和中点电位不平衡均会影响系统的安全运行。本文以共直流母线双中点箝位式三电平（Three-level Neutral Point Clamped,3L-NPC）变换器为研究对象,针对零序电压（Zero Sequence Voltage,ZSV）消除、共模电压（Common Mode Voltage,CMV）抑制、中点电位主动控制（Active Neutral Point Voltage Control,ANPVC）、桥臂故障下容错控制开展研究。分析共直流母线双3L-NPC级联变换器多电平输出特性,在建立其数学模型基础上,定义了双端级联多电平变换器相关电量。设计了共模电压、零序电压测量电路,有效解决传统测量方案所需仪器较多的问题,在双端级联变换器中具有通用性。应用双重傅里叶积分算法,定量分析中点电位对输出电压谐波的影响,中点电位对输出电压、共模电压、零序电压的影响与所采用的调制算法有关。针对双3L-NPC级联变换器调制策略算法简化、模块化实现问题,提出在单三电平调制算法脉冲产生环节实现解耦的脉冲解耦调制策略,将单三电平调制算法直接扩展到双3L-NPC变换器。提出一种零共模电压双3L-NPC变换器180°脉冲解耦调制策略,输出电压、共模电压不受中点电位影响,通过修改单三电平调制算法的偏移时间实现零序电压平均值消除。提出一种可由任意单三电平调制算法直接扩展应用到双3L-NPC变换器的120°脉冲解耦调制算法,可完全消除双3L-NPC变换器零序电压,且保持和单端变换器相同的共模电压。通过修正单三电平调制算法中点电流,有效加快中点电位调节速度。从最大线性调制度、直流电压利用率、零序电压消除、共模电压抑制、中点电位主动控制,以及算法通用性等方面,对比分析180°、120°脉冲解耦调制策略,120°脉冲解耦更适用于共直流母线双3L-NPC级联变换器。为有效抑制120°脉冲解耦双3L-NPC级联变换器共模电压,本文提出一种单三电平改进虚拟矢量调制策略（Improved Virtual Space Vector Pulse Width Modulation,IVSVPWM）。仅采用低共模电压的基本矢量,并在所构造的虚拟矢量中设置可变系数,通过连续可调的可变系数,在有效抑制共模电压的同时,实现中点电位主动控制。分析了相占空比脉冲序列优化算法存在的共模电压抑制失效问题,通过设置可变系数限幅值实现共模电压的有效抑制。将所提单三电平IVSVPWM算法采用120°脉冲解耦扩展到双3L-NPC变换器,实现零序电压完全消除、中点电位主动控制,并将共模电压抑制到直流电压的16.7%。针对双3L-NPC级联变换器桥臂故障,本文提出一种基于±120°脉冲解耦的容错控制方法。附加少量晶闸管进行拓扑重构,将故障桥臂相通过冗余桥臂输出,实现所有单桥臂、两桥臂,以及大部分三桥臂故障的容错运行,且具备中点电位主动控制能力。容错运行时,变换器可输出和正常状态相同的最大输出电压,输出电流可达到正常电流的57.7%。最后,在所搭建的双3L-NPC级联变换器实验平台上,对所提脉冲解耦调制策略及容错控制相关研究内容进行了实验验证。该论文共有图143幅,表22个,参考文献167篇。
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