四象限多電平變頻器控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著可控電力電子器件及相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中壓大功率多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)傳動(dòng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，都取得了顯著的節(jié)能效果，降低了單位產(chǎn)值能耗。雖然各種多電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不盡相同，但其中仍然存在一些共性問(wèn)題亟待解決，例如網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量控制、并聯(lián)模塊的環(huán)流抑制、背靠背模塊的瞬時(shí)功率協(xié)調(diào)控制和開(kāi)關(guān)器件頻率限制等問(wèn)題。本文主要針對(duì)共直流母線的多模塊并聯(lián)型（Multi-Module Parallel，MMP）變頻器和獨(dú)立直流母線的

2、H橋級(jí)聯(lián)型（Cascaded H-Bridge，CHB）變頻器的若干關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，以下是本文的主要研究工作。
　　四象限變頻器與兩象限變頻器相比，需要增加整流器前端的輸入電抗器。在高電壓接入的應(yīng)用場(chǎng)合，可設(shè)計(jì)多繞組分裂式變壓器來(lái)取代輸入電抗器，既起到降壓、隔離的作用，又起到儲(chǔ)能、濾波的作用。為了分析多繞組變壓器短路阻抗對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，建立了與短路阻抗相關(guān)的多繞組變壓器等值電路模型。整流器一般采用移相載波調(diào)制，既

3、可以大幅減小輸入電流畸變率，改善網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量，又可降低變壓器諧波損耗，提高變頻器工作效率。
　　當(dāng)MMP變頻器采用移相載波調(diào)制時(shí)，變壓器二次側(cè)繞組之間存在基波環(huán)流、諧波環(huán)流和直流偏置電流。因此，MMP變頻器需要增加均流控制，主要涉及到交流側(cè)環(huán)流抑制、直流側(cè)環(huán)流抑制和變壓器直流偏磁抑制等。首先，采用基于功率下垂控制的環(huán)流抑制策略，分別調(diào)節(jié)q軸電壓來(lái)分配有功功率、調(diào)節(jié)d軸電壓來(lái)分配無(wú)功功率，有效地抑制有功環(huán)流和無(wú)功環(huán)流。其次，通過(guò)主回

4、路上合理設(shè)計(jì)功率模塊連接方式和雜散電感，選擇合適諧振頻率點(diǎn)來(lái)抑制直流側(cè)環(huán)流。最后，針對(duì)功率模塊輸出電壓直流偏置的問(wèn)題，采用比例積分諧振（Proportion Integration Resonant，PIR）調(diào)節(jié)器消除偏置電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，抑制了變壓器直流偏磁。
　　在分析 CHB變頻器功率單元數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，以輸入和輸出瞬時(shí)有功功率平衡為控制目標(biāo)，給出了PWM整流電流指令。為保證各頻率電流的準(zhǔn)確跟蹤，提出了復(fù)矢量PI（Compl

5、ex Vector PI，CVPI）調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了各頻率電流的完全解耦控制，論證了CVPI調(diào)節(jié)器相比傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器，對(duì)諧振頻率變化具有更好的魯棒性。同時(shí)，建立了基于卡爾曼濾波的負(fù)載電流辨識(shí)模型，實(shí)時(shí)地辨識(shí)負(fù)載電流大小及其頻率。提出的基于CVPI調(diào)節(jié)器的瞬時(shí)有功功率前饋控制策略，大幅減小直流母線電壓兩倍頻的振蕩分量，抑制了電機(jī)電流諧波和電磁轉(zhuǎn)矩的拍頻現(xiàn)象。
　　中壓大功率多電平變頻器對(duì)開(kāi)關(guān)器件的工作頻率限制更加嚴(yán)格，采用多電平同步優(yōu)化P

6、WM（Synchronous Optimal PWM，SOPWM）技術(shù)可有效地解決低開(kāi)關(guān)頻率的電能質(zhì)量、功率單元瞬時(shí)功率均衡等問(wèn)題?；谥C波電流最小為評(píng)價(jià)函數(shù)的多電平SOPWM可應(yīng)用于 CHB變頻器的異步電機(jī)矢量控制。首先，設(shè)定諧波電流最小的特定函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)和H橋功率均衡的非線性約束條件，采用遺傳算法和約束優(yōu)化計(jì)算，離線計(jì)算出開(kāi)關(guān)角度，并在允許的特定函數(shù)指標(biāo)內(nèi)，連續(xù)化開(kāi)關(guān)角度，確保同步優(yōu)化PWM在實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)制比范圍內(nèi)的平滑切換。其次，研