單相NPC級聯(lián)PWM整流器及其控制研究.pdf

1、現(xiàn)有牽引系統(tǒng)中的工頻牽引變壓器具有質(zhì)量和體積大、噪音污染以及輸出電壓不可調(diào)等問題，而采用電力電子牽引變壓器(Power Electronic Traction Transformer，PETT)系統(tǒng)，能夠較好地解決傳統(tǒng)工頻牽引變壓器上述一系列的問題。本文研究了電力電子牽引變壓器系統(tǒng)中的中點箝位(Neutral Point Clamped，NPC)三電平級聯(lián)PWM整流器部分，并從理論分析、仿真和實驗三個方面驗證了系統(tǒng)的可行性。
　　

2、本文設計了用于電力電子牽引變壓器中的NPC三電平級聯(lián)PWM整流器的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。首先研究了NPC三電平單模塊變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎上分析了NPC三電平級聯(lián)PWM整流器的數(shù)學模型及其整體電壓控制策略和級聯(lián)整流器模塊間的電壓平衡控制策略。結(jié)合多電平調(diào)制技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析了載波反相層疊(Phase Opposition Disposition，POD) SPWM調(diào)制策略和載波移相(Carrier Phase-shiftedP

3、WM，CPS-SPWM) SPWM調(diào)制策略。根據(jù)NPC三電平級聯(lián)PWM整流器電路結(jié)構(gòu)特點，采用了適合該級聯(lián)整流器的POD-SPWM與CPS-SPWM相結(jié)合的調(diào)制策略。
　　在上述研究的基礎上，利用MATLAB/Simulink仿真完成了十六模塊級聯(lián)的單相NPC三電平級聯(lián)PWM整流器的仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動、空載、帶負載以及負載突變等不同工況下，分別對系統(tǒng)單相電網(wǎng)輸入側(cè)電流、整流器直流輸出側(cè)、模塊內(nèi)直流電壓均衡控制以及模塊間直流電壓均

4、衡控制的仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)在多種工況下均能正常穩(wěn)定工作。在系統(tǒng)的工況突變時，系統(tǒng)能夠快速響應，直流電壓超調(diào)量小，調(diào)整時間短。在帶負載運行情況下，系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)(PowerFactor，PF)接近為1,網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率(Total Harmonic Distortion，THD)低。
　　為進一步驗證系統(tǒng)的可靠性，本文設計了基于FPGA控制系統(tǒng)的小功率實驗平臺，完成了實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實驗參數(shù)和實驗方案、單

5、相單模塊NPC三電平PWM整流器實驗、單相三模塊級聯(lián)PWM整流器實驗，以及單相九模塊級聯(lián)PWM整流器實驗。實驗結(jié)果進一步驗證了本系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)、控制策略和調(diào)制策略的可行性。
　　綜上所述，本文設計了用于電力電子變壓器的NPC三電平級聯(lián)PWM整流器的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及其調(diào)制策略。通過仿真和實驗證明:通過級聯(lián)方式可以有效地提高系統(tǒng)耐壓等級，提高系統(tǒng)的設備容量;系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率提高，可以適當?shù)亟档推骷拈_關(guān)頻率，以減少器件的開關(guān)損耗;