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三相线电压级联VIENNA变换器调制及大功率直流电源直流侧电压控制

针对H桥级联多电平变换器存在开关管及直流电容数量多、控制复杂等问题,提出一种三相线电压级联VIENNA变换器拓扑。分析该拓扑的等效电路模型、各支路电流关系式及等效电平级数,设计基于单周期级联控制的功率因数校正脉宽调制(PWM)策略;推导出此拓扑大功率直流电源直流侧电容电压的数学表达式,得出它的最小平均值及谐波成分的最大值;提出零序电流注入法实现级联变换器大功率直流电源直流侧电容电压均衡控制。


仿真分析和实验结果表明,提出的新型变换器拓扑及其控制策略,其开关管的耐压大大降低,并具有较高的功率因数和较低的总谐波畸变率(THD),可以保持各模块直流输出电压均衡性,可作为新一代高压大功率变换器的整流级。


随着多电平变换技术的日益成熟,多电平功率变换器(Multilevel Converter, MC)在高压大功率场合已经得到了广泛应用,如高压变频器、有源电力滤波器等。MC的优点主要有可以承受较高的电压等级、能够控制电压电流谐波含量等[1,2],它的基本拓扑主要有钳位型和单元级联型[3,4]两类。


在工业中已经应用成熟的中高压变频器产品的技术方案主要有两种:①二极管钳位型多电平拓扑,西门子及ABB中高压变频器都有此拓扑的系列产品;②完美无谐波型级联H桥中高压变频器,罗宾康公司或利德华福公司采用此方案。


但是,这两种高压变频器为了降低电流谐波成分及输入输出隔离的需要,在交流输入侧都需要多脉冲工频移相变压器,因此存在体积庞大成本高、接线复杂等缺点。


基于高频变压器的级联式多电平变换器[5,6],近年来在电力电子变压器等领域受到广泛关注[7,8]。此类变换器在输入输出两侧都采用级联全控H桥级联变换器(或级联模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converters, MMC))拓扑,中间级采用双向DC-DC高频变换器,对比传统的移相工频变压器,系统的体积及质量大大减小。但是,此类变换器也存在明显的缺点,即输入、输出侧的H桥级联变换器及双向DC-DC变换器,使用了非常多的全控型功率开关器件及直流电容,系统损耗大,且控制算法比较复杂,可靠性低[9]。


为解决级联式H桥变换存在的上述问题,文献[10-13]将三相脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)逆变器线电压级联,可以应用于高压逆变器或者有源滤波器场合[10-13]。文献[14,15]提出采用三相全控桥线电压级联的整流器,对比传统的级联H桥变换器,在同等三相交流电压下,能够少用一半的功率开关器件,且直流电容的数量也可大大减少。


文献[16]为了进一步降低开关管的耐压等级,采用基于三相VIENNA变换器的线电压级联整流器方案,相比文献[14]的技术方案,开关管承受电压压力及使用数量都减半。图1为基于此拓扑的中高压变压变频器一种新型的拓扑结构,它的逆变级是三电平结构,与ABB中高压变频器ACS5000的逆变级类似。


本文针对三相线电压级联VIENNA变换器(Line- Voltage Cascaded three-phase-VIEENA Converters, LVC-VC)的PWM调制策略及大功率直流电源直流侧电压均衡控制进行研究。分析此变换器的工作原理、等效电路及各支路的电流关系,设计了基于单周期控制的功率因数校正PWM调制策略,推导了此拓扑大功率直流电源直流侧电容电压特性,并研究级联模块直流电压的均衡控制。


三相线电压级联VIENNA变换器调制及大功率直流电源直流侧电压控制

图1  一种中高压变压变频器的新型拓扑


三相线电压级联VIENNA变换器调制及大功率直流电源直流侧电压控制

图11  实验样机


结论

本文提出了一种三相线电压级联VIENNA整流器拓扑及其控制策略,具有以下特点:

1)基于单周期级联控制的功率因数PWM调制策略,实现了输入交流电流正弦且功率因数接近1,不需要采样输入交流电压和乘法器。

2)实现了大功率直流电源直流侧输出电压稳定控制,大大降低变换器直流母线电压等级;采用注入零序电流法可实现各模块VIENNA变换器直流电压均衡控制。

三相线电压级联VIENNA整流器可以作为新一代中高压大功率电力电子设备的整流级,所需开关管及直流电容个数少,耐压低,降低了变换器的成本和体积。

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