牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的模塊化多電平變流器

本文格式為Word版，下載可任意編輯——牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的模塊化多電平變流器一、吳業(yè)慶畢設(shè)——基于CRH2A牽引變流器的改進(jìn)分析1、整流部分的改進(jìn)

CRH2A:三電平脈沖整流電路，SPWM調(diào)制和瞬態(tài)電流控制

改進(jìn)：（1）、五電平脈沖整流電路，載波層疊PWM控制方式

（2）、兩重三電平脈沖整流電路，SPWM調(diào)制

2、逆變部分的改進(jìn)

CRH2A:三電平二極管箝位逆變電路，SPWM調(diào)制

改進(jìn)：（1）、基于SVPWM的三電平逆變器（2）、五電平二極管箝位逆變器，載波層疊PWM控制

3、基于上述改進(jìn)的牽引主電路

（1）五電平脈沖整流器+三電平逆變器（2）兩重三電平脈沖整流器+三電平逆變器

（3）三電平脈沖整流器+三電平逆變器（SVPWM）（4）三電平脈沖整流器+五電平逆變器

網(wǎng)側(cè)電流諧波更小、中間直流電壓更加穩(wěn)定、負(fù)載側(cè)電流正弦度更好，改進(jìn)模型的有效性以及對(duì)于CRH2A牽引變流器整體性能上的提升。

二、外文文獻(xiàn)——ANewAC/AC-MultilevelConverterFamilyAppliedtoaSingle-phaseConverter

（5MW變流器，3.3kV-IGBT，12個(gè)子模塊）

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需笨重的變壓器，變換效率提高，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能提高。網(wǎng)側(cè)無(wú)需LC濾波器或諧振回路，這是由于M2LC自身可以補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)的電壓脈動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

?M2LC的結(jié)構(gòu)

單相M2LC由四個(gè)一致的變流橋臂組成，每個(gè)變流橋臂由N個(gè)子模塊（尋常N是4的倍數(shù)），子模塊尋常是H橋單元和直流儲(chǔ)能電容并聯(lián)而成。這里儲(chǔ)能電容代替了H橋的獨(dú)立電源，所有每個(gè)子模塊可以看成是受控電壓源。

M2LC結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，這里v0和v1分別對(duì)應(yīng)著vM2LC和vtr。通過(guò)對(duì)變流器的適合控制，可以使v0和v1相互獨(dú)立，它們與變流器橋臂電壓vax的關(guān)系如下：

第三式描述了vax的所要求最大電壓幅值和輸出電壓v0和v1最小幅值之間的關(guān)系。

每個(gè)變流橋臂中最小子模塊數(shù)目NSM_p_arm可由下式求得，其中vdmin_av表示所有子模塊最小電壓的平均值。

NSM_p_arm也可由下式求得：

m0表示電壓v0的電平數(shù)，m1表示電壓v1的電平數(shù)。

?儲(chǔ)能電容的控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電容的有效控制，必需先完成以下兩點(diǎn)要求：

1、整個(gè)變流器所存儲(chǔ)的能量必需保持在設(shè)定值，也即保持所有子模塊的電容電壓為一致設(shè)定值。

2、所有儲(chǔ)能電容的電壓必需在很小的公差帶內(nèi)達(dá)到平衡。

對(duì)于第一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，只要通過(guò)調(diào)理變流器的輸入輸出能量，總的儲(chǔ)能就可以調(diào)理到設(shè)定值。將存儲(chǔ)的能量作為控制參數(shù)，所有的儲(chǔ)能電容電壓均值作為等效參數(shù)。這個(gè)參數(shù)通過(guò)監(jiān)控電容電壓就可以計(jì)算出來(lái)。平均電壓的微小變化可以忽略不計(jì)。

完成了第一點(diǎn)并且儲(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)平衡，電容電壓就能達(dá)到設(shè)定值。儲(chǔ)能電容可以通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn)平衡：①4個(gè)變流器橋臂儲(chǔ)能必需相等。②當(dāng)變流器橋臂吸收能量時(shí)，最低儲(chǔ)能電容電壓的子模塊工作以獲得所需的橋臂電壓；當(dāng)變流器橋臂釋放能量時(shí)，最高儲(chǔ)能電容電壓的子模塊工作以獲得所需的橋臂電壓。

?其他類(lèi)型的多相AC/AC-M2LC

上述的單相MLC可以擴(kuò)展為單相/三相MLC，如下圖所示。該變流器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性與單

2

相MLC類(lèi)似。

2

2

任意多相MLC的橋臂數(shù)目可以通過(guò)下式求得：

2

mh0表示變流器一次側(cè)的相數(shù)，mh1表示變流器二次側(cè)的相數(shù)。如單相/三相MLC就需要6個(gè)橋臂。

2

?對(duì)半導(dǎo)體器件的要求

為使變流器的功耗最小，必需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）阻斷電壓的有效利用。

主要是通過(guò)每個(gè)模塊中儲(chǔ)能電容的箝位作用來(lái)確保阻斷電壓的有效利用。

（2）開(kāi)關(guān)器件的對(duì)稱(chēng)電流分布。

輸出負(fù)載電流均值和橋臂電流均值的關(guān)系式：

通過(guò)控制，可以使得每個(gè)負(fù)載電流總是等分到相關(guān)模塊，橋臂電流也是等分到每個(gè)子模塊中的開(kāi)關(guān)器件。

由于對(duì)稱(chēng)電流分布，開(kāi)關(guān)管、反并聯(lián)二極管和儲(chǔ)能電容電流均值三者的關(guān)系：

前提條件：通過(guò)適當(dāng)控制，使儲(chǔ)能電容電流等分到子模塊H橋的兩相中去。

由基爾霍夫定律，可得橋臂電流均值和開(kāi)關(guān)管與二極管電流均值的關(guān)系：

通過(guò)上兩式，可以得到：

由于每個(gè)子模塊是不吸收功率的，穩(wěn)態(tài)下儲(chǔ)能電容電流均值為零，則：

（3）IGBTs的開(kāi)關(guān)頻率最小化。

?M2LC的動(dòng)態(tài)特性

MLC在極端工作狀態(tài)下十分好的動(dòng)態(tài)性能。假設(shè)牽引車(chē)輛的受電弓突然中斷。這些頻繁的中斷發(fā)生尋常不到15ms。在仿真中，受電弓中斷發(fā)生在最大的線電壓18.5kV處。經(jīng)過(guò)幾百微秒，變流器控制單元識(shí)別到電流中斷并且平穩(wěn)的將變壓器側(cè)傳遞的功率從標(biāo)稱(chēng)值減小到輔助功率等級(jí)。而由于諧振回路得不到充分控制，傳統(tǒng)的變流器是不能處理如此極端的瞬變。在這些狀況下，它們尋常是通過(guò)主斷路器與電網(wǎng)斷開(kāi)，然后重啟。

2

PrototypeofMultiphaseModular-Multilevel-Converterwith2MWpowerratingand17-level-output-voltage

每個(gè)變流橋臂由8個(gè)一致的全橋或者16個(gè)一致的半橋串聯(lián)而成。

三、碩士論文——模塊化多電平逆變器的研究

模塊化多電平逆變器(ModularMultilevelInverter,MMI)是一種新型的多電平逆變器，它是以目前常見(jiàn)的多電平逆變器為基礎(chǔ)加以改進(jìn)而來(lái)。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單靈活，是由一個(gè)個(gè)一致的模塊組合搭建而成，由于組成模塊結(jié)構(gòu)一致，功能相像，我們把這些模塊稱(chēng)為子模塊。

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看,尋常模塊化多電平逆變器可以分為三類(lèi)：(1)雙星結(jié)構(gòu)的模塊化多電平逆變器；(2)星形結(jié)構(gòu)的模塊化多電平逆變器；(3)三角形結(jié)構(gòu)的模塊化多電平逆變器。

子模塊的結(jié)構(gòu)有兩種：H橋結(jié)構(gòu)和半H橋結(jié)構(gòu)。與半橋結(jié)構(gòu)的子模塊相比，H橋結(jié)構(gòu)的子模塊需要2倍數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件，在電壓平衡和控制下，額外的兩個(gè)IGBT器件可以實(shí)現(xiàn)功率流向的控制。在大型的變頻器中，這種雙向率的控制可以使得其他的變頻器連接到同一個(gè)直流母線上。在一個(gè)多電平的變換器中，使用這種結(jié)構(gòu)的子模塊可以對(duì)直流母線的不穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。從半H橋結(jié)構(gòu)的靈活性和系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性出發(fā)，在實(shí)際中多采用半H橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行變換器的設(shè)計(jì)。

模塊化多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)靈活的模塊化結(jié)構(gòu)。允許高度的模塊化設(shè)計(jì)，具有很好的擴(kuò)展性，當(dāng)需要工作在更高電壓和功率的狀況下，可以通過(guò)對(duì)三相橋臂并入一致數(shù)目的子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作起來(lái)簡(jiǎn)單靈活，便于大規(guī)模生產(chǎn)；

(2)降低開(kāi)關(guān)損耗。由于各個(gè)子模塊共同分壓，可以使得開(kāi)關(guān)器件平均分擔(dān)壓降，通過(guò)合理的算法，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)最多有一個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作，大為降低開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率，效率提高；

(3)工作狀態(tài)的連續(xù)性。當(dāng)有子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件，使得發(fā)生故障的子模塊處于旁路狀態(tài)，其他子模塊可以正常工作；

(4)系統(tǒng)可靠性高。由于可以使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件，有充足的后備器件供應(yīng)，系統(tǒng)的可靠性大大提高；

(5)設(shè)備的輕型化。子模塊體積便捷，簡(jiǎn)單拆卸或安裝,體積相對(duì)較小；(6)模塊化設(shè)計(jì)能有效縮短工程從研發(fā)、