组合型升降式多电平变流仪研究

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1、组合型升降式多电平变流仪研究第1章绪论1.1引言在功率变换中，功率器件的功率处理能力和开关频率之间往往是矛盾的关系，处理的功率越大，开关的频率越低。在功率器件的研究未有本质性突破的前提下，人们主要通过对大功率变流器拓扑结构和控制策略两方面进行研究来提高电力电子变流装置的容量，使其适合于大功率变换场合，经过多年的研究和探索，研究者们提出的了多种实现大功率电能变换的解决方案[2]。在众多解决方案中，多电平变流技术因其处理功率容量大、功率器件应力小、输出波形谐波含量低、系统电磁干扰小等优点逐渐成为大功率电能变换领域的研究热点[3,4]。多电平变流器从电源性质的角

2、度可分为电压源多电平变流器和电流源多电平变流器，经过多年的研究和发展，电压源多电平变流器无论是在拓扑结构还是在调制方式和控制方法上都取得了丰硕的研究成果[5,6]，但目前将多电平技术应用到电流源变流器中的研究成果却还相对较少。这主要是因为电力能源例如发电机、电网、电池等均属于电压源，而且在大功率场合电压源变流器的储能元件电容与电流源变流器的储能元件电感相比，储能效率和储能器件的体积、价格都具有明显的优势，从而制约了电流源变流器的应用和研究。随着科学技术的发展，高温超导技术有了突破性的发展，2014年1月10日中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因

3、其在40K以上铁基高温超导体的发现和若干基本物理性质研究方面做出突出贡献而获得了国家自然科学一等奖,突破了超导只能在40K麦克米兰极限温度以下的限制。由于超导储能线圈具有电流源特性，因此可将其直接作为电流源变流器的储能电感使用，而无需另加直流电感，电流源变流器储能效率问题将得到解决，且变流器具有良好的电流保护性能，与电压源多电平变流器相比，电流源多电平变流器更为合适大功率场合[7]。..1.2多电平变流器的产生背景随着电力电子技术的发展，功率器件的耐压能力和功率等级都得到了大幅提高，各种大功率开关器件的应用也日益广泛。但在某些应用场合，传统的两电平变流器仍

4、然不能满足人们对大功率等级的要求。由于受到现代技术和生产工艺的制约，开关器件处理功率的能力和开关的频率之间存在矛盾关系，因此在功率器件没有本质突破的前提下，为了实现高频化和低EMI的大功率变换，一般从拓扑结构和控制策略两个方面着手来寻找解决问题的方法。研究者们经过多年的研究探索，提出了多种实现大功率电能变换的解决方案，归纳起来可大致分为以下几种。功率器件串并联技术[8]的主要思想是：将器件串联以承受高电压，将器件并联以承受大电流，从而以小功率开关器件实现大功率电能变换。该方法看似简单，在实际应用中由于功率器件参数的离散性，往往需要额外复杂的均流电路和动、静

5、态均压电路以实现系统的稳定运行，并且该方案并没有改善输出波形的质量，因此其应用范围具有一定的局限性。第2章组合型升降压式多电平变流器2.1升降压多电平变流器的基本构成单元从第一章第三节可以看出，电压源多电平变流器的基本构成单元基于Buck变换器演化而成，由该基本单元组合而成的多电平变流器最终都能等效为Buck变换器，因此电压源多电平变流器只具有降压特性。而电流源多电平变流器的基本构成单元是基于Boost变换器演化而成的，由该基本单元组合而的变流器最终都能等效为Boost变换器，因此电流源多电平变流器只具有升压特性。随着新能源发电的不断发展，电力生产不只集中

6、在发电厂或发电站，在一些可再生能源发电场合，发电装置由于受到外界环境因素影响输出直流电压变化范围较大，而输出侧电压无论是并网还是接负载均需要比较稳定的交流输出，此时只能升压或只能降压的多电平变流器将不太适合该场合的应用[22]。综上所述，探索既能升压又能降压的多电平变流器具有重要的实用价值和研究意义。目前对升降压多电平变流器的研究成果很少，对适合于大功率场合的组合型升降压多电平变流器的研究成果更加的少，因此将组合型升降压多电平变流器作为一个全新的研究课题，具有重要的研究意义，本章将首先探索具有升降压特性的基本构成单元，然后通过对该基本单元的自由组合，进而构

7、造出具有升降压能力的组合型多电平变流器。..2.2基于Buck-Boost基本单元组合的升降压多电平变流器在得到Buck-Boost基本构成单元后，通过对多个基本构成单元进行不同的组合，可得到一系列新型的具有升降压能力的多电平变流器拓扑，然后以该升降压多电平变流器为基本模块单元，通过多个模块单元的组合即可获得具有升降压能力的组合型多电平变流器拓扑。综上所述，获得组合型升降压多电平变流器的前提是得到升降压多电平变流器模块单元，因此本节主要介绍基于Buck-Boost基本单元组合的Buck-Boost多电平变流器模块单元，并对不同结构模块单元进行对比分析。将图

8、2-1(b)所示的基本构成单元并联结构与H桥极性反转单元联接可构成