中点钳位三电平逆变器直流侧谐波分析与损耗分配的优化设计

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1、中点钳位三电平逆变器直流侧谐波分析与损耗分配的优化设计重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：刘鑫指导教师：陆帅教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年四月StudyonDC-LinkHarmonicsandOptimizationofLossesDistributioninThree-levelNeutralPointClampedInverterAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfort

2、heMaster’sDegreeofEngineeringByXinLiuSupervisedbyProf.ShuaiLuSpecialty：ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要中点钳位（NeutralPointClamped，NPC）三电平逆变器与两电平逆变器相比，具有输出电压电流谐波小，开关器件承受的电压及开关损耗减半等优势，可有效减小滤波器等无源器件

3、的体积和重量。因此，三电平NPC逆变器已逐渐从大功率的中压应用，走向了低压380V-690V的光伏、风电及储能系统的并网逆变器系统。传统两电平逆变器系统设计中的电容选型和功率器件安全工作裕量评估所需的直流侧纹波电流频谱的解析表达式和器件损耗与分布的计算公式都比较成熟完善，可以满足大范围功率因数变化下的并网逆变系统的优化设计需求。但三电平NPC逆变器系统在以上两个设计要素上缺少解析表达式，而工业界通常采用有效值和单工作点仿真等耗时易错的方法进行系统设计。本论文围绕这两个尚需解决的问题开展了研究，并以推导的解析表达式进行100k

4、VA（380V）容量的并网逆变器在全功率因数范围内的直流侧电容的设计选型以及仿真验证，并验证了各开关器件的损耗和结温分布满足安全可靠运行的要求。首先，作为三电平DC侧电流纹波分析以及损耗计算公式推导的基础，分析了三电平NPC逆变器的拓扑结构，并用MATLAB/Simulink仿真实现了其各种PWM调制策略。其次，参照两电平逆变器直流侧电流纹波分析法的思路，建立了三电平NPC逆变器直流侧电流纹波“几何墙模型”，并系统地推导出电流纹波频谱的双重傅里叶级数解析表达式以及有效值的表达式。频谱解析计算结果与MATLAB/Simulin

5、k时域仿真的FFT结果吻合。然后，提出了三电平NPC逆变器在SPWM和三次谐波注入PWM控制方法下的功率损耗计算方法，建立了“热等效模型”并进行了结温计算，利用MathCAD软件建立了“功率损耗及结温计算工具”，并通过Semisel在线仿真平台进行了验证。通过与两电平逆变器的比较，详细分析了三电平NPC逆变器功率损耗在各器件上分布不均的问题，并采用有源中点钳位三电平拓扑结构来改善此问题。最后，通过本文建立的三电平NPC逆变器的直流侧纹波电流频谱与功率损耗的解析表达式，可不通过时域仿真而生成所有调制比和功率因数角下的电流纹波及

6、其频谱分布以及功率器件损耗的数值，并以之完成了100KVA并网逆变器系统（基于三电平模块SK150MLI1066T模块）的直流侧电容选型与功率器件的安全裕度校验，实现了并网逆变系统的快速优化设计。关键词：NPC逆变器，电容，谐波，损耗分配I英文摘要ABSTRACTThree-levelNPCinverterhastheadvantagesthatoutputvoltageandcurrentTHDislow,semiconductorvoltagestressesandswitchinglosseshalvescompare

7、dwithtwo-levelinverter,sothatreducingthevolumeandmassofpassivecomponent.Recentyears,three-levelNPCinverterisusedinmedium-voltageandlowvolatage380V~690Vapplications,eg.pvgrid-connected,UPSsourceandsoon.DC-linkcurrentharmonicsanalyticalexpressionandpowerlossesformula

8、thatnecessarytocapacitorsizingandmoduleselectingintraditionaltwo-levelinverterisdeveloped.Three-levelNPCinverterisnotdevelopedlikethat.Thisthesis