三电平NPC变流器多目标优化的双调制波载波策略研究

In all of the modulation strategies applying in three-level NPC converter, double-modulation-wave carrier-based modulation strategy has the characteristic of simple implementation and no effect on dc capacitor voltage balance under the entire modulation index and full power factor. However, the existing double-modulation-wave carrier-based modulation strategy also has its application problems, such as single modulation wave form, higher average power device switching frequency and no control effect on dc capacitor voltage fluctuation and unbalance caused by non-modulating contributing factors. According to the latest research achievement, this project intends to give a systematical and profound study on the above application problems of double-modulation-wave carrier-based modulation strategy. Firstly, this project will analyze the internal relations, auxiliary solution conditions and derivation process of modulation wave in double-modulation-wave carrier-based modulation strategy. Secondly, the optimal modulation wave solution of double-modulation-wave carrier-based modulation strategy will be researched basing on multi-objective optimization algorithm with the evaluation criteria of output voltage THD, system dc voltage utilization ratio, the average power device switching frequency and system common mode voltage. Finally, it will propose a novel dc capacitor voltage closed-loop control strategy basing on double-modulation-wave carrier-based modulation strategy to eliminate the dc capacitor voltage fluctuation and unbalance caused by non-modulating contributing factors.

在三电平NPC变流器调制策略中，双调制波载波调制策略是一种实现简单且在任意调制度和功率因数下对直流电容电压平衡无影响的调制策略。但现有的双调制波载波调制策略也存在调制波形式单一、功率器件平均开关频率较高、无法抑制非调制因素引起的直流电容电压波动和不平衡等应用难题。本课题结合目前双调制波载波调制策略的最新研究进展，拟对上述问题进行系统研究。首先，本课题将推导双调制波载波调制策略调制波的关系式，并通过添加合适的辅助条件求解双调制波载波调制策略调制波的多组解析解。其次，本课题将以优化系统性能为目标，以输出电压THD、系统直流电压利用率、器件平均开关频率和共模电压为具体评价标准，应用多目标优化算法寻求双调制波载波调制策略调制波的最优解。最后，本课题将寻找一种基于双调制波载波调制策略的直流电容电压闭环控制策略，抑制三电平NPC变流器中非调制因素引发的直流电容电压波动和不平衡问题。

三电平NPC变流器具有输出电压高、电流大、输出波形 THD 小、器件电压应力和系统 EMI 低、系统效率高等多方面的优点，已被广泛的应用于高压直流输电、超导储能、感应加热、大容量 UPS 电源、风力发电和太阳能发电等工业场合。.调制策略是三电平NPC变流器的核心研究内容，在三电平NPC变流器调制策略中，双调制波载波调制策略是一种实现简单且在任意调制度和功率因数下对直流电容电压平衡无影响的调制策略。但现有的双调制波载波调制策略也存在调制波形式单一、功率器件平均开关频率较高、无法抑制非调制因素引起的直流电容电压波动和不平衡等应用难题。本课题结合目前双调制波载波调制策略的最新研究进展，对上述问题进行系统研究。首先，本课题推导了双调制波载波调制策略调制波的关系式，并通过添加合适的辅助条件，求解双调制波载波调制策略调制波的多组解析解；其次，课题以优化系统性能为目标，以输出电压THD、系统直流电压利用率、器件平均开关频率和共模电压为具体评价标准，寻求双调制波载波调制策略调制波的最优解；再次，本课题研究了基于双调制波载波调制策略的直流电容电压闭环控制策略，抑制非调制因素引发的直流电容电压波动和不平衡问题；然后，本课题研究了三电平NPC变流器的双组双调制波载波调制策略，降低了功率器件平均开关频率；此外，针对三电平NPC变流器的双调制波载波调制策略最优解只考虑总THD而未对低次谐波进行了全面分析这一问题，本课题研究了三电平NPC变流器的实时SHEPWM策略；最后，本课题将研究领域拓宽到五电平NPC变流器和三电平NPC变流器的控制策略领域，一方面研究了五电平SVPWM策略简化方法，另一方面研究了三电平NPC变流器的直接功率控制策略和纹波电流控制策略。.本课题取得了较为丰富的研究成果，共计发表或录用SCI检索期刊论文3篇，EI检索期刊论文10篇，核心期刊论文9篇，发表或录用EI检索会议论文14篇，申请国家发明专利21项，其中已授权6项。