一种基于部分单元能量回馈的级联多电平逆变器研究

虽然单元级联多电平逆变器在高压变频器中应用广泛，但以电气节能为目的能量回馈技术其工业应用进展缓慢，主要制约因素是随着级联单元越多，采用PWM变换器的控制系统越复杂，需要检测的信息量也越多，给整个系统的稳定性带来不利影响。为了克服以上技术难点，并填补和完善级联多电平拓扑结构的研究体系，本项目提出一种二极管整流与PWM整流单元协同工作的新型级联多电平拓扑结构，即在传统拓扑中只采用一部分PWM变换器替代原有的二极管整流电路实现能量双向流动控制，从科学层面上分析传统采用二极管整流级联多电平技术与采用PWM整流的级联多电平技术之间的共性问题与工作机理，并拓展出二极管整流与PWM整流协同工作下新型级联多电平技术关键问题的研究。此外针对该新型级联多电平拓扑结构的逆变器，研究二极管整流单元级联与PWM整流单元级联的统一数学模型，研究新拓扑下能量回馈的协调控制策略，并通过仿真与实验验证理论分析的正确性。

本项目的主要目标是将二极管不控整流功率单元和PWM整流功率单元进行级联多电平控制实现电动机再生能量回馈。在项目三年的执行过程中首先从拓扑结构上提出二极管不控整流单元和PWM整流单元新型级联多电平混合结构。其次为了保证电动机再生能量全部经过PWM整流单元回馈到电网的关键点，即需要电动机再生能量不能流入到二极管不控整流单元的直流侧，同时保证二极管不控整流单元后端H桥逆变电路参与电动机负载降频减速的PWM调制工作中提出了二极管整流单元直流侧旁路方法和二极管整流单元H桥逆变器输出无功方法，通过仿真和实验验证了两种方法的可行性，尤其在两种不同类型单元协调控制方面，只需检测电机电流有效值和普通单元直流电压，就可以根据V/F曲线、降频速度、电机极对数和转动惯量等少数参数计算出所有单元的调制波，控制电机的再生能量全部流向PWM整流单元直流侧，而不是流入二极管整流单元直流侧使直流电压泵升，同时控制PWM整流单元工作在PWM逆变过程不仅可以将电动机再生能量回馈到电网，且网侧并网电流谐波含量少和单位功率因数馈入。. 目前在新型级联多电平拓扑和能量回馈控制策略方面已经完成理论分析工作。为了开展实验验证工作，搭建了5单元级联多电平逆变实验平台，其中1个PWM整流单元和4个二极管不控整流单元，在该实验平台上实现了1个PWM整流单元回馈异步电动机所有再生能量，而其余4个二极管不控整流单元直流侧电压稳定没有泵升现象。截止2014年12月在该项目上已培养硕士4名，博士生1名，在国际学术期刊、国内国际会议及国内期刊上发表论文7篇，被SCI收录2篇、EI收录3篇，申请国家发明专利3项，已授权1项。