新一代高频隔离级联式中高压变频器关键技术研究

In order to avoid using the large, heavy and expensive line frequency transformer in the traditional medium/high power cascaded multi-level converter, this research studies key technologies for the medium/high voltage converter in the next generation based on hybrid cascaded rectification and high frequency isolated DC/DC transmission. The main research topics include: 1. hybrid cascading structure of the diode rectifying module (or the bridgeless rectifying module) and the fully-controlled H bridge module in the rectifying stage, power factor regulation characteristics and voltage balancing strategy; 2. topology of high power high frequency isolated DC/DC converter, optimization of electrical and magnetic circuit design, high efficient control strategy; 3. cooperative control strategy for the hybrid cascaded rectifying stage, transmitting stage, and inverting stage; 4. overall optimization method. Through theoretical analysis, mathematical modeling, computer simulation and experiments, internal relations and interactive influences among hybrid cascading structure, voltage balancing strategy, load characteristics, and input power factor regulation range will be discovered. On this basis, optimal structure of high power isolated DC/DC converter and the optimal control strategy for the three power conversion stages will be proposed. In conclusion, this research will lay a theoretical foundation for the design and implementation for the medium/high voltage converter in the next generation by exploring possible topologies and providing design principles of control strategy for high frequency isolated hybrid cascaded multi-level converter.

针对传统级联式多电平中高压变频器输入端带有庞大笨重昂贵的工频隔离变压器的问题，研究采用混合级联整流和高频隔离DC/DC变换构造新一代中高压变频器的关键技术问题。本课题拟对此类新一代中高压变频器①整流级二极管(或无桥)整流模块和全控H桥整流模块的级联结构方式、功率因数调节特性和电压均衡控制策略；②大功率高频隔离DC/DC变换器拓扑构造，电路磁路优化设计，高效率控制方式；③混合级联整流、传输和逆变级的协调控制策略和整体优化方法等关键技术进行深入研究。通过理论分析、数学建模、计算机仿真、样机实验，揭示混合级联模式、级联模块电压均衡与负载特性和整流级输入功率因数调节范围的内在关系和影响规律，提出大功率高频隔离DC/DC变换器最佳构成方案，确定各功率级的最优控制方式，探索高频隔离混合级联多电平中高压变频器电路拓扑结构选择和控制策略设计的一般性规律，为此类新一代中高压变频器的设计与实现奠定理论基础。

针对大量实际工业应用场合，中高压变频器只需实现能量单向流动的应用背景，课题组对能量单向传输的新一代高频隔离级联式中高压变频器实现的关键技术进行了研究。在对整流级的研究中首先研究了单相级联电路。对无桥整流器模块在不同功率因数下的输入电流过零点畸变特性进行了定量分析，讨论了由n个无桥模块和m个全控H桥模块构成的单相混合级联整流器的结构方式，提出了一种可实现网侧功率因数管理和输出直流电压均衡控制的基于单相双dq变换的控制策略。对于纯单向级联多电平变换器在各模块负载不平衡时，针对正常负载和轻载运行，提出了两种基于单周期控制策略的直流侧电压快速平衡控制方法。在对单向能流三相级联电路的研究中，分析了三相星接无桥整流器输入电流畸变产生机理及其与单相电路的不同之处，对三相星接（级联）无桥整流器在理想电网和非理想电网条件下，提出了集功率波动抑制、直流链路电容电压平衡和输入电流过零点畸变消除功能于一体的混合控制方案。对工作于不同功率因数下的三相VIENNA整流器基于单周期控制的性能也进行了类似研究。课题组还提出了两种新型三相级联整流器电路拓扑，即：三相线电压级联VIENNA整流器和三相线电压级联二极管+Boost型整流器。课题组对级联整流级的故障诊断和容错控制也进行了初步研究。在对高频隔离DC-DC变换级的研究中，课题组重点分析讨论了一种基于多绕组共铁芯变压器具有负载自平衡特性的变换器实现方案。在对系统整体协调控制的研究中，课题组提出了一种三相级联整流级与三相级联逆变级双星型交错连接方法，该方法与DC-DC变换模块的共铁芯变压器结构方式相结合，极大的方便了级联整流级相内电压的平衡控制和相间电压的平衡控制。课题组搭建了两套实验样机，一套整流级采用无桥与全控H桥混合级联电路，另一套整流级采用线电压级联三相VIENNA整流电路。课题组在完成课题计划的基础上，对如何使单向可控整流器增加无功补偿和谐波补偿功能也进行了初步的研究，并得出了一些明显有意义的结论。