悬浮电容非对称变换器及其非平衡电压控制研究

非对称混合多电平变换器由于输出波形畸变小、dv/dt小、EMI小、输出相同电平的情况下需要的器件少等优点受到广泛的关注，但是传统方案需要较多的独立电源。为此，本项目首次提出了悬浮电容非对称多电平变换器拓扑思想。基于该思想的新型拓扑与有相同输出电平个数的传统非对称多电平拓扑相比，可减少所需的独立电源个数；与相应的对称多电平拓扑相比，能有效抑制变流器低频输出下电容器电压波动。在构建悬浮电容非对称变换器单元基础上，研究新型非对称多电平拓扑的构成以及其抑制变流器低频输出下电容器电压波动的工作机理。

多电平变换器由于输出波形畸变小、dv/dt 小、EMI 小、效率高、适用于高电压、大功率场合和易于模块化等优点受到广泛的关注，已经成功的应用于大功率电机驱动、柔性输电和可再生能源等系统。但是对于多电平变换器，存在着PWM 控制策略复杂难以实现，直流电压平衡问题，制约多电平变换器的实际应用。为此，本项目提出了悬浮电容非对称多电平变换器拓扑思想，研究了以悬浮电容器辅助基本单元的组成多电平变换器的构造方法。在构建的变换器模型基础上，分析了悬浮电容电压波动的机理，在此基础上提出了基于冗余组合和电容电压模型预测控制策略，以减低电容电压的波动。完成的工作主要为：. 1）研究基于悬浮电容的变换器基本单元构成特点，分析了基于悬浮电容器的辅助基本单元的多电平变换器的构造方法。把传统的对称或非对称多电平基本拓扑单元的电源由电容或超级电容替换，就能得到一系列适用于组成多电平电路的多电平辅助基本单元。分析了悬浮电容电压失去平衡的原因，研究了控制电容电压平衡的条件。. 2）研究了电容电压平衡的策略。针对基于悬浮电容的3H/2H主从级联式多电平变换器，分析了该电平变换器的工作特点，讨论了其悬浮电容电压波动的机理，通过逻辑控制达到电容电压平衡的目的，同时也研究了电容电压平衡的限制条件，通过仿真和实验验证了这种电路的可行性。. 3）提出了一种电容电压模型预测控制方法可以在保持输出波形质量的情况下，降低悬浮电容电压的波动，通过仿真和实验验证该方法的可行性和有效性。同时针对三相非对称负载提出了一种改进型的模型预测算法. 4）建立了基于切换系统的变换器统一模型。通过引入混杂系统理论，初步建立变换器在连续电流模式下的切换线性系统统一模型，总结出建立模型的具体方法，并以表格的形式列出模型中各参数矩阵的取值。. 5）研究了基于悬浮电容的混合多电平变换器与电网相连接时的工作特性和控制策略，探讨了并网情况下的电容电压平衡策略及并网电流控制策略。. 6）提出一种混合级联型PWM整流器，该混合变换器由非对称的多电平单元级联而成，但是该变换器存在直流侧的电压不平衡，电压难以控制的问题。通过冗余开关模式的合理切换，提出一种直流侧电压控制策略，既能保持多电平输出又能使得输出电压均等。