中點鉗位三電平逆變器直流側諧波分析與損耗分配的優(yōu)化設計.pdf

1、中點鉗位（NeutralPointClamped，NPC）三電平逆變器與兩電平逆變器相比，具有輸出電壓電流諧波小，開關器件承受的電壓及開關損耗減半等優(yōu)勢，可有效減小濾波器等無源器件的體積和重量。因此，三電平NPC逆變器已逐漸從大功率的中壓應用，走向了低壓380V-690V的光伏、風電及儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。傳統(tǒng)兩電平逆變器系統(tǒng)設計中的電容選型和功率器件安全工作裕量評估所需的直流側紋波電流頻譜的解析表達式和器件損耗與分布的計算公式都比

2、較成熟完善，可以滿足大范圍功率因數(shù)變化下的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的優(yōu)化設計需求。但三電平NPC逆變器系統(tǒng)在以上兩個設計要素上缺少解析表達式，而工業(yè)界通常采用有效值和單工作點仿真等耗時易錯的方法進行系統(tǒng)設計。本論文圍繞這兩個尚需解決的問題開展了研究，并以推導的解析表達式進行100kVA（380V）容量的并網(wǎng)逆變器在全功率因數(shù)范圍內的直流側電容的設計選型以及仿真驗證，并驗證了各開關器件的損耗和結溫分布滿足安全可靠運行的要求。
　　首先，作為三電

3、平DC側電流紋波分析以及損耗計算公式推導的基礎，分析了三電平NPC逆變器的拓撲結構，并用MATLAB/Simulink仿真實現(xiàn)了其各種PWM調制策略。
　　其次，參照兩電平逆變器直流側電流紋波分析法的思路，建立了三電平NPC逆變器直流側電流紋波“幾何墻模型”，并系統(tǒng)地推導出電流紋波頻譜的雙重傅里葉級數(shù)解析表達式以及有效值的表達式。頻譜解析計算結果與MATLAB/Simulink時域仿真的FFT結果吻合。
　　然后，提出了三電

4、平NPC逆變器在SPWM和三次諧波注入PWM控制方法下的功率損耗計算方法，建立了“熱等效模型”并進行了結溫計算，利用MathCAD軟件建立了“功率損耗及結溫計算工具”，并通過Semisel在線仿真平臺進行了驗證。通過與兩電平逆變器的比較，詳細分析了三電平NPC逆變器功率損耗在各器件上分布不均的問題，并采用有源中點鉗位三電平拓撲結構來改善此問題。
　　最后，通過本文建立的三電平NPC逆變器的直流側紋波電流頻譜與功率損耗的解析表達式，