基于高压IGBT中压三电平PWM风电变流器研究

【摘要】：NPC三电平PWM变流器的应用越来越广泛,成为目前研究的热点。因此,本文以三电平拓扑为基础,以中压三电平PWM风电变流器为实验依据,从高压IGBT角度对中压等级的三电平变流器进行研究和分析。 首先阐述了三电平变流器的应用现状以及发展方向,接着从三电平变流器的拓扑、IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)器件、高压IGBT驱动三个方面论述三电平PWM变流器发展状况。多电平拓扑分飞跨电容型、NPC型和级联多电平拓扑介绍,并且介绍每种拓扑的优缺点。IGBT成为现在的主流开关器件,并将IGBT与后来产生的IGCT器件进行对比,得出IGBT优缺点和应用范围,在5MW等级以下的变流器开关器件选择IGBT为佳。 重点对NPC三电平PWM变流器的功率器件的损耗和温升进行分析和计算。首先通过公式推导和近似计算得到功率器件的损耗和温升,然后使用三菱官方软件Melcosim软件计算,得到功率损耗结果,并与前面公式计算结果进行比对,验证公式推导计算结果的精确性。通过计算三电平变流器的器件功率损耗和温升,提出几种节省成本的IGBT选择方案。现将NPC三电平拓扑的箝位二极管换成IGBT模块,不改变控制策略和控制方式,提出IGBT模块选择方案,并对该方案的功率器件进行功率损耗和温升计算,由计算结果验证该IGBT选择方案的可行性。 设计并制作了高压IGBT驱动板,对其控制软件、控制电路及功能进行介绍。然后通过双脉冲实验测试IGBT驱动板的开通和关断功能,分析IGBT的开通和关断特性,并选择合适门极电阻,确保合适的di/dt和du/dt。 通过IGBT并联方式提升变流器容量,并联方式从IGBT组件并联和三电平桥臂的并联两种方式进行分析。简单介绍IGBT组件并联,重点分析三电平桥臂的并联。为了解决桥臂的并联造成的不均流,采用串电感方法,然后通过计算和仿真得到串电感方法的可行性。由于串电感方法对系统控制来说不用任何附加条件,实现起来比较简单。 最后通过三电平组件并联测试和中压三电平PWM风电变流器的互馈调试实验,验证了变流器桥臂并联均流效果、IGBT开关特性、变流器的满载和空载特性等。 【关键词】：高压IGBT 中压 三电平 功率损耗 驱动 并联 互馈
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614;TM46
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 三电平变流器的应用现状和发展前景11
• 1.2 多电平变流器的拓扑研究11-15
• 1.2.1 飞跨电容箝位式结构12-13
• 1.2.2 二极管箝位型多电平变流器13-14
• 1.2.3 级联型多电平变流器14-15
• 1.3 高压IGBT的发展状况15-17
• 1.4 高压IGBT驱动研究及应用现状17-20
• 1.4.1 高压IGBT驱动特点17-18
• 1.4.2 现有高压IGBT驱动技术18-20
• 1.5 论文主要内容20-21
• 2 NPC三电平变流器功率器件的损耗分析21-37
• 2.1 NPC三电平变流器功率器件的损耗分析21-28
• 2.1.1 三电平变流器换流过程21-23
• 2.1.2 功率器件损耗计算方法23-25
• 2.1.3 三电平变流器功率器件的损耗计算25-27
• 2.1.4 三电平变流器桥臂损耗计算结果27-28
• 2.2 基于Melcosim的三电平功率损耗计算28-31
• 2.2.1 计算策略29-30
• 2.2.2 总结软件计算结果30-31
• 2.3 NPC三电平变流器热平衡分析31-32
• 2.4 基于NPC三电平变流器内IGBT模块热平衡的探讨32-37
• 2.4.1 拓扑结构的分析32-34
• 2.4.2 IGBT的选型及内IGBT功率损耗的计算分析34-37
• 3 高压IGBT驱动的设计37-54
• 3.1 高压IGBT驱动电路设计37-42
• 3.1.1 电源设计37-39
• 3.1.2 区动设计39-41
• 3.1.3 保护电路41-42
• 3.2 高压IGBT驱动控制及VHDL语言编程42-44
• 3.3 双脉冲实验及门极电阻的选择44-54
• 3.3.1 双脉冲实验原理45-46
• 3.3.2 双脉冲实验过程及测试结果46-54
• 4 IGBT并联技术的研究54-59
• 4.1 IGBT直接并联54-55
• 4.2 变流器的桥臂并联技术的研究55-59
• 4.2.1 变流器桥臂并联的计算55
• 4.2.2 桥臂并联仿真55-59
• 5 中压三电平PWM变流器实验59-66
• 5.1 组件测试59-63
• 5.1.1 测试平台介绍59
• 5.1.2 组件测试实验59-63
• 5.2 3MW中压三电平风电并网变流器的拓扑结构介绍63-64
• 5.3 3MW三电平中压变流器电网侧实验波形及分析64-66
• 6 结论及展望66-67
• 参考文献67-68
• 作者简历68-70
• 学位论文数据集70

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