随着全球经济的迅猛增长,人们对电能的需求也越来越大,传统的能源供应已经难以满足人们的需要。化石燃料发电其能源不可再生,核能发电虽然可以提供大量电能,但它还存在着废料处理等诸多问题,在此背景下,风力发电开始出现并得到了发展。风能的并网对传统的输配电系统带来了巨大的能量冲击,为了解决以上问题,基于轻型直流输电方式的风电并网系统成了现在电力系统研究的研究热点。传统的轻型直流输电的电压输出多为两电平或三电平,难以满足电网的高压、大功率要求,这就需要开发和选择合适的变换器。由于开关器件所能承受的功率、耐压等级和开关频率之间存在矛盾,研究学者一般从系统的拓扑结构和控制方法入手对变换器进行研究,以实现其高电压等级和低损耗。本文从多电平逆变器的拓扑结构入手,以目前常见多电平逆变器作为研究对象,对它们的拓扑结构和基本工作方式进行了研究和总结,介绍了一种具有冗余设计的模块化多电平逆变器拓扑结构,此种结构的逆变器控制方法简单、结构灵活,可以大大减少开关器件所受应力,降低开关损耗,提高系统效率随后分析了模块化多电平逆变器的通用调制方法,在对其进行分析和总结后,提出了一种优化的载波移相PWM调制方法,此种方法与本文中所采用的子模块电压平衡控制相结合应用于模块化多电平逆变器,来消除传统的载波移相PWM调制方法运用在逆变系统所产生的大量谐波,以保证系统稳定的工作。通过对模块化多电平逆变器进行数学建模后,分析了它的基本工作原理,并通过PSCAD仿真软件搭建了模块化多电平逆变器的模型,进行了相关仿真,重点对其输出电压电平数、预充电策略、载波移相PWM调制算法、电压的平衡控制进行了验证,分析了模块化多电平逆变器的性能特点。设计了模块化多电平逆变器的主电路,并在此基础上设计了模块化多电平逆变柜的模型。最后分析了模块化多电平逆变器的损耗特性并进行了相关仿真,得出了IGBT热阻抗曲线,有助于IGBT的选型和逆变柜散热系统的设计。
