摘 要

在中国，工业用电占社会用电的绝大部分,高压电机在国内也很受欢迎,主要用来拖动大型机械，例如：风力机、泵类电机、压缩电机等,高压电动机早已成为大型企业的主要动力。但是目前我国高压电机系统运行的效率很差,能量损耗大,电机设备长时间工作在低负荷状态,因此我们必须进行电机系统节能。在目前，改变频率来调制速度的交流电机能够降低电能的损耗，简化生产技术操作，提高产品质量，改善电机运行的特性，因此受到大家的青睐。改变频率来调制速度是海内外公认为最有发展前景的调速方式，它的效率高，功率因数高，调速和启制动性能非常优异，这些优点让它成为了目前最热的调速方式。^[1]

以前的高压变频器有很多不足，过时的高压变频器是由可控硅这种等比较古老的器件构成，整流或者逆变时谐波非常大，不利于应用于电力网络与电机。近年来发展起来一些新型器件，如IGBT、IGCT、SGCT等等。通过这些新器件，以前的高压变频器逐渐被人们所淡忘，模块化多电平变频器（MMC)被提出，模块化多电平变频器把子模块的电压连接到一起来得到高电压，通过模块化的级联来实现多电平输出。我们将模块化多电平变频器背靠背的连接在一起，让他们共用一条直流母线，搭建一个AC—DC—AC的变频调速系统。通过对子模块的频率调制，我们可以把网侧功率因数升高，把电流谐波进一步降低，还可以减小电机的谐波带来的损耗和绝缘损害。模块化多电平变频器由半桥全控的三极管组成，通过对子模块的控制可以让电机在各个象限工作^[2]。因此，模块化多电平高压变频装置能够提高网侧对电能的利用、改善电机的驱动性能、很大程度的缩小装置体积、降低装置的运行成本。

本文首先分析了模块化多电平的拓扑结构以及子模块的各种工作状态，介绍了模块化多电平变频器的调制方法，建立了基模块化多电平高压变频装置的拓扑结构，设计了基于模块化多电平变频器的高压变频装置的主电路，根据论文要求选取主电路的参数，最后使用MATLAB软件搭建了基于模块化多电平高压变频装置的仿真模型进行仿真。通过结果分析我们知道模块化多电平高压变频器具有很好的稳态和动态性能，能够实现电机的变频调速和回馈制动，验证了模块化多电平高压变频器的可行性。

关键词：模块化多电平变频器；调制方法；高压变频装置；MATLAB

Abstract

China's industrial use of electricity is a major component of social power, high voltage motor in the domestic application of widely, the main drag of fans, pumps, compressors and other large machinery is the main driving force of the industrial and mining enterprises. And at this stage, China's motor system operating efficiency is low, energy consumption is high, resulting in long-term operation of the equipment in a low load state, so the motor system is imperative. AC motor variable frequency speed control is a major means to save energy, improve the production process, improve product quality, and improve the operating environment. Variable frequency speed control with its high efficiency, high power factor, as well as excellent speed and braking performance, and many other advantages are recognized at home and abroad as the most promising way of speed control.

The previous high voltage inverter, which is composed of silicon controlled rectifier, thyristor inverter and other devices, has a lot of disadvantages, and has a great influence on the power grid and the motor. Some of the new devices will change the status quo, such as IGBT, IGCT, SGCT and so on. Through these new devices, the modular multilevel converter (MMC) is proposed, which can be easily extended to the high voltage level through the cascade of the sub module, and the MMC can be realized. Through the form of the modular multilevel converter connected back to back and common DC bus AC - DC - AC variable frequency speed regulating structure formation. The grid side power factor can be improved, the current harmonic distortion rate can be reduced, and the harmonic loss and insulation damage of the motor can be reduced. The modular multi level inverter is composed of the full control device, the device can drive the four quadrant operation of the motor. Therefore, modular multilevel high voltage frequency conversion device has obvious advantages in improving the power quality of the grid side, the side driving performance and reducing the device size, cost and so on.

This paper first analyzes the modules of multilevel topology structure and sub modules of all kinds of working state, and introduces the modular multilevel inverter modulation methods and develop the module of multilevel high voltage inverter topology, the design based on the modular multilevel converter of high voltage inverter main circuit, according to the requirement of the main circuit parameters are chosen. Finally, MATLAB software to build the simulation model of the modular multilevel high voltage inverter are simulated based on. Through the

analysis we know modular multilevel high-voltage inverter has good static and dynamic performance, can realize of frequency control of motor speed and regenerative braking, verify the modular multilevel high voltage inverter is feasible.

Key Words: modular multilevel converter; modulation method; high voltage frequency converter; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究目的及意义 1

1.2 现状与发展方向 2

1.3 高压变频器的分类 2

1.4 研究内容及问题 3

第2章 模块化多电平变频器的介绍 5

2.1 模块化多电平变频器的基本结构 5

2.2 模块化多电平变频器的调制方法 7

2.3 本章小结 8

第3章 模块化多电平高压变频器的设计 10

3.1模块化多电平高压变频器的电路设计及分析 10

3.2模块化多电平高压变频装置的控制方式 11

3.3模块化多电平高压变频装置参数 12

3.4本章小结 13

第4章 模块化多电平高压变频装置的仿真及分析 14

4.1模块化多电平高压变频装置的仿真模型分析 14

4.2模块化多电平高压变频装置的仿真结果分析 16

4.3 本章小结 18

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的及意义

在中国，工业用电占社会用电的绝大部分,高压电机在国内也很受欢迎,主要用来拖动大型机械，例如：风力机、泵类电机、压缩电机等,高压电动机早已成为大型企业的主要动力。但是目前我国高压电机系统运行的效率很差,能量损耗大,电机设备长时间工作在低负荷状态,因此我们必须进行电机系统节能。因此，变频调速渐渐取代了以前的调速方式，逐渐成为了目前我们最常用的电机调速方式^[3]。现代电力电子技术迅速发展以及计算机时代的来临让电气技术发展迅猛。直流调速逐渐走下时代舞台，交流调速开始被大家所接受，计算机数字控制更是走入电气领域的每个角落，取代了以往的模电控制。在目前，改变频率来调制速度的交流电机能够降低电能的损耗，简化生产技术操作，提高产品质量，改善电机运行的特性，因此受到大家的青睐。改变频率来调制速度是海内外公认为最有发展前景的调速方式，它的效率高，功率因数高，调速和启制动性能非常优异，这些优点让它成为了目前最热的调速方式。