能源危机和环境污染的日益严峻,促进了工业应用节能改造及多端口互联技术的快速发展,多端口变换器应运而生。近年来,面向中小功率的低压多端口变换器研究广泛,但针对中高压大功率应用场合的多端口互联系统仍有待探索。鉴于工业应用中,往往需要多台电机配合工作,而当前中高压大功率电机群负荷的自由驱动仅能由多个分立的传统变换器一对一控制。为此本文以电机驱动应用为背景,对可驱动多电机多工况运行的多端口级联多电平变换器及其控制特性进行了深入的探讨。该变换器通过模块复用和系统集成实现了多个中高压大功率端口的互联及能量互通,不仅可同时驱动多电机自由运行,也为电机再生能量的处理提供了一种新的利用方式:将制动电机再生的电能直接传递至电动运行电机,高效节能同时减轻了对电网造成的不良影响。本文的主要研究内容及取得的研究成果如下:(1)分析现有多端口变换器的应用现状、多电机应用需求、驱动技术及再生能量处理方法,引出全文研究主题:针对中高压大功率应用场景,构建一套可集成多个端口且具备能量互动能力的多端口变换器。文中通过现有多端口拓扑结构及适用性的分析,根据模块复用思想,基于六边形H桥级联结构提出了一类适合于中高压大功率双电机自由驱动的三端口级联多电平变换器拓扑。(2)针对所提出的第一种非能馈型三端口级联多电平变换器,通过拓扑建模,详细分析出六桥臂与两输出端口间的参数关系及功率分配规律,探索出其能量流动机理。由此设计一套适合双电机自由驱动的控制策略。其后通过电机再生能量生成机理分析,根据极限状态,设计了电容参数。最后分别通过高、低压仿真验证了拓扑及控制策略的可行性。当两负载电机一个电动、一个制动时,该拓扑可直接利用再生能量,提高能效,降低电容容量需求,但对于两电机同时制动工况的应用存在局限性。(3)基于第一种拓扑的工况应用局限,进行拓扑推演,提出第二种混合能馈型三端口级联多电平变换器拓扑。为保证无源桥臂每单元直流电压稳定,引入环流控制思想。通过对桥臂功率分析,推导出功率平衡条件及关键控制量。其后通过平均值模型分析法对环流电路建模及定量分析,得到控制参数。以此为基础设计了一套适合于本拓扑的控制策略。最后通过仿真验证了拓扑及环流调节的有效性。该系统可使再生能量在电机间优先利用后,富余能量通过部分有源桥臂回馈电网,不仅提高了能量利用效率,减少了单元前端全控开关数量,降低了回馈电网压力。同时由于无源桥臂各单元无整流前端,移相变压器二次侧绕组及整流开关数量相应减少。该系统适用于所有工况需求。(4)为论证拓扑及控制的可行性,本文搭建了一套每桥臂两单元级联的低压三端口级联多电平变换器实验平台,驱动两台380V/1.1kW交流感应电机。在此实验台架上观测了两电机的异步运行以及桥臂间再生能量的分配。验证了本文提出的变换器及控制方法的可行性以及理论分析的正确性。仿真和实验结果表明,本文所提出的三端口级联多电平变换器系统,有效实现了分立变换器的集成和能量交互,能够同时驱动双电机自由运行,且实现电机间再生能量的相互直接利用。拓扑一将富余能量临时存储,降低电容容量需求;拓扑二将富余能量通过少量PWM单元回馈电网。两种拓扑选择,根据工况需求选定。本文所提出的这类变换器能够在不大幅提高成本的条件下满足工业现场多电机驱动及电机间再生能量传递利用需求,为中高压大功率多端口互联提供了一种新的形式,也为电机负荷的节能改造提供一种新的能量利用方式。