大容量变换器,尤其是额定电压在3-10k V,容量在10-200MW的超大容量变流装备,在国防建设、大型工业生产中占有重要的地位,是大型风洞、船舶电传、钢铁轧钢、矿井提升、铁路牵引、油气输送等领域的关键设备,国内长期依赖进口。本课题依托国家高新技术研究发展计划(863计划)“十二·五”课题“超大容量变频装备关键技术研究与工程示范应用”,对超大容量IGCT五电平NPC/H同步电机调速系统的关键技术进行了研究,论文主要工作及创新成果总结如下:提出了一种开关频率为500Hz,可应用于IGCT五电平NPC/H拓扑结构的快速调制策略,同时考虑了最小脉宽问题与过调制问题。其从电压矢量设计、开关顺序解码、开关状态分配的角度出发,解决了低开关频率下传统调制算法在五电平NPC/H拓扑下的电平突变的问题,同时考虑了功率器件的损耗均衡,等效开关频率提高50%;针对低调制度下最小脉宽问题,分析了其产生机理,设计了一种具有阶梯波输出特性的开关序列解决方法;提出一种适合五电平NPC/H结构的快速过调制策略,无需存储数据及复杂的计算公式,具有输出基波电压线性增益的特点。提出一种全周期运行范围的五电平NPC/H变换器能量变换过程分析及波动抑制方法。分析出五电平NPC/H变换器能量波动机理:直流储能环节具有二次脉动特征,其与PWM单开关周期平均电流有关。从PWM周期开关序列设计上,提出了能量波动抑制方法,PWM周期内实验表明了所提抑制方法的有效性;在变换器工艺控制周期内,分析了调速机组加、减速过程的能量变换特征,对机组的运行控制参数进行了设计,调速机组工艺周期实验验证了其有效性。针对传统同步电机控制电压模型直流漂移问题,提出了一种基于改进电压模型的新型混合磁链观测模型。改进电压模型采用二阶广义积分器代替传统电压模型中的纯积分环节,可以很好地消除反电势存在的直流偏差,输出磁链正弦度好、抗负荷扰动性强。首次自主研制出基于VME总线的IGCT五电平NPC/H同步电机全数字控制系统。该系统采用软硬件分层设计方法,基于VME总线技术,采用双DSP+FPGA全数字技术,可完成对五电平NPC/H变换器低开关频率下的脉冲触发与同步电机的高性能调速控制。本文研制了IGCT五电平NPC/H同步电机调速系统,在国防风洞测试台6.9k V/20MW同步电机驱动系统上得到了应用。应用结果表明,该系统在全速范围内,调速稳定、桥臂电压均衡、直流母线电压平稳,验证了本文提出理论方法及研制装置的有效性。