（控制科学与工程专业论文）三电平逆变器控制策略的研究.pdf

i 艺n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 蟹趣日期：盟年上月立日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：驱导师签惫良日期：一避月鱼日 摘要 二极管箝位式三电平逆变器作为一种常用的三电平逆变器拓扑 结构，广泛应用于高压大功率的场合。这种逆变器具有耐压要求低、 输出电压谐波含量小等优点而越来越成为变频器领域中的热点研究 问题。由于三电平逆变器开关器件数目众多，因此它的控制复杂，对 三电平逆变器的控制技术就成为了研究的核心内容。本文主要对它的 控制技术进行研究，以此拟作为今后进一步研究的基础。 首先以载波调制为基本的调制方式，分析了三电平逆变器的拓扑 结构与工作原理，并给出仿真；此外，本文重点研究了三电平的空间 矢量调制，对它的调制算法进行了深刻的研究，并给出了每步算法的 仿真；在此基础上，针对三电平拓扑结构存在的中点电位不平衡的问 题，分析了不平衡的原因，并对现有的控制方式进行分析对比，最后 提出了一种新的控制方式并仿真验证了采用这种控制方式的有效性。 本文还设计了一套二极管筘位式三电平逆变器系统。其中，硬件 设计包括逆变主电路设计，外围电路设计和控制电路的设计。软件设 计基于先进的t m s 3 2 0 f 2 812 d s p ，设计了改进的三角载波层叠式调 制方法的控制程序。结果表明，该算法非常适用于d s p 数字化控制 软件的实现，控制性能稳定。 关键词二极管箝位，三电平逆变器，空间矢量调制，中点电位平衡， 数字信号处理器 a b s t r a c t a sac o m m o n l yu s e dt o p o l o g y ，t h ed i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r a r ew i d e l yu s e di nt h eh i g h - v o l t a g e h i g h p o w e ra p p l i c a t i o nf i e l d t h i s i n v e r t e rh a sal o wv o l t a g er e q u i r e m e n t sa n das m a l l e ro u t p u tv o l t a g e h a r m o n i cc o n t e n ta n db e c o m eah o tr e s e a r c hp r o b l e mi nt h i sf i e l d t h e t h r e e - l e v e li n v e r t e rh a sal a r g en u m b e ro fs w i t c h i n gd e v i c e s s ot h e c o n t r o lo b je c t i v e sa r ec o m p l i c a t e d ，t h r e e l e v e li n v e r t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y h a sb e c o m et h ec o r er e s e a r c ho ft h es t u d y t h i sp a p e rs t u d i e si t sc o n t r o l t e c h n o l o g yi no r d e rt os e r v ea sab a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c h t h i sp a p e rb a s e do nc a r r i e rm o d u l a t i o nm e t h o da sab a s i cc o n t r o l ， a n a l y s i st h et h r e e - l e v e li n v e r t e rt o p o l o g ya n dp r i n c i p l e ，a n da l s og i v et h e s i m u l a t i o n ；i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h et h r e e 1 e v e ls p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ，i th a sad e e ps t u d yo ni t sm o d u l a t i o na l g o r i t h ma n dg i v e s e a c hs t e po ft h es i m u l a t i o na l g o r i t h m ；o nt h i sb a s i s ，f o rt h ee x i s t e n c eo f t h e n e u t r a l p o i n tp o t e n t i a li m b a l a n c e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec a u s e so ft h e i m b a l a n c ea n dt h ee x i s t i n gc o n t r o lw a yo fc o n t r a s t ，p u t sf o r w a r dan e w c o n t r o lm e t h o da n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so f u s i n gt h i s m e t h o d t h i sa r t i c l ea l s od e s i g n e dad i o d ec l a m p e dt h r e e l e v e l i n v e r t e rs y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d et h em a i nc i r c u i td e s i g n ，e x t e m a lc i r c u i t d e s i g na n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g n ，a ni m p r o v e m e n tt r i a n g u l a rc a r t i e r s t a k e dm o d u l a t i o na l g o r i t h mi sv a l i d a t e da n dd e s i g n e db yt h ea d v a n c e d t m s 3 2 0 f 2 812 d s pi nt h es o f t w a r ed e s i g n r e s u l t ss h o wt h ea l g o r i t h mi s v e r ys u i t a b l ef o rt h ed i g i t a ls o f t w a r ed e s i g nb yt h en e wd s pc o n t r o l l e r , a n dt h es t a b l ec o n t r o lp u l s e sc a nb eo b t a i n e d k e y w o r d s d i o d e c l a m p e d ，t h r e e l e v e li n v e r t e r , s p a c ev e c t o rp w m ， n e u t r a l - p o i n tb a l a n c ep r o b l e m ，d s p n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 课题来源背景与研究意义。1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 拓扑结构2 1 2 2 控制策略2 1 2 3 中点平衡3 1 3 本文的研究内容。4 第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究6 2 1 三电平逆变器主电路工作分析6 2 1 1 主电路拓扑的工作原理7 2 1 2 二极管箝位式逆变电路暂态换路分析7 2 1 3 三电平逆变器的控制要求9 2 2 三电平逆变器载波p w m 调制方法的研究9 2 2 1 载波层叠法调制原理9 2 2 2 占空比推导1 2 2 3 二极管筘位式逆变器的仿真研究1 3 2 3 1 主电路的仿真1 3 2 3 2 三电平逆变器输出电压电流及谐波特性分析一l5 2 3 3 两种载波调制方式下的仿真1 7 2 4 ，j 、结18 第三章三电平逆变器空间矢量调制的研究2 0 3 1 空间矢量合成定义2 0 3 2 三电平逆变器空间矢量基本原理2 2 3 3 三电平的空间矢量s v p w m 调制方法2 7 3 3 1 工作扇区判断一2 7 3 3 2 电压矢量的确定与作用时间的计算2 8 3 3 3 矢量序列选择2 9 3 4 空间矢量s v p w m 调制的m a t l a b 仿真研究3 0 3 4 1 扇区的选择3 0 3 4 2 占空比计算与开关作用顺序31 3 4 3 不同调制度下的输出电压3 3 3 5 改进矢量作用顺序的双极性调制3 3 3 5 1 三电平空间矢量双极性调制原理。3 3 3 5 2 双级性调制的m a t l a b 仿真研究3 5 3 6 月、结3 6 第四章三电平逆变器中点电位平衡问题的研究3 7 4 1 中点电位不平衡的原因3 7 4 1 1 三电平逆变器中点电压波动的定性分析3 7 4 1 2 三电平逆变器中点电压波动定量分析3 9 4 1 3 中点电流影响分析4 1 1 1 1 4 2 中点电位平衡的控制方法4 4 4 2 1 中点电位的精确控制4 4 4 2 2 中点电位的粗略控制。4 6 4 3 本文采用的中点电位平衡控制方法及其仿真研究4 6 4 3 1 对空间矢量调制下中点电位平衡的一些思考4 6 4 3 2 基于控制因子的中点平衡控制方法原理。4 8 4 3 3 仿真研究4 9 4 4 卅、结5 l 五章三电平逆变器的软硬件设计5 2 5 1 三电平逆变器的硬件电路设计概述。5 2 5 1 1 主电路的设计- 5 2 5 1 2 外围电路设计5 3 5 1 3 控制电路的选择一5 3 5 2 软件设计5 5 5 2 1 d s p 的资源配置5 5 5 2 2 调制算法的简化5 6 5 2 3 程序设计流程框图5 6 5 2 4 试验波形5 7 5 3 小结5 8 六章总结与展望5 9 6 1 全文总结5 9 6 2 展望5 9 考文献6 l 谢6 1 ； 录6 6 附录l 三电平空间矢量调制矢量作用顺序表6 6 附录2 三电平载波调制中断子程序6 9 读硕士期间主要的研究成果7 2 i v 中南大学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源背景与研究意义 2 1 世纪是能源与环保的世纪。变频器作为电能转换装置，自从在2 0 世纪6 0 年代问世以后，在发达国家的各个行业中都已经得到了广泛的应用。其中，逆变 技术作为交流技术的直交环节，一直以来都受到各个国家的广泛关注，并且相 继投入了大量的精力去从事它的研究。 这些年以来，随着电力电子领域中各种技术的全面发展，人们对电力电子装 置的大功率、高压高频化的要求日益强烈，希望电力电子装置能够处理更高的电 压等级和更高容量的等级；逆变器作为变流技术的重要的环节里，在传统的两电 平逆变器的大功率运用中存在着许多的问题亟待解决。例如，需要笨重、耗能高、 造价昂贵的变压器沩了得到高质量的输出波形而提高开关频率，开关器件造成 严重的损耗，大大降低了使用寿命【l 】。 为了解决上述问题，2 0 世纪8 0 年代，一种新型的多电平逆变器( m u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 开始出现，并受到了人们的广泛的关注。所谓多电平逆变器，是指逆 变器输出电压波形中的电平数等于或大于三的逆变器，如三电平逆变器，五点平 逆变器，七电平逆变器等。其中三电平逆变器由于其开关数量相对较少，研究方 便，在高压大容量逆变器中得到了较为广泛的应用。与传统的逆变器相比较，多 电平逆变器具有以下几点优势【l 】： ( 1 ) 多电平逆变器可以使开关工作在低频，开关损耗小，逆变效率高，适合 用于高压大功率场合； ( 2 ) 输出电压中含有多个电平，使得输出电压跳变小，即d u d r 小； ( 3 ) 在相同的电压等级下，采用多电平逆变器可以降低对开关管耐压等级的 要求，还能减小对电动机绝缘的损害，降低了电磁干扰e m i ； ( 4 ) 无需笨重昂贵耗电的变压器，大大地减小了系统的体积和成本； ( 5 ) 除此之外，多电平逆变器的优点还体现在三相系统中输出的共模电压 小。 多电平逆变器广泛运用于各个领域：在电力系统中，作为直流输电的高压 逆变器使用，并作为治理无功与谐波污染的无功功率发生器与电力有源滤波器的 主电路使用；在高压大功率交流电动机变频调速系统中，作为逆变器使用带电机 负载进行风机或者泵类的变频调速。 在2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机和当前日益严重的环境污染的 大背景下，无论从提高电力系统的控制能力，治理电力系统的无功与谐波污染， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 还是从提高交流电机传动系统的节能效果和性能，达到提高生产效率和产品质量 的效果，开发多电平逆变器都是十分必要的。此外，我国作为发展中国家，能源 储备丰富，但是人均占有量少，能源利用不完善，存在浪费污染等普遍现象，正 如江泽民同志指出：中国的能源要走一条节约高效，清洁环保的道路【4 】。三电平 逆变器作为重要的能源变化装置，在国外发达国家已经逐步开始进入工业产品化 的阶段，但在我国还处于萌芽状态。因此，从节能环保的角度出发，在我国研究 三电平逆变技术也是很有必要的，具有重要的理论意义和工程应用价值。此外， 随着电力电子器件的更新换代以及d s p 智能控制芯片的迅速普及【2 6 i d o l ，这一逆变 技术必将在高压大功率应用场合大显身手。 1 2 国内外研究现状 1 9 8 1 年，日本学者南波江章( a k i r a n a b a e ) 在i e e e 工业应用( 认s ) 年会 上首次提出了中点筘位p w m 逆变器( n e u t r a l p o i n t c l a m p e dp w m i n v e r t e r ， n p c p w m ) 的概念，并给出其拓扑结构1 2 。该逆变器就是三电平逆变器最早的 雏形。随后很多专家学者都在此基础上对拓扑结构，控制策略，中点电位平衡等 方面做了相关的研究。 1 2 1 拓扑结构 从当前资料上能够得到的多电平逆变电路，根据其结构可分为箝位式多电平 逆变器：( c l a m p e dt y p em u l t i l e v e li n v e r t e r s ) ，级联式多电平逆变器( c a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e r s ) ，层叠式多电平逆变器( s t a c k e dm u l t i l e v e li n v e r t e r s ) ，多重叠加 式逆变器( m u l t i p l i c i t yi n v e r t e r s ) 3 】【5 】。而箝位式多电平逆变器根据箝位器件的不同 又可分为二极管箝位式，飞跨电容箝位式与混合箝位式【l j 。 如上可知，多电平逆变器的实现有多种拓扑结构，上述多电平结构相比，二 极管箝位式拓扑结构是开发最早的一种多电平逆变器。这种多电平逆变器的特点 就是主电路和控制电路比较简单，控制方式也简单，便于能量的双向流动，这种 拓扑结构是分析研究多电平逆变器的基础，在国外这种形式的逆变器也进入了实 用化阶段【l j 。 一般认为，多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上按照类似的拓扑结 构拓展而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平阶数就越多，从而越接近正弦 波。但这种理论在实际应用受到了硬件条件和控制复杂度的制约，通常在追求性 能指标的前提下，以三电平最为实际。本文就选用三电平二极管箝位式逆变器这 种最为常见的拓扑结构为研究对象展开分析研究。 1 2 。2 控制策略 1 9 6 4 年，a s c h n o u n g 和h s t e m m l e r 把通信系统的调制技术应用到交流传 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 动逆变器中，产生了正弦脉宽调制技术，使s p w m 技术成为两电平逆变器的核 心控制技术之一，而其控制方案也可以推广到多电平逆变器的p w m 控制中f l j 。 笔者经过总结，认为主要可以分为：基于载波调制p w m 控制法( c a r r i e rw a v e m o d u l a t ep w m ) 和非载波的p w m 调制方法。 根据现有的文献，多电平的载波调制主要有5 种常见的方法。他们可以分为 载波移向法( p h a s es h i f t e dc a r r i e rp w m ) ，载波层叠法( c a r r i e rd i s p o s i t i o np w m ) ， 开关频率优化法( s w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m a lp w m ) ，阶梯波e p w m 法( l a d d e r w a v ee p w m ) ，分段载波层叠式p w m 法( c a r r i e rw a v ed i s p o s i t i o nm e t h o do f p a r t p w m ) t 1 】 【5 】 7 1 。其中，载波层叠控制法和开关频率优化法，既可用于二极管箝位 式电路和飞跨电容箝位式电路，也可以应用于具有独立直流电源的级联式电路， 而载波移相p w m 控制法则适合于级联式多电平逆变电路，阶梯波e p w m 法适 合于所有多电平逆变器【1 1 1 2 1 1 8 1 。由上可知，载波调制方法作为逆变器调制的基础 方式其优点简洁且容易实现，常用在电平数较多的调制中。本文就以常用的载波 层叠调制法为例，介绍这种调制方式。 典型的非载波的p w m 调制方法主要有消除特定谐波p w m ( s e l e c t e d h a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ) 法，电压空间矢量p w m ( s p a c ev e c t o rp w m ) 调制方法 等。s h e p w m 的调制方法是以消除输出电压波形中某些特定低次谐波为目标的 一种调制方法。由于此法具有能够消除任意次数的谐波，因此对输出电压和电流 的谐波含量可以变低而提高了直流利用率，使得波形质量好，降低了开关损耗。 但是缺点是数据计算量较大，不利于现场在线调试和实时计算运行【9 】【1 3 1 。s v p w m 是把逆变器与交流电机看成了一个整体来处理，所得开关模式方便，便于实时控 制，直流电压利用率高等优点。缺点在于此调制方法随着电平数的增多控制复杂 度增大，因此适合于五电平以下的逆变器控制【1 0 1 【1 2 1 。本文就重点研究这种调制 方式下的三电平逆变器。 1 2 3 中点平衡 箝位二极管多电平逆变电路拓扑存在中点电位的波动问题一直是近年来三 电平逆变器自身问题研究的热点之一。二极管箝位式多电平逆变器中存在中性 点，由于开关器件换流的影响，会造成中性点的电位偏移【”l 。从而造成两电容 上电压的不相等。如果不能很好的解决，那么三电平逆变器带来的优势则全部丧 失，更严重甚至带来系统不稳定等危害。所以，多电平逆变器的中点电位波动必 须加以抑制【。 为了抑制中点电位的波动，许多学者对中点电位平衡问题进行了研究，并提 出了多种控制方法。中点平衡的控制总体上分为硬件控制和软件控制两大类，文 献 1 9 】提出了一种控制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路设计的实现方法， 3 ( 1 ) 概述了三电平逆变器研究的发展概况，背景与意义，概述了多电平逆变 器的几种拓扑结构，对二极管箝位式三电平逆变器的控制现状做出了总结，并讨 论了三电平的中性点电位平衡问题以及它的研究现状。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 对三电平箝位二极管主电路拓扑结构与工作原理进行分析，研究基本的 载波p w m 调制技术，在掌握主电路开关工作顺序的基础上，对这种三电平电路 进行仿真研究。 ( 3 ) 引入空间矢量合成的概念，对空间矢量s v p w m 这种调制方式展开重点 研究，首先对三开关进行建模，得出基本空间电压矢量，然后对空间电压矢量调 制原理进行了详细的分析研究，为三电平空间电压矢量调制的算法提供了理论依 据，然后对其进行建模和仿真，仿真结果验证了这种算法的有效性。 ( 4 ) 针对当前三电平逆变器研究的热点问题一中点电位的平衡控制问题展 开了研究，分别从定性与定量的角度上对产生中点电位不平衡的原因进行了详细 的研究，然后针对目前提出的几种控制方法展开逐一的分析，最后提出一种经过 优化的中点平衡控制方案，并通过仿真来验证了这种控制方案的有效性。 ( 5 ) 设计了一套二极管箝位式三电平逆变器系统总体结构，并分别设计了其 硬件电路和软件控制策略。本文选取t m s 3 2 0 x 2 8 1 2 d s p 作为控制芯片，软件实 现上基于一种简化的载波调制算法对三电平逆变器的开关进行有效驱动，编程简 单，降低了系统成本。 ( 6 ) 总结全文，并对今后的研究工作提出几个方面的研究方向。 中南大学硕士学位论文第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 多电平逆变器的控制策略是和其电路结构与工作特点密切相关的，要研究三 电平的控制策略，首先要分析三电平的主电路拓扑工作原理。本章首先对三电平 箝位二极管主电路进行分析，研究基本的载波p w m 调制技术，最后在掌握主电 路开关工作顺序的基础上，对这种三电平电路的控制策略进行仿真研究。 2 1 三电平逆变器主电路工作分析 图2 1 二极管箝位式三电平逆变器主电路图 二极管箝位三电平逆变电路是众多多电平逆变电路中最简单最有实用意义 的一种电路，它属于电压型逆变器，图2 1 给出了它的拓扑结构图。从图2 1 可 以看出，以u 的相为例，三电平逆变器的一相由2 个直流分压电容c 1 和c 2 ，4 个主开关管t 1 t 4 ，4 个续流二极管d 1 d 4 和2 个筘位二极管d l 和d 2 组成【1 1 。 其中，电容c l 、c 2 在理想情况下上下电压相同，本论文中设电压值为e 9 2 。主 开关管和续流二极管都要承受相同的耐压等级。箝位二极管的作用是把桥臂上与 其相连接的点上的电压钳回到两电容中点的点位【1 1 。此外，图中o 点为直流侧中 性点，输出端，v ，与中性点o 之间的电压，就是逆变器三相输出的相电 压。所谓三电平就是指通过对每项四个开关管的控制就得到三种电平【l j 。下面就 对其工作原理进行详细讨论。 6 中南大学硕士学位论文第二章= 极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 2 1 1 主电路拓扑的工作原理 在图2 1 中，每相桥臂的输出相电压u ，相对于中性点o 来说都有三个不同 的电平，其中x 为呢，。以输出相电压为例，三电平逆变器先作为单 相逆变器来分析，则输出的三种电平主要是通过下面几种开关状态控制来得到的 【l 】【3 】 o ( 1 ) 当开关t l ，佗导通，t 3 ，t 4 关断时，输出端u 对中点o 电平是= 日2 。 如果此时电流为流入负载方向( 设为正方向，下同) ，则直流电源对电容c 1 充 电，电流方向是流过主管t 1 ，t 2 ，流向负载。如为反方向，电流流过续流二极 管d l ，d 2 ，流入电容c l 而进行充电； ( 2 ) 当开关t 2 ，t 3 导通，t l ，t 4 关断时，输出端u 对中点o 电平是眈= 0 。 如电流方向为正，则电流依次流过d l ，他，c 1 充电；如电流方向为负，电流依 次流过t 3 ，d 2 ，电源对电容c 2 充电； ( 3 ) 当开关t 3 ，t 4 导通，t 1 ，他关断时，分析完全和情况( 1 ) 一致，t 1 ，t 2 工作状态和t 3 ，t 4 互补。此时该相输出端电压是= 一e1 2 。 如果设l 为开关管导通状态，0 为开关管断开状态，把上述分析转换成图表 的形式更为直观，可以得到各相开关状态与输出电压关系，如表2 1 所示。 表2 1 开关状态与输出电压对应关系 通过图表可以看出，在三种不同的开关组合方式下，逆变器输出相电压有三 种表示方式：+ e j 2 ，0 ，e 以。而线电压由于是相电压所合成的，合成的输出线 电压为5 电平，详细的推导过程见后面的章节所述。此外，从上表还可以看出， t l 。t 3 管互补，t 2 ，t 4 管互补。 2 1 2 二极管箝位式逆变电路暂态换路分析 设t l 与伐导通时为p 状态；t 2 与t 3 导通时为o 状态，t 3 与t 4 导通时为 q 状态。下面以三电平逆变器p ，o 状态式之间的过渡过程为例来分析其动态工 作过程【2 9 1 。 ( 1 ) 从o 状态切换到p 状态 假设负载电流方向为正，初始状态o 为：t 2 、t 3 导通。电流经过o d 5 t 2 u 。 首先，如果瞬间断开t 3 ，则电路状态不发生变化，如图2 2 ( a ) 所示。然后，当主 管t 1 导通，电路瞬间形成o c 1 p t 1 d 5 o 的回路，主管t l 中电流增加。此时 电流也按方向o d 5 他u 流动。可以看出，筘位二极管d 5 既有正电流，又有负 7 中南大学硕士学位论文 第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 电流流入，换路电流占主导地位，当箝位二极管d 5 中电流逐步降为0 时，d 5 阻断，把与它相连的点箝到o 电位，避免了p 和o 的直通而烧毁直流侧电容。 此时t 1 流过全部负载电流，过渡过程结束，整个过渡过程如图2 2 ( b ) 所示。过 渡完毕后电流路径；x t 3 ：p t 1 1 r 2 u ，如图2 2 ( c ) 所示。如果电流流向为负，d 5 ，他 改为d 6 ，t 3 ，原理不变。不再复述。 p p p ( a )( b ) ( c ) 图2 2 状态0 到状态p 的过渡过程 ( 2 ) 从p 状态切换至o 状态 初始状态为主管t 1 、t 2 导通，p 电位输出到负载端。电流路径：p t 1 - t 2 - u ， 如图2 3 ( a ) 所示。首先当主管t 1 关断时，形成了o d 5 t 1 p c 1 一o 电位的换向回 路，当主管t 1 中电流降为0 而完全断开时，箝位二极管d 5 导通，流过全部负 载电流，过渡过程结束，如图2 3 ( b ) 所示。最后，电流流经：o d 5 他负载。直流 回路的o 电位通过箝位二极管d 5 、主管t 2 输出到负载端，如图2 3 ( c ) 所示。从 p 过渡到o 状态完毕。如果电流流向为负，换向电路为：o c 1 pd 1d 2 t 3 d 6 0 。 不再复述。 p 一一? p 一1p ( i ) ( b ) ( c ) 图2 3 状态p 到状态o 的过渡过程 除此之外，o ，q 之间的换路过程同上述过程完全相同，根据 8 对偶原理，略 中南大学硕士学位论文第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 述。此外通过上述讨论还可以看出，二极管箝位式三电平逆变器这种拓扑结构下， 他的电流流向正负均可，也即电流可以从直流侧流向负载，或者从负载流入直流 侧，这样来说三电平逆变器也是可以做到能量的双向流动的。 2 1 3 三电平逆变器的控制要求 三电平逆变器在调制策略的控制下按照上述工作原理正常工作，在实际实现 中，三电平逆变器有如下几点控制要求【1 】【3 1 2 9 1 ( 1 ) 为了保证电路中每个功率开关管处于断开状态下所承受的电压+ e d 2 ，每 相的电压不能在+ e 以和e d 2 之间直接变化，而一定要通过o 的过渡。 ( 2 ) 每相的四个开关管需要两两互补。以a 相桥臂为例来说明：开关管t 1 ， t 3 的开关控制信号必须互补，t 2 ，t 4 的开关控制信号也需互补的。 ( 3 ) 开关管的通断过程，必须遵守先断后通的原则，以防止烧坏主管。实际 使用中可以引入死区时间( d e a d t i m e ) 来避免同时开关。 ( 4 ) 在三电平电路正常工作的前提下，调制的脉冲波需有最小脉冲宽度和最 小间歇宽度的限制【2 9 】。 2 2 三电平逆变器载波p w m 调制方法的研究 三电平的拓扑结构是与载波调制紧密相联系的，通过研究载波调制原理，也 能更好的体会三电平逆变电路的优越性。众所周知，正弦波脉宽调制技术目前在 实际中已经得到非常普遍的应用。多电平逆变器的性能很大程度取决于所采用的 控制策略，基于载波的p w l v l 技术其最显著的优点在于实现的简单性，特别是当 电平数越高时，其优点更加明显【l 】。 目前，二极管箝位三电平逆变器典型的载波控制法主要是三角载波层叠法 ( c a r d e rd i s p o s i t i o np w l v l ) ，在实现方式上还可以派生出许多的种类，常用的调 制方法为载波反相层叠控制法与载波同相层叠法，下面就重点研究这种控制方 法。 2 2 1 载波层叠法调制原理 三电平逆变器的载波p w m 控制技术与两电平载波p w m 控制技术原理一 样，就是通过三角载波与正弦的调制波进行比较，用正弦波大于三角波的方式得 到逆变开关管的p w m 脉宽控制信号，由于这种控制法是以正弦波为调制波进行 的p w m 调制的故被称为正弦脉宽调制( s i n u s o i d ap w m ) 【1 1 根据两个三角载波的相位关系，三角载波可以分为载波反相层叠p w m 控制 法( 即两个三角载波的相位相反) 和载波同相层叠p w m 控制法( 即两个三角载 波的相位相同) 。以图2 1 所示的三相二极管三电平逆变器的a 相桥臂为例，其 载波反相层叠p w m 控制方法的工作波形如图2 4 所示。 9 中南大学硕士学位论文第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 图2 4 载波调制原理 载波反层叠调制算法采用同相位分布在纵坐标正、负半轴上的两列三角载波 与正弦调制波进行调制比较正半轴的三角载波与正弦调制波进行调制，生成互 补的两列控制脉冲，分别控制t 1 和t 3 ；负半轴载波也与正弦波进行调制，生成 互补的两列控制脉冲，控制t 2 和t 4 ，如图2 5 所示。用正弦波与三角波进行比 较，在正弦波瞬时值大于三角的部分产生输出电压的p w m 脉冲列，小于部分产 生输出电压的零脉冲，由于两列三角波是反相的，也就是说他们对称于横坐标轴， 因此通过正弦波与三角波进行比较产生的输出电压p w m 波形是正半周与副半 周相同的【1 1 。 从以上分析可知，一个桥臂中只能有两种独立的控制信号。t 1 和t 2 的驱动 控制信号是由两个同相位，同频率( f c ) ，同幅值( u c ) ，且对称分布的层叠式三 角载波和一个幅值为u s ，频率为f s 的正弦调制波进行比较得到的。在正弦波大 于三角波部分，产生导通相应开关管的驱动信号；小于部分产生关断相应开关管 的信号，此调制算法的优点是实现简单，输出电压波形好，缺点是推导输出电压 表示式困难【1 1 。如果三相二极管箝位三电平逆变器采用反相层叠式s p w m 控制， 各相的三角载波相同，各项的正弦调制波为【l 】： f 甜a s2 u , s i n 叫 u b $ = 以s i n ( c o , t + 2 7 r 3 ) ( 2 - 1 ) 【= 址s i n ( a ) , t 一2 x 3 ) 如果设e 为逆变器的直流电源电压，织为正弦调制波的角频率，u 。为正弦 调制波的幅值，定义调制度m = 玑2 虬，载波比f = z f , ，可以得到各项输出 的相电压表达式为【l j 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章= 极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 = 三尬s i n 啦罢。z 宝l , 2 , 一。盏。一口胛以( 蒯咖s i n 【( 村州吖】 “们= 三尬s ；n c 呼+ 等，景所萎，叫；毳，e 加以c ，州万，矧n c 聊f + 姒硝+ 等， = 三脚s ；玳吖一等，景喜叫。毛：t o o ，一g 加以c 朋m 万，豇n c 聊f + n ，c 咄一等， ( 2 - 2 ) 从上式可以看出，输出电压谐波的特点为：直流分量为零；基波为 ( 1 2 ) m e s i n c o t ；不含载波和载波谐波；只存在n 为奇数的载波上下边频载波， 后续的仿真章节，将会逐一验证三电平逆变器输出相电压的这些特点。 图2 5 载波反相层调制 载波同相层调制算法与上述原理完全一致，区别在于上下两个三角载波为同 相位，如图2 6 所示。由于其输出电压推导式复杂，而且旨在与研究三电平这种 拓扑结构的优越性，因此本文仅给出一相的输出相电压表达式后在后面的章节中 对仿真结果做出定性的分析i l 】。 = 扣叫+ 等喜知h c 删c o s 删 亿3 1 + 去量磊，。j , ( m m 咖m 【( 村相脚】 _ i ：式- i v a 看出，载波同向层调试下的输出相电压的特点为：直流分量为零； 基波为( 1 2 ) 施s i i l q f ；含载波和奇次载波谐波；存在m 为偶数且n 为奇数的载 波上下边频载波。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 f u s i n o = 警- a , + o 吃 【玩+ a s - - - 1 1 4 = 2 m s i n 0 【吐= l - 2 m s i n 0 在a 相正弦调制信号波负半周期内， j u s i n 0 = 0 儡一争嗄 【盔+ a s = 1 f 4 = l + 2 m s i n 0 【吐= - 2 m s i n 0 其中，瓷= m 为调制幅度。 式( 2 9 ) 就是求得的a 相开关的占空比。 2 3 二极管箝位式逆变器的仿真研究 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 美国m a t hw o r k s 公司早在1 9 6 7 年就推出了矩阵实验室“m a t r i xl a b o r a t o r y ”， 这就是m a t l a b 最早的雏形，它早期主要用于现代控制系统领域中对复杂的矩 阵、向量的各种运算，是一种集数学计算，分析，算法开发与发布等于一体的软 件平台，随着功能的不断扩展，现在的电气系统也能通过m a t l a b 软件进行建 模仿真【3 2 1 。由于其强大的实时计算能力，本文就选用该软件作为三电平逆变器 的仿真软件。 s i m u l i n k 是一个对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包，实现了可 视化建模和多种环境间的文件共享与数据交换。s i m u l i n k 允许用户根据需要 建立自己的仿真模块，大大拓宽了软件应用，也为用户进行电气系统的仿真提供 了极大的便利。s i m u l i n k 中的“电气系统模块工具箱，( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) ， 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的模型，在电力 电子电路和电力拖动控制系统的仿真中将主要使用该库的模型【3 3 l 。因此接下来 我们就采用s i m u l l n k 模块对三电平电路进行仿真。 2 3 1 主电路的仿真 为了深入研究三电平箝位二极管主电路开关管的工作过程，了解各个开关管 中南大学硕士学位论文 第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 的电压电流变化情况，以便后续章节对其调制策略的研究，对其进行建模仿真。 本节研究的重点是主电路拓扑结构，为了便于分析，本小节仿真开关都用理想开 关，采用s i m u l i n k 模块中的s p w m 生成模块，调制度为0 。8 ，开关频率设为 1 0 k h z ，调制周期为5 0 h z ，带1 0 0 h m ，4 m h 的感性负载，直流端电压为4 0 0 v 。 设图中每个器件符号都与图2 1 一致。 图2 7 主电路仿真图 图2 8a 相各开关器件的电流波形 以a 相为例，图2 8 为各功率管电流波形图。从上到下分别为t 1 t 4 ，d 1 ，d 2 。 以一个调制周期的前半周期为例，分析各个器件的电流变化。在前0 0 1 s 内，开 关管是p 状态与o 状态的切换。由上节可知，t 1 ，他导通，t 3 ，t 4 关断为p ， t 2 ，t 3 导通，t 1 ，t 4 关断为o ；由此可见，在此时间段内，t l 在开关周期内 按照导通脉冲开通关断，他则是维持导通状态不变并且直接连接到感性负载端， t 3 关断对电路不会造成影响，t 4 为断开状态。在这种调制策略下，开关次数是 不同的。值得注意的是，在p 与o 切换时，实质就是二极管d 1 与t l 的交替导 通电流。因此，他们的电流波形图是互补的。其中，由于所接负载为感性负载， 则t 2 电流变化规律与负载相电流一致，滤波后曲线平滑：由于t 1 的交替导通 作用，其电流曲线为t 2 的包络线。d 1 与t 1 互补。接下来的后半个调制周期内， o 与q 切换，原理相同，略述。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章二极管箝位式三电平逆变器主电路的研究 图2 9 a 相各开关管两端的电压 各个器件所承受的电压如图2 9 所示。从上到下分别为t 1 ，t 2 ，t 3 ，t 4 ， d 1 ，d 2 的电压。其中，t 1 与t 2 互补，t 3 与t 4 互补，d 1 ，d 2 承受反相电压， 体现了筘位作用。一共有3 种电位，分别为2 0 0 ，0 ，2 0 0 。 由以上分析可以得出：在相同电压等级下，三电平逆变