（控制科学与工程专业论文）基于空间矢量控制的三电平逆变器的研究.pdf

摘要 我国的中高压大容量电机耗能严重，对其采用变频调速等技术的节能改造将带来可 观的经济和社会效益。但目前国内在这一领域的研究尚处于起步阶段，还未构建出完善 的系统理论，开发出性能优越的市场产品。因此，研究适用于中高压大容量电能变换用 的相关设备和技术，具有重要的现实意义和研究价值。 多电平逆变器一直是当前中高压大容量电能变换领域中的研究热点之一，它通过对 直流侧的分压和开关状态的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，能有效地提高逆变 器系统容量和耐压水平、减小输出电压谐波和开关损耗。鉴于多电平逆变器多样化的拓 扑结构和控制策略，本课题选取目前广泛应用的二极管箝位型( n p c ) 三电平逆变器为 研究对象，控制策略采用空间矢量p w m ( s v p w m ) 的方法。 论文依次介绍了有关多电平逆变器的相关理论、二极管箝位型( n p c ) 三电平逆变 器的工作原理以及设计采用的s v p v v 2 v l 调制算法，另外还分析了中点电压不平衡的相关 问题。在此基础上，阐述了调制算法的m a t l a b 仿真过程，结果证明设计的算法能够产 生预期的输出电压波形，中点电压的控制效果也很明显，满足设计要求。 在对三电平逆变器的空间矢量控制进行了理论分析与仿真实现之后，课题构建了一 套三电平逆变器的控制系统，将理论应用于实际。系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控 制核心，选用合适的电力电子器件搭建二极管箝位型( n p c ) 三电平逆变器的主电路、 功率开关器件的隔离驱动电路、缓冲电路、信号检测电路和滤波电路等。整个系统的开 发包括硬件电路的绘图、制版、焊接以及调试，还涉及采用s v p w m 调制算法的d s p 控 制软件的编写等环节。 通过实验波形和数据的分析，证明课题设计的基于三电平逆变器的s v p w m 控制策 略正确，能有效改善输出电压波形。 关键词：空间矢量控制，三电平逆变器，d s p r e s e a r c ho nt hr e e - l e v e li n v e r t e rb a s e do ns p a c e - v e c t o rc o n t r o l a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nm u c hc o n s u m p t i o no fh i g h - v o l t a g ea n dc a p a c i t y e l e c t r i c a le n e r g yi n c h i n a ，s ov v v fw i l lb r i n gc o n s i d e r a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s h o w e v e r ，t h ec u 盯e n t d o m e s t i cr e s e a r c hi ss t i l ln o tm a t u r ei nt h i sa r e a t h e r eh a sn o tas o u n ds y s t e mt h e o r ya n d s u p e r i o rm a r k e tp r o d u c t s t h e r e f o r e ，t h es t u d yw h i c ha p p l i e st ot h er e l e v a n te q u i p m e n ta n d t e c h n o l o g yi so fg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hv a l u e m u l t i - l e v e li n v e r t e rh a sb e e no n eo ft h er e s e a r c hf o c u st o p i c si nt h ef i e l do f h i g h v o l t a g e a n dc a p a c i t ye l e c t r i c a le n e r g y t h r o u g h d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fs w i t c h e s ，m u l t i 1 e v e ll a d d e r w i v eo u t p u tv o l t a g ec a n e f f e c t i v e l yi m p r o v ec a p a c i t ya n dv o l t a g ep r e s s u r el e v e l so fi 】1 v e r t e r s 。 r e d u c et h e o u t p u tv o l t a g eh a r m o n i ca n ds w i t c h i n gl o s s e s b e c a u s et h e r ea r es o m a n y t o p o l o g i e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fm u l t i - l e v e li n v e r t e r t h ed i o d ec l a m p t y p et b r e e 1 e v e l i n v e r t e r ( n p c ) i ss t u d i e da n ds p a c e - v e c t o rp w m ( s v p w m ) i s a n a l y z e di nt h i st h e s i s t h er e l e v a n t t h e o r yo fm u l t i - l e v e li n v e r t e r ，i nt u r nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd i o d e c l a m p 。t y p et h r e e _ l e v e li n v e r t e r , s v p w mm o d u l a t i o na l g o r i t h m ，t h e p r o b l e m sa n dt 1 1 e i r s o l u t i o n sa p p r o a c ha b o u tn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li m b a l a n c ea r ep r e s e n t e d o na b o v eb a s i s m a t l a bw a su s e dt os i m u l a t et or e a l i z et h ed e s i g n s t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ea l g o n t l u _ n d e s i g n e dc a np r o d u c et h ed e s i r e do u t p u tv o l t a g ew a v e f o r ma n dt h ec o n t r o le f i f e c to fn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a li sv e r yo b v i o u s t h r o u g ht h e o r e t i c a ls t u d yi nt h er e a l i z a t i o no ft h et h r e e 1 e v e li n v e r t e rw i t hs p a c e v e c t o r c o n t r o l c o n t r o ls y s t e mf o ra cm o t o rh a sb e e nc o n s t r u c t e d d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) w a s t h ec o n t r o lc e n t e ro ft h es y s t e m m a n y a p p r o p r i a t ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa r eu s e dt os e tu p t h eh a r d w a r ec i r c u i t sw h i c hc o n t a i nt h em a i nc i r c u i t ，d r i v e r c i r c u i t ，s n u b b e rc i r c u i ta n ds oo n a l ls y s t e mi n c l u d e sn o to n l yd r a w i n g ，p c b ，w e l d i n go ft h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，b u ta l s ot h e t h e o r e t i c a ls t u d yo fs p a c e v e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g yf o rd s pc o n t r o ls o f i w a r e a tl a s t i t r e a l i z e st h ec i r c u i tc o n t r 0 1 t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t sw a v e f o r ma n dd a t a ，i tp r o v a st h a tt h ed e s i g nf o r t h r e e - l e v e li n v e r t e rw i t hs v p w m c o n t r o ls t r a t e g yi sc o r r e c t ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o m i sm o r ea p p r o a c h i n gas i n ew a v e k e yw o r d s ：s p a c e - v e c t o rp w m ，t h r e e 1 e v e li n v e r t e r ，d s p 独创性声明和使用授权书格式 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：拯鹫。盏。 日期：加。易年乡月e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 幽蓥，薹。 指导教师签名： 日期：加d g 年多月6 日 日期：j - - 9 , 年6 月6 日 中国石油大学( 华东) 硕l 二学位论文 第1 章绪论 进入二十一世纪，随着经济发展的不断加速，能源的短缺问题已经成为制约世界各 国经济发展的首要问题。人们关注的不仅仅是对新能源的勘探与丌发，更重要的是对现 有能源的有效利用。这些问题不单关系着国计民生，也关系着人类社会的可持续发展。 需要社会各界，尤其是科研工作者的深入研究。 中国作为发展中国家的代表，其能源工业一直是国民经济的基础。在改革开放走过 的3 0 个年头里，中国的经济增长不断面临能源短缺的压力。有资料表明，受资金、技 术、能源价格的影响，中国的能源利用率比发达国家低很多。上世纪9 0 年代，中国高 耗能产品的耗能量比发达国家高1 2 一5 5 左右，9 0 以上的能源在开采、加工转换、 储运和终端利用过程中损失和浪费n 1 。过去我们一直都以国土资源丰富为豪，但随着对 能源不加节制、不采取任何节能措施的利用，势必会使我们的能源快速枯竭，最终回到 “一穷二白”的境地。 由此可见，对能源的有效利用十分重要，相关节能技术的研发已显得迫在眉睫。目 前，在电力、化工、供水、冶金等行业广泛应用的6 k v 1 0 k v 高压电机，其容量一般达几 百到几千k v a ，消耗电功率约占我国发电功率的3 0 ，对它们进行节能改造，挖掘潜 力巨大。现场实验表明，采用高压变频技术，可有效地节约电能( 对风机和水泵类负载， 节电率在4 0 左右) ，改善电机寿命，提高产品质量。但因为受功率器件耐压水平和载 流能力的限制，传统两电平逆变器难以满足高压大功率电能变换的要求。相比之下，多 电平逆变器及其相关技术有着诸多显著的优点，已被公认在高压大容量电能变换领域中 有着广阔的应用前景，具有较高的研究价值。 1 1 功率变换装置 近年来，以1 g b t ( i n s u l a t e dg r i db i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘栅双极晶体管) 、i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ，集成门极换流晶闸管) 等为代表的一批复合型 电力电子器件发展迅速。它们所具有的高频、高效( 低开关损耗) 、高功率因数、高功 率密度( 组合集成化) 、适用于高压大功率等优点正日益显现。而由此所带动的高频p w m ( 脉冲宽度调制) 技术、谐振软开关技术及全数字化控制技术等，也进一步促进了多电 平逆变器在各种电力电子技术及电机调速系统中的应用。要了解多电平逆变器，首先要 了解功率变换装置的发展历程。 第l 章绪论 功率变换装置的分类如图1 1 所示1 。根据有无中间直流环节，可将交流功率变换 装置分为交一交变频和交一直一交变频两种形式。交一直一交变频存在着中间直流储能 环节，根据所用储能元件性质的不同，交一直一交逆变器又可分为电流型和电压型两种。 对于高压多电平逆变器来说，从电压输出方式来看，可分为“高一高 直接变频和“高 一低一高”间接变频两种形式。不同形式的适当组合就构成了各种类型的逆变器。 功率变换 三：三二 图1 - 1 功率变换装置分支图 f i 9 1 - 1 p o w e re o n v e r t e rb i f u r c a t i o nd i a g r a m 1 1 1 传统的大功率变换装置 1 普通三相逆变器 通常也称两电平逆变器，这种逆变器的拓扑结构比较简单。为了获得大功率只能依 靠器件的串并联来实现，而这将会给开关器件带来静态均压、动态均压、均流等一系列 问题。技术上的不确定因素多、可靠性不高，而且由于输出只有两个电平，电压波动大， 容易产生较大谐波。 2 降压一普通变频一升压电路 这种结构两侧均需要大型变压器，体积大、成本高，变频部分一般采用交一直一交 结构，在输出频率较低的情况下，输出变压器的体积会很大，虽然控制较为简单，但性 能不理想。 3 变压器耦合的多脉冲逆变器 对变压器耦合的多脉冲逆变器来说，要获得多电平只须将每相所串联的单元逆变桥 同等数目的增加即可。这种结构的特点在于不存在电压均衡问题，即不受箝位二极管或 电容的限制，可实现更多电平，施加更高电压，产生更低的谐波。就相同电平数而言， 所需器件数目最少，且控制方法相对简单，可分别对每一级进行p w m 控制，然后进行 2 两管箝逆 逦极容元 ( l t j 一 刺 腓 麟 礅 嫩 c 型一一 型 压交 武 叫爨一 高 中传 矧 l l l l 中国石油大学( 华东) 硕一l j 学位论文 波形重组。但这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。 4 交一交变频电路 普通两电平逆变器直流侧电压通常由交流电源整流获得，存在直流环节，导致变频 效率不高和主电路相对复杂等问题。而交一交变频可省去中间直流环节，因此装备体积 小、重量轻，一次功率变换效率高。但是传统交一交变频输出频率低，最高输出频率一 般为输入频率的1 3 - - - 1 2 ，通常仅适用于低频场合，而矩阵式交一交变频，目前也仍处 于研究阶段。 1 1 2 新型的多电平逆变器 半导体开关器件是构成逆变器的基础，但任何一种器件所能承受的电压、电流和自 身的开关频率都是在一定范围之内的。因此为了满足高电压、大容量的需求，逆变器通 常会采用多电平的拓扑结构。随着电力半导体器件的快速发展和对中高压大容量逆变器 需求的不断增大，多电平逆变器应运而生。 传统的逆变器在大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器。为 了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应高电压的 要求，须采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。为此，德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年提出了三电平逆变器的主电路及其控制方案，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中 点箝位。1 9 8 1 年，日本长冈科技大学的南波江章( a n a b a e ) 等人在此基础上继续发展， 将辅助开关管变成一对二极管，分别与上、下桥臂串联的主开关管中点相连，辅助中点 箝位。该电路更易于控制，且主开关管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此也更为 实用。多电平逆变器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在 得到高质量输出波形的同时，克服了两电平逆变器的诸多缺点。其主要优点是：输出电 平数多，输出电压的谐波含量低；器件开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无须动 态均压。因此，自上世纪8 0 年代以来，多电平逆变器被广泛应用于高压大容量电能变换 领域。 1 2 高压变频技术 高压变频器以高压大容量电力电子器件为基础，微电子控制技术为核心。近年来， 由于新型电力电子器件性能的提高，计算机技术的发展( 由1 6 位机发展到3 2 位机) ， d s p ( 数字信号处理器d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的诞生，以及矢量控制思想的提出和发 3 第1 章绪论 展( 如磁场定向矢量控制、直接转矩控制) 等原因，极大地提高了变频调速的技术性能， 促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、 输出性能、功率因数、运行效率以及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速 方式，其性能指标也已超过了直流调速系统。但目前的高压变频器不像低压变频器一样 具有成熟且一致性的主电路拓扑结构，限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛 盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构，以适应 不同的电压等级和各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异 1 2 o 上世纪末以前，国内的高压大功率变频器都采用国外进口品牌。如美国罗克韦尔公 司的p o w e rf l e x t m 7 0 0 0 高压变频器，它是最早进入我国火电厂节能改造工程的产品之 一，采用s g c t ( s y m m e t r i cg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ，对称门极换流晶闸管) 功率器 件串联的交一直一交电流源型变频器，与电动机的特性有关，调试比较困难，且d v d t 较 大，对电机的绝缘影响较大。美国罗宾康( r o b i c o n ) 公司的单元串联多电平变频器， 采用i g b t 功率器件，也是进入我国较早，且使用最多的产品之一。它的优点是电压电 流波形好，谐波含量小，对电动机影响小。欧洲a b b 公司的a c s l 0 0 0 高压变频器，是 采用i g c t 器件的三电平变频器，最高电压到4 。1 6 k v 。但应用在我国6 k v 高压电机上， 须进行星一三角改接，不利于进行工频旁路切换，限制了它在我国火电厂的使用。德国 西门子公司的s i m o v e r t m v 系列高压变频器，采用的是高一低一高方式，其核心的逆 变器是采用i g b t 器件的三电平逆变器，输出电压为2 3 k v ，通过一个“集成升压滤波 器”将电压升到6 k v ，并兼有滤波作用，也是进入我国较早的产品之一。另外还有法国 阿尔斯通公司的a l s p ac d m 6 0 0 0 系列高压变频器，是采用i g b t 器件的飞跨电容型四 电平变频器，可实现四象限运行，输出波形较好，谐波含量和d r d r 较小，在冶金、矿 山使用较多。国外产品的共性是质量好，可靠性高，但价格昂贵，且对我国电网的适应 能力差，售后服务及配件供应不及时。 进入新世纪以来，国产高压变频器企业迅速崛起，并以惊人的速度占领市场。北京 利德华福公司的高压变频器销售业绩，到2 0 0 6 年6 月份已突破6 0 0 台( 套) 。还有成 都东方日立( 原东方凯奇) 公司、北京合康亿盛公司、山东新风光公司、成都佳灵公司、 中山明扬公司、哈尔滨九洲公司、广州智光公司、上海科达公司、深圳的微能科技和康 沃公司等也都先后进入这一领域，并且必然会有更多的企业加入进来。这将对我国高压 变频器品牌占领国内市场起到积极的作用，并为我国创建节约型社会送来强劲的东风。 4 中固石油火学( 华东) 硕t ：学位论文 截止2 0 0 6 年底，全国电动机装机总容量已达4 亿多k w ，其中风机、水泵、压缩机 ( 接近5 0 为中高压电机) 的年耗电量达8 0 0 0 亿k w h ，占全国总用电量的4 0 左右， 而至今仅有约5 左右的风机、水泵、压缩机等采用了节能调速运行。这说明国内潜在 着巨大的中高压大功率变频设备开发的市场。世界知名电气公司不惜余力的开拓市场， 国内品牌企业的迅速崛起，都是瞄准了这一领域的巨大商机。国家计委预计在今后十五 年内，我国变频器总需求的投资额在5 0 0 亿元以上，而其中6 0 - - - , 7 0 是中高压大功率 变频器。 根据我国高压变频技术应用的现状来看，有其特殊性，归纳起来有以下几点： 1 行业性强。主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在工业用电中 石油、煤炭等能源行业耗电占2 2 3 4 ；化工占1 4 7 3 ；冶金占1 4 1 8 ；机械建材占 1 0 9 6 ；供水占1 0 5 3 乜1 。 2 应用单位多为国有控股企业，对高压变频产品的定购、使用、改造等环节决策周期长， 受政策导向、物价水平与国际市场波动等因素的影响多。 3 各类负载工况差异大，缺乏实际开发利用经验。目前全国各行业中，只有少数企业的 高压电机使用了变频调速技术，市场空白点多，存在巨大的开发空间。 总的来看，我国的高压变频产业无论是从产品的市场开发还是相关技术的研究利 用，都面临着新的契机，科研工作者应该高瞻远瞩、审时度势的开展相关的研究工作， 把握时机，占领这一阵地。 1 3 三电平逆变器的国内外研究现状与发展趋势 本课题所研究的三电平逆变器属于电压型逆变器，它是多电平逆变器中比较具有实 用意义的一种电路。当前，国内外对三电平逆变器研究的焦点主要集中在以下几个方面： 1 优化开关矢量，限制最大开关频率，减少输出谐波，考虑最小导通脉冲宽度限制，减 少它对系统的影响。 2 在高压大功率场合，实现四象限运行，提高功率因数，降低谐波对电网的污染。 3 控制中点电压，限制中点电压浮动的范围，避免系统工作异常及电位漂移过多而击穿 开关器件。 三电平逆变器的各种拓扑结构都有着多电平逆变器共同的特点，适用于高电压、大 容量的变频场合。具有开关损耗低，效率高，受电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e m i ) 的影响小等优点，另外波形的台阶数增加，使得谐波含量低，波形质 5 第1 章绪论 量提高。因此，三电平逆变器在工业生产领域得到了广泛的应用，其主要应用领域有心1 ： 1 高压大容量变频调速技术。日本三菱公司研制的容量8 0 m w ，应用于轧钢的双p w m 高 频整流逆变调速系统，很容易实现四象限运行，整流器输入侧电流波形即使在开关频 率较低时也能保证一定的正弦度。另外，还可以向电网输出超前无功，校正电网功率因 数，在同样的开关频率及控制方式下，它的谐波电流总畸变率t h d i 要大大小于两电平 整流器。 为加速我国自己的高端中高压变频调速装置的发展，2 0 0 1 年1 0 月清华大学电机系与 国电南京自动化股份有限公司联合成立了清华南自电力电子应用技术联合研究所，专门 针对高压大容量三电平n p c 变频调速系统进行了研制。2 0 0 4 年研制出基于i g c t 的二极管 箝位型6 k v 5 5 0 1 2 5 0 k w 三电平变频器样机，2 0 0 5 年实现了现场长期无故障满载运行， 2 0 0 6 年通过了国家级技术检测部门的全部形式试验和部委级的产品技术鉴定，目前己全 面走向市场。 2 高压直流输电( h 、，d c t ) 。整流侧采用与逆变侧相同的三电平结构，即三电平电压 源型换流器( v s c ) ，可实现远距离高压直流输电( 跨地域输电) 以及非周期输电( 非 同步) 。因为直流输电节省金属材料的用量( 少一根输电线) ，其所构成的特大功率输 出电压的相位和幅值便于调节与控制，且输出电压的谐波含量低，具有很高的可靠性， 加上模块化的设计，结构简单，所以高压直流输电优于交流输电。如巴西伊泰普h v d c t 工程运行电压最高6 0 0 k v ，输送功率为3 15 0 m w ，线路长8 0 0 k m ，这也代表了当今h v d c t 的最高水平。鉴于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡，发展h v d c t 显得非 常重要。在葛洲坝一上海南桥5 0 0 k v 、12 0 0 k m 输电工程中也应用了该项技术。 3 电能质量的综合治理。因为三电平逆变器的单相桥臂能输出三种电平( + v d 9 2 、0 、 一v d d 2 ) ，因此输出线( 相) 电压具有更多的阶梯能更好的来模拟正弦波，使得输出波 形的失真度和谐波都大为减少，且能产生3 3 = 2 7 种空间电压矢量，较传统两电平逆变器 产生的8 种空间电压矢量大为增加。矢量的增多带来谐波消除算法的自由度，可得到更 好的输出波形。系统中的谐波和电压不平衡问题由电力有源滤波器和动态电压补偿器来 联合消除。在中、高电压等级的电能质量综合治理中，采用级联型变流器作为主电路是 具有理论基础和实践意义的。 综上所述，三电平逆变器的应用前景广阔，有关其未来的发展问题也备受各方关注， 大致集中在以下几个方面： 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 新型的拓扑结构。基于双p w m 能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的发展趋势， 一方面使交流输入电流波形为正弦，且功率因数为1 ；另一方面实现能量向电网回馈， 保证变频器四象限运行。除此之外，p w m 整流电路还有助于减小直流环节滤波电容的 容量。随着电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降，这种结构会得到广泛地 推广和应用。另外三电平逆变器的高压大容量的特点，客观上决定了主电路由较多的开 关器件组成，主电路构成器件的增加为拓扑结构的变化提供了可能。通过人们对功率变 换规律进一步的认识，将会出现更新、更好的电路拓扑结构，从而引发三电平逆变器的 更大发展。 2 高压、大电流功率器件技术的发展。i g b t 变频器虽然在一段时间内仍将是电气传动 领域的主导变频器，但未来i p m 及智能化变频器将会有很大的发展。功率变换、驱动、 检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化，实现了高效节能、 多功能、高性能、高附加值，同时以新型电力电子器件i g c t 、i e g t ( 集成发射式门极 晶闸管i n t e g r a t e de m i tg a t et h y r i s t o r ) 、g a a s ( 砷化镓) 、s i c ( 碳化硅复合器件) 、 光控i g b t 及超导功率器件等为代表的新功能变频器也将出现。 3 控制策略和控制方法方面的进展。三电平逆变器中主开关器件的增加，导致了控制策 略的多样化，找到简单、可靠、适用的控制策略是中高压变频技术的关键技术之一；另 一方面，研究控制方法，找到和每一种主电路拓扑结构、控制策略相对应的符合电动机 特性的性能优良、可靠性高的先进控制方法，是最终实现高性能调速的必然要求。 4 电压、电流的检测与检测信号的传输。中高压变频器中的电压很高，若因某种原因在 控制电路中错误地引入高压，则会对系统甚至人身安全造成巨大危险。光学电压、电流 传感器具有线性度好、运行安全、绝缘性能好、体积小、成本低、抗电磁干扰能力强、 频带宽、交直流均可测量等优点，是目前的一个研究热点。利用光学传感器进行电量测 量，利用光纤进行检测信号的传输，在解决高压系统的安全和强电磁环境的干扰问题方 面有独到之处。国外在这方面的研究工作已进行了几年，已经达到实用化和商品化阶段。 1 4 课题研究的意义和内容 通过以上分析，节能降耗的意义以及多电平逆变器在这一过程中所起的重要作用都 已显现出来。所以研究性能可靠、价格低廉的高压大容量的多电平逆变器具有很强的现 实意义。而鉴于电力拖动、电力系统自动化等多个领域目前都有大功率电力电子技术的 应用背景，课题的研究也带有一定的普遍意义。 7 第l 章绪论 下面简要概括一下本课题的研究内容： 1 基于空间矢量控制技术的三电平逆变器的基本原理与控制方法： 2 在上一步的基础上，设计出空间矢量控制( s v p w m ) 的调制策略，并通过仿真验证 其正确性； 3 鉴于三电平逆变器存在的中点电压不平衡的问题，分析产生的原因，并在此基础上研 究抑制中点电压不平衡的方法； 4 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 作控制核心，搭建三电平逆变器的硬件电路，通过实验验 证空间矢量控制对输出电压波形进行优化的有效性。 基于上述内容，论文的第2 章详细论述了多电平逆变器的拓扑结构与控制策略。第3 章对基于空间矢量控制技术的三电平逆变器的基本原理、控制方法进行了分析，并总结 了仿真研究的过程和结果。在这一章还简要介绍了中点不平衡问题的产生原因、解决办 法以及国内外的研究现状。第4 章介绍了自制的以d s p 为控制核心的三电平逆变器实验 系统的硬件组成。第5 章叙述了空间矢量( s v p w m ) 控制策略在d s p 中的设计流程与编 程实现。第6 章介绍了实验装置和实验结果，通过对实验结果的分析证明课题设计的实 验方法是行之有效的。最后在结论中，总结了课题所做的各项工作，并对下一步工作提 出了展望。 8 中国石油大学( 华东) 硕。 j 学位论文 第2 章多电平逆变器的拓扑结构和控制策略 2 1 多电平逆变器的拓扑结构 多电平逆变器的电路拓扑结构种类繁多，按照电压箝位方式主要可以分为以下两大 类： 1 使用无源器件。如：二极管或电容箝位的多电平逆变器拓扑结构，包括二极管箝位型、 飞跨电容型两种； 2 使用独立直流电源。如：具有独立直流电源的级联型和混合级联型两种。 2 1 1 二极管箝位型多电平逆变器嘲 二极管箝位型多电平逆变器电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行 箝位，同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。二极管箝位型多电平逆变器拓扑 结构如图2 1 所示( 图中只给出了一相，其余两相与之相同) 。 v v ( a ) 三电平( t h r e e - l e v e l )( b ) 五电平( f i v e - l e v e l ) 图2 1 二极管箝位型逆变器的拓扑结构 f i 9 2 - 1t o p o l o g yo fn p ci n v e r t e r 从拓扑结构上来看，二极管箝位型多电平逆变器通过直流侧的大电容进行分压。对 于n 电平电路，直流侧需( n 1 ) 个分压电容，能输出n 电平的相电压，线电压为( 2 n 1 ) 电平。此外，每相还有( 2 n 4 ) 个箱位二极管和( 2 n 2 ) 个主开关管。 表2 1 和表2 2 分别给出了二极管箝位型三电平和五电平逆变器的开关状态和输出相 电压之间的对应关系。当按照表中的规律有选择地进行开关动作时，就可以输出具有n 电平的相电压波形。 9 辩2 多i u l f 逆变# 的拓扑镕构 控制i 表2 1 三电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e2 4 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e no n o f f s t a t ea n dn h a 蜘v o l t a g e o f t h r e e - l e v e l i n v e r t e r 相电止 i + v d 2 0 o 0 1 _ 一v d 9 n 表2 4 五电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e2 - 2 r e l a t i o n s h i p b e t w e e no n o f fs t a t ea n d p h a s e v o l t a g e o f f i v e - l e v e l i n v e r t e r t 】 1 2 t 3t 4 t 5 1 6 t 7t 8 相电压 鞫鞘黼蕊妇酝目啦蒯i蕊鳓 0 000 v 以 o 嚣徽i誊鬻露瓣鼎硝黼 00 0 甜4 001 、r ”1 州。f j r “oo 00o 缵继鲤耀蠼趱骥暾暾 叫耐4 o0 0 疆疆圜强勰疆疆嚣掰蕊 一v m 陀 二极管箝位型逆变器具有输出功率大、器件开关频率低、等效开关频率商、交流侧 不需要连接变压器、动态响应好、传输带较宽等多重优点。但缺点也比较明显，体现在： 1 箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大。这不但大大提高了成本，而且会在线路安装 方面造成相当的困难，因此在实际应用中最多限于7 电平或9 电平逆变器。 2 开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关器件和靠近输出侧的开关器件的导通负 荷不一致，这样就导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的 情况设计器件的电流等级，则每相有2 ( n 2 ) 个外层器件的电流等级过大造成浪费。 3 在逆变器进行有功功率传送时，直流侧各电容的充放电时间不同，造成电容电压不平 衡从而导致输出电压的畸变，甚至得不到期望的多电平输出，增加了系统动态控制的 难度。 21 2 飞跨电容型多电平逆变器 飞跨电容型多电平逆变器是1 9 9 2 年由t a m e y n a r d l d hf o c h 提出来的，其拓扑结构 如图2 2 所示( 图中只给出了一相，其余两相与之帽同) 。 通过图2 2 2 5 5 , 看- 出，e 跨电容型多电、f 逆娈器的主电路只是用飞跨电容取代箝位 二极管，因此其工作原理与二极管箝位电路相似，这种拓扑结构虽然舍去了大量的箝位 二极管，但又引入了许多电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。不过 在电压合成方面，由于电容的引入，开关状态的选择更加灵活，使电压合成的选择增多， 中国石油人学( 华东) 硕j j 学位论文 通过在同一电平上不同开关状态的组合， 型多电平逆变器的电平合成自由度和 灵活性高于二极管箝位型多电平逆变 器，其优点是开关方式灵活、对功率器 件的保护能力较强，既能控制有功功 率，又能控制无功功率，适合高压直流 输电系统等。但其控制方法非常复杂， 主要缺点体现在： 1 需要大量箝位电容。一个n 电平的飞 可使电容电压保持均衡。由此可知，飞跨电容 v h 鼍7 ；只一 v _ 凹 下7 q 0 图2 - 2 飞跨电容型多电平逆变器的拓扑结构 l 强9 2 - 2t o p o l o g yo ff l y i n gc a p a c i t o ri n v e r t e r 跨电容型逆变器，每相桥臂需( n 1 ) ( n 2 ) 2 个箝位电容，直流侧需( n 1 ) 个分压 电容。 2 大量电容的使用不仅使系统的成本增高，也使产品的封装困难。 3 控制方法复杂，实现困难，且存在电容电压不平衡的问题。 4 飞跨电容型逆变器和二极管箝位型逆变器一样，也存在着开关器件的导通负荷不一致 的问题。 表2 3 和2 4 分别为飞跨电容型三电平及五电平逆变器的开关状态和输出相电压之间 的对应关系。 表2 - 3 飞跨电容型三电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e2 - 3 r e l a t i o n s h i pb e t w e e no n o f fs t a t ea n dp h a s ev o l t a g eo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r t 1t 2t 3t 4 相电压 l1 一，0o v d c 2 101o o 01o1 oo 11 一v d c 2 表2 - 4 飞跨电容型五电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e2 4 r e l a t i o n s h i pb e t w e e no n o f fs t a t ea n dp h a s ev o l t a g eo ff i v e - l e v e li n v e r t e r t 1t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8 相电压 11110o00 v d 。2 1 11 01o00 llo1o1oo v d c 4 1o11o010 0111ooo1 2 # 多r p _ p 逆娈# * 卜结构l 拧制* 岵 表2 4 飞跨电容型五电平逆变器开关状奋与输出相电压的关系( 续) p t 2 相电压 1 0 0l0 0 1o1l ：r o r ! 。 i 0 0 。3 函矗芸 1 z 1 ：臻；土薹； j 磺孵髁骥 嘤爨 oh 麟 v d 水 翟錾鬻麓 om 弹。 蜷 o 瓣戮迪藤# 繇：撼善 0艟二?习碍pl 疗譬l ：? 一v d 。2 213 具有独立直流电源的级联型多电平逆变器 这是一种较为新颖的多电平逆变器拓扑结构，简称级联型多电平逆变器。采用若干 个低压p w m 变流单元直接级联的方式实现高压输出，这种逆变器是以单相全桥逆变器 为基本单元，每个单元配以独立的直流电源，再由若干个基本单元级联起来形成其中一 相，三相可以星型或三角形连接。其拓扑结构如图2 3 所示。 ，蛩趱 ( a ) 三电平( t h r e e - l e v e l )( b ) 五电平( f h - l e v e l ) 图2 - 3 独立直流电源级联型多电平逆变器的拓扑结构 f 略3n p 吣o f c a s c a d e i ”e n 盯w i t hs e p a r a t e d d c u n 对于n 电平的逆变器，每相需要( n 】) 甩个模块，( n i ) 2 个模块单元的级联共 需( n 一1 ) 2 个独立的直流电源和2 ( n 】) 个开关。 表2 5 和表2 6 分别为独立赢流电源级联型三电平及五电平逆变器的开关状态和输出 帽电压之间的对应关系。 十国 学( $ ) ll 学俺论i 表2 5 独立直流电源缎联型三电平逆变嚣开关状态与输出相电压的关系 t a b l e2 - 5 r e l a t i o n s h i pb e t w e e no n o f fs t a t ea n dp h a s ev o l t a g e o f t h r e e - l e v e l i n v e r t e r t 1 相电压 1 v 1 0 0 l 0 陋i 。鬻曩j l0 - v 表2 - 6 独立直流电源缓联型五电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e 2 - 6 r e l a t i o n s h i pb e t w e e no n o f f s t a t ea n d p h a s e v o l b g e o f f i v e - l e v e l i n v e r t e r t 2t 4t 6t 7 相电压 t l 磷t # 骥鞘蝴 0 嘲燧2 v d c ；醛嚣端鬻麟 0 黼 】iol 麓戆麓爨强露罄登 0 u 黼 o 黼io 0 l 龋瑁蕊 0 圜 o 野髓 翻瞄 o0 疆霭哪嘲 矬臻醐 oo 00 醺黼嘲醺隧嗣觎 0 0 澜薅隳 o 嬲麟 塑黧艄擘熙 0 戆鬯 登登鼹 0 o勰o 0 。k i ：球荔囊芝：醛蠢螨 o o1】- 111 |00 v m 0l 1 o1 0010 2 v m 这种多电平拓扑结构有一个特点，即电路的每个基本单元都需要有一个独立的直流 电源来实现辅位功能。虽然使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼此隔离，从而 解决单元级联时的动态均压和电压箝位问题，但是随着输出波形电平数的增加，所需要 的直流电源数也将增加，因此这也成为它的一个缺点。当采用不可控整流得到这些直流 电源时，为减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种 变压器体积庞大，成本高，设计困难。而且具有独立直流电源的级联型多电平逆变器不 易实现叫魏限运行。 这种结构相对于传统中点箝位型逆变电路还具有下列优点： 】电平数越多，输出电压谐波含量越少： 2 结构简单清晰，控制方法实现较容易，可分别对每级基本单元进行p w m 控制： 第2 章多电甲逆变器的拓扑结构和控制策略 3 不需要箝位