（检测技术与自动化装置专业论文）npc三电平逆变器及其中点电位平衡的研究.pdf

摘要 随着电力电子技术的发展，高压大功率多电平变频器日益成为研究热点。因为其器 件耐压要求相对较低、等效开关频率高、无需动态均压、输出波形好等优点，在中高压 变频调速、p w m 可逆整流、电力系统有源滤波、柔性输电系统等方面得到了广泛的应 用。 鉴于多电平逆变器多样化的拓扑结构和控制策略，本文以应用最为广泛的二极管箝 位型( n p c ) 三电平逆变器为研究对象，采用空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 算法 进行了理论及实验研究，而且对n p c 型三电平逆变器固有的中点电位不平衡问题进行了 分析研究。 首先，本文分析了n p c 型三电平逆变器的工作原理、s v p w m 控制策略的原理、中 点电位不平衡带来的危害、中点电位波动的原因、中点电位波动的特征。然后，基于上 述原理的分析，从对直流母线电容充放电使中点电位平衡入手，介绍了两种带辅助电路 的中点电位平衡方法；从三电平s v p w m 软件控制算法入手，利用正负小矢量对中点电 位相反的影响，介绍了一种通过控制正负小矢量作用时间的中点电位平衡算法。 在理论研究之后，本文采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对上述中点电位平衡方法 进行了仿真，通过仿真验证了几种中点电位平衡算法的正确性。 最后，在实验室条件下，搭建了n p c 型三电平逆变器平台，采用t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控制核心进行了实验研究。整个硬件系统的开发包括主电路、 隔离驱动电路、检测电路和缓冲电路，还涉及采用s v p w m 调制算法的d s p 软件编程等 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 策略了f 确，所采用中点电位平衡算法可有效控制中点电位平衡。 关键词：三电平，空| 日j 矢量脉宽调制，中点电位，d s p r e s e a r c ho nn p ct h r e e 1 e v e li n v e r t e ra n d n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n g l ix i n r u i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aw e n z h o n g a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fp o w e re l e c t r o n i c s ，t e c h n o l o g yo f h i g h - v o l t a g ea n dh i g h - p o w e rm u l t i l e v e li n v e r t e ri ss t u d i e dm o r ea n dm o r e m u l t i l e v e l i n v e r t e r sa l eu s e di nf r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e ds y s t e m ，r e v e r s i b l ep w mr e c t i f i e r , a c t i v e f i l t e ro fp o w e rs y s t e ma n df l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m sb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so f 1 1 i g hd i e l e c t r i cs t r e n g t h ，h i g he q u i v a l e n ts w i t c hf f e q u e n c y ，n od y n a m i ce q u a l i z i n ga n dg o o d o u t p u tw a v e f o r m t h e r ea r es e v e r a lk i n d so ft 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 l i s p a p e rs t u d i e dh o w t h ed i o d ec l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e rw o r k s ，t h et h e o r yo fs p a c ev e c t o r p u l s ew i d mm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ，a n dp r o b l e mo fn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n g a tt h eb e g i n n i n g ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et h e o r i e so f n p ct h r e e - l e v e li n v e r t e r , s v p w m ， t h ei n f l u e n c eo fi m b a l a n c e dn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l ，t h er e a s o n so fi m b a l a n c e dn e u t r a lp o i n t p o t e n t i a l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m b a l a n c e dn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l t h e n ，s e v e r a ls t r a t e g i e so f c o n t r o l l i n gt h en e u t r a lp o i n tp o t e n t i a la r eg i v e n b a s e do nt h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n go f c a p a c i t a n c e sb a l a n c e sn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l ，t w oc i r c u i t sw i t ha s s i s t a n tl e ga r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ea r i t h m e t i co fs v p w m ，as o f t w a r es t r a t e g yb ya d j u s t i n gt h ew o r kt i m e so fa c t i v e a n dn e g a t i v es m a l lv e c t o r si si n t r o d u c e d a f t e rt h es t u d y i n go ft h e o r y , t h i sp a p e rs i m u l a t e st h en p ct h r e e l e v e li n v e r t e rw i t h s v p w ma n dt h es e v e r a ln e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gs t r a t e g i e sa sa b o v e ，a n dt h e e m u l m i o n a lw a v e f o r m sv a l i d a t et h a tt h e ya r ec o r r e c t a tl a s t ，t h en p ct h r e e 1 e v e li n v e r t e ri se s t a b l i s h e dw i t hm o s f e t sa n dd i o d e st of i n i s h t h ee x p e r i m e n t s a n dt h ed s po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e dt oc r e a t ep w md r i v es i g n a l s t h e w h o l eh a r d w a r es y s t e mc o n t a i n sm a i nc i r c u i t ，i s o l a t i n ga n dd r i v i n gc i r c u i t ，d e t e c t i n gc i r c u i t a n ds n u b b e rc i r c u i t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ew a v e f o r m sa n dd a t ao fe x p e r i m e n t s ，c o n c l u s i o n s o ft h es t r a t e g yo fs v p w ma n da d o p t e ds t r a t e g yo fn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n ga r e c o r r e c t k e yw o r d s ：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 u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ， n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l ，d s p ；i 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己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：二奎l 唪 日期：沙7 年乡月岁e t ， 7 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e i j l ；l j 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：壅薹盗 指导教师签名：丕鑫 同期：枷7 年多月；e t 同期：汹夕年多月乡日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 电力电子技术自二十世纪5 0 年代诞生以来，经过近半个世纪的飞速发展，至今己被 广泛应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个 方面己渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能；而在高压大功率的 输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。 电力电子器件是电力电子装置的核心。在过去的几十年里，电力电子器件有了飞速 的发展，其单管容量、开关频率有了极大的提高，但仍不能满足人们对高压、大功率的 要求。所以为了实现高频化和低e m i 的大功率变换，在功率器件水平没有本质突破的情 况下，有效的手段是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案。研究者进行了大量 的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，其中的多电平变换器技 术是解决高压大功率变换的一种具有代表性和较为理想的方案，成为现在研究的热点。 另一方面，能源短缺和环境污染是人类当前面临的两个世纪性难题【l 】。我国能源生 产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。在能源十 分紧张的情况下，浪费现象却十分严重。因此，节能的研究成为一项重要的课题。近年 来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用。因此，开发多电平 大容量交流电机变频调速节能装置并推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意 义。 再者，随着电力电子装置等非线性设备在电力系统、工业、交通( 电气化铁路) 及家 电中大量应用，交直流电网中的无功和谐波污染日益严重。电力系统中的无功和谐波降 低了电能的生产、传输和利用的效率，同时也降低了电气设备运行的可靠性，严重时损 坏设备、危及电网的安全。采用由多电平大容量电力电子变换装置构成的无功补偿和电 力有源滤波器及其相关技术补偿电网中的无功，治理谐波是无功补偿和电力滤波技术的 发展趋势。因此大容量电力电子变换器的研究，对电力系统的发展也具有重要意义。 1 2多电平逆变器的发展历史及现状 1 2 1 多电平逆变器的发展历史 随着电力电子技术的进步，出现了一系列性能优异的复合型电力电子器件，高频， 高效( 低丌关损耗) ，高功率因数，高功率密度( 组合集成化) ，高压大功率，易驱动、低 损耗及智能模块化等优点正同益显现。在此基础上发展起来的高频p w m ( 脉冲宽度调制) 技术、谐振软丌关技术及全数字化控制技术，也将会进一步促进多电平变换器在各种电 力电子及电机调速系统中应用。下面我们简要回顾下多电平变换器的发展历史。 第l 章绪论 功率变换装置的分类如图1 1 i 1 】所示。根据有无中间直流环节，交流变频器可分为 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，交一直一交变换器还可分为电流型和电压型两种。对于高 压变换器来说，从高压构成的角度，又可有“高一高”和“高一低一高 方式两种划分。 不同划分经适当组合就得到各种类型的高压大容量变换器。 一换广r 击交等 ：s 麓耋_ 雾辫 一换l 换广交叶中一一羞 毳篡联型 l 交i j i i 变换1r 传统交一交变换 叶艇则悍粑 l 交一交变换一 l 矩阵式交一交变换 图1 - 1 功率变换装置分支图 f i g1 - 1d i a g r a mo fp o w e r c o n v e r t o rb r a n c h e s 1 传统的大功率逆变器及电路【1 】 ( 1 ) 三相逆变器 通常也称为两电平逆变器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率只能依靠器件 的串并联来实现，而串并联将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问 题。技术上的不确定因素影响大、可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电压波动大， 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 能仍不理想。 ( 3 ) 变压器耦合的多脉冲逆变器 为了获得高压，同时要减轻器件上的电压应力，并解决器件并联带来的问题，人们 利用升压变压器的特点，将逆变桥而不是唯个元器件并联起来以获得大电流。典型的 4 8 脉冲逆变器包括8 个6 脉冲逆变桥和8 个曲折变压器，通过改变这些变压器的匝数 比或联接方式耦合叠加出阶梯波，以减少谐波。但显然由于变压器的引入，使得系统成 本和损耗大大增加，占用空间增大，且由于瞬态过程中变压器磁饱和引起的直流磁化和 浪涌过电压问题导致控制上的困难。此外，由于逆变器通常以6 脉冲方式工作，使系统 动念响应性能较差。 ( 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整流获得，由于存在直流环节，有变频 效率不高，主电路相对复杂等问题。而交一交直接变频电路可省去中间直流环节，因此 中国石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 装备体积小、重量轻，一次功率变换控制效率高。但是输出频率低，最高输出频率般 为输入频率的1 3 1 2 ，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。 2 新型的多电平逆变器 随着电力半导体器件的快速发展和对中高压大容量变换器需求的不断增大，传统的 变换器存在的问题越来越明显：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，需采用器件 串联，因而需要复杂的动态均压电路等等。为此，德国学者h o l t z 于1 9 7 9 年提出三电平逆 变器主电路及其方案，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中点筘位。后来，1 9 8 0 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，将这些辅助开关变 成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箝位。该电路比前 者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。从此多电平 技术开始成为人们研究的热点。 多电平变换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 到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变换器的诸多缺点：无须输出变压器和动态 均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。它的主要优点是：电平 数越高，输出的电压谐波含量越低，器件开关频率低，开关损耗小，效率高；输出电压 的跳变减小，降低了对器件的耐压要求，降低了e m i ；在三相系统中输出的共模电压较 小等等。因此，自8 0 年代以来多电平变换器被广泛应用于逆变器及大功率高压供电的交 流调速领域。 1 2 2 多电平逆变器的应用现状 我国变频器总的潜在市场为1 2 0 0 1 8 0 0 他。亿元，其中常压变频器约占市场份额的6 0 左右，中高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变频器功率大、售价高，占市场 的4 0 左右。变频器作为一种新兴的高技术产品，从一开始国外品牌就占据了绝大部分 市场，近几年国内企业在产品开发方面有了一定的起色，但还没能真正改变国外品牌占 支配地位的格局。目前国内变频器市场销售中9 5 的份额出美同欧厂商的产品所占领， 国产变频器占很小的份额，产品主要来自同本的。家如三菱、富士、东芝、安川、春同、 r 立和松下等，欧洲的西门子、a b b 等也占据了较大的市场份额。活跃在我国变频器的 品牌大约有7 0 多个( 其中国产品牌占到4 0 左右) 。中国巨大的变频器市场成为跨国公 司抢攻的重点。同本公司进入中国早，对中国市场做过深入仔细的调查和研究，有针对 性地推出适合我国国情的产品，目前市场占有率最高，达6 0 以上；欧美公司进来晚， 但产品档次高、容量大，价格也昂贵，占有份额3 0 左右；还有不到1 0 的份额被台湾 产品( 如普传、台达) 占领；真正 雪内的品牌市场占有量很低，而且产品档次低。从产品 容量来看，2 2 0 k w 以上基本由西门子、a b 、g e 、罗宾康幂i i a b b 等所垄断；而中小容量 的8 5 为同本产品占领，如富士、安川、三肯、同立、东芝、三菱和松下等。 国外有很多公司研制出具有自己特色的变频器3 j ，其中的代表有德国西门子 3 第1 章绪论 ( s i e m e n s ) 、英国西枝莱克( c e g e l e c ) 、美国艾伦布拉德( a b ) 、美国洛宾康( r o b i n c o n ) 、日 本东芝( t o s h i b a ) 、瑞典a b b 等，这些公司的产品并不像低压变频器一样都具有成熟一致 的拓扑结构，而是根据不同的情况开发了各自不同的变频装置，其中具有代表性的典型 产品有：洛宾康公司生产的完美无谐波变频器，a b 公司生产的b u l l u t i o n l 5 5 7 和 p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列变频器，西门子公司生产的s i m o v e r tm v 变频器，a b b 公司生产 的a c s l 0 0 0 系列，意大利a n s a l d o 公司生产s i l c o v e r t t h 变频器以及日本三菱、富 士公司生产的完美无谐波变频器，但这些产品价格昂贵。其中a b b 公司、西门子公司的 产品所使用的逆变电路就是本文即将论述的三电平逆变器。这些公司产品的电压等级为 3 1 0 k v ，容量2 5 0 - - - 4 0 0 0 k w 。国内在这方面的研究起步晚，受国际市场产品的冲击， 国产的大功率高压变频器的前景不容乐观，还没有形成一定的产业，技术上与国外相比 还有差距。目前国内的生产厂商有北京凯奇、先行、利德华福以及成都的佳灵和森兰。 因此，研制出性能可靠、价格便宜的大容量高性能交流电机变频调速系统对于打破西方 国家在此领域的垄断地位，具有重要的现实意义。 1 。3 多电平逆变器拓扑结构的研究 在多电平技术得到了发展之后，人们研究出了多种拓扑结构。目前所见到的多电平 逆变器，按主电路拓扑结构来分，主要分为三类基本的拓扑结构。 1 3 1二极管箝位型多电平逆变器h 1 ( d io d e - cia m p e dm uiti - ie v eiin v e r t e r ) 二极管箝位型多电平逆变器是最早提出的三电平拓扑，由南波江章( a n a b a e ) 在 原有基础上发展而来，因为是在中性点加一对箝位二极管，所以当时将该三电平逆变方 案称为中性点箝位型逆变器( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，简称n p c ) 。 ( 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l - 2 二极管箝位型逆变器的拓扑结构 f i g l 一2t o p o l o g yo fn p ci n v e r t e r 该逆变器电路的特点是采用多个二极管对相应的丌关器件进行筘位，同时利用不同 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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1 2 所示( 图 中只给出了一相，其余两相与之相同) 。 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，每相由( 2 n 4 ) 个箝位二极管和( 2 n 2 ) 个主开关管组成。 表1 1 和表1 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。 表1 1 三电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e1 - 1r 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 1 1 2 t 3t 4 相电压 1l00+ 蹦2 o11 “ 0o 0011 一v a d 2 表l - 2 五电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e1 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e no 刖7 0 厅g 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 6 t 7t 8 相电压 111100o o v a d 2 o1111o0 0 v d a oo1l11o0o o0o1111o v u d 4 o ooo1111 一v a d 2 附注：表中“1 ”代表开关导通，“0 ”代表开关关断，以下相同。 二极管箝位型逆变器的优点主要体现在：( 1 ) 单个功率开关承受的电压小，输出电 平的d v l d t 也大大减小；( 2 ) 电平数越多输出波形越接近正弦，电压失真度( t h d ) 小； ( 3 ) 对开关频率的要求低；( 4 ) 可控制无 功功率流。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 ) 每桥臂内 外侧功率器件的导通时问不同，造成负荷不 一致；( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡 问题，且电平数越多控制越复杂。 图l - 3 飞跨电容型多电平逆变器的拓扑结构 f i g l - 3t o p o l o l 3o ff l y i n gc a p a c i t o ri n v e r t e r 1 3 2 飞跨电容型多电平逆变器( f i y i n g c a p a c i t o rm u l t _ l e v e i i n v e r t e r ) 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 币d h f o c h 提出来的，其拓扑结构 5 第l 章绪论 如图1 3 所示( 图中只给出了一相，其余两相与之相同) 。 通过图1 3 不难看出，飞跨电容型多电平逆变器的主电路只是用飞跨电容取代了箝 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，通过在同电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。由此可知，飞跨 电容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1 3 署1 1 1 - 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1 - 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 e1 - 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 11o0 2 1010 0 0101 0o11 一2 表1 - 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 e1 - 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 2 t 3 t 4t 5 t 6 丁7 t 8相电压 11110 00 0 耽幻2 11 1 o 1ooo 11010100 v d 。渔 1011o010 011 1 o001 11o 0 110o 1oolo110 o011oo1】 o 1o1o1o10 o10101o1 011o1o01 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 _ 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( 续) t 1 t 2 t 3 t 4 t 5t 6t 7 t 8 相电压 100o1110 0l0ol1o1 一yd c 4 o01o1o1l 000lo111 00o01l11 一2 1 3 3 级联型多电平逆变器( c a s c a d e dm u i t 卜l e v e lj n v e r t e r ) 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1 - 4 所示。 对于n 电平的逆变器，每相需要( n 1 ) 2 个模块，( n 1 ) 2 个模块单元的级联共 需( n 1 ) 2 个独立的直流电源和2 ( n 1 ) 个开关。 、 v 卜白 鼬e t 4 j f t i i广 l乳j ( 车 t 乏j ( l 一 ro 二。 | 骶j ( 本t u ( i 一 ( 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l - 4 独立直流电源级联型多电平逆变器的拓扑结构 f i g l - 4t o p o l o g yo fc a s c a d ei n v e r t e rw i t hs e p a r a t e dd c s o u r c e s 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 电源来实现箝位功能。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 易实现四象限运行。 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： ( 1 ) 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； ( 3 ) 不需要箝位二极管或箝位电容，易于封装、实现模块化，为实际安装使用、 故障维护提供了很大便利。 7 第1 章绪论 ( 4 ) 易于采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路。 表1 5 和表1 6 分别为独立直流电源级联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1 - 5 独立直流电源级联型三电平逆变器开关状态与输出相电压的关系 t a b l e1 - 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 eo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r t 1 t 2 t 3t 4 相电压 1 0o 1 v d c 11oo o 0 0 11 o11o - v d c 表1 _ 6 独立直流电源级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 e1 - 6 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 w e - l e v e li n v e r t e r t 】t 2t 3 t 4 t 5t 6t 7t 8 相电压 1o ol 1 0 01 2 v d c 1lo010ol oo】11oo1 v d c 10o111oo 1001o01l 100101lo 11o01100 11 o o 0 o 11 o oo 1 1 11 o0 0o 1lo 0 11 0 l101 0 01 11o0o11o oo11o110 v d c 01 1 o1lo0 01 1 ooo11 o1 l oo110 2 v d c 1 4 多电平逆变器p w m 控制策略研究 多电平逆变器构成的三个要素是功率开关器件、电路拓扑结构及控制策略。控制策 略在实现功率变换目标中起着至关重要的作用。在过去的二十年罩，科研工作者对各种 拓扑结构的多电平逆变器的控制策略进行了大量的研究，提出了系列有效的控制方 法。一般认为，多电平逆变器最早是由三电平中点箝位型逆变器发展而来的，因而，对 于多电平p w m 控制算法的研究大多也从三电平机构开始。目前，国内外对三电平逆变 器控制策略的研究焦点主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 优化了r 关矢量，限制最大丌关频率，减少输出量的谐波数，考虑最小导通脉冲 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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 ) 控制中点电位，限制中点电位浮动的范围，避免系统工作异常及发生电位漂移 过多而击穿开关器件。 多电平逆变器从另一角度来说，它属于电压源型逆变器，广泛使用的控制策略是 p w m 技术，人们对p w m 控制技术展开了深入研究，从最初追求电压波形正弦，再到电 流波形正弦，再到磁通的正弦，p w m 控制技术不断创新和完善，近年来得到了相当大 的发展及较广泛的应用。三电平逆变器的控制策略主要有以下几种： 1 4 1 三电平载波p w m 控制 1 三角载波层叠法 三角载波层叠法是两电平载波p w m 法的直接扩展，是由两组频率和幅值相同的三 角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波。假设三个电平从高 到低依次为尸、d 和，当调制波的正半波大于上层载波时，输出电平为p ；而调制波 的负半波幅值小于下层载波时输出电平为，其他情况输出0 电平。以单相桥臂的输出 为例，载波层叠法的原理如图1 5 1 4 j 所示。 燃橘m 八八八八八八一 州w 一一 n n n 1 i 1fs 图1 5 载波层叠p w m 原理图 f i g1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s c a d e dc a r r i e rw a v e 当输出为- + n 时，载波相同，仅调制波变为三相对称波形，其载波调制关系及相应 输出脉冲为三相对称证弦波。这种方法的调制波为正弦波，实现简单，但电压利用率低， 同时也没有很好的考虑中点电位的控制问题。 2 加入零序分量的载波p w m 对于无中线的三相对称负载系统，在三相逆变器输出电压中加入三的倍数次谐波或 9 第l 章绪论 直流分量时，对负载电压波形不会产生影响。同样，在正弦调制波中加入不同的零序分 量不会改变三相负载电压的基频分量，因此，利用加入的不同零序分量可以实现载波调 制的优化控制。如：加入适当的零序分量，对中点电压的平衡进行调节；加入某特定的 零序分量，可以增加调制比的线性控制范围，提高电压的利用率；加入某零序分量，使 开关不动作的区域位于相电流的最大位置，从而降低变换器的开关损耗。 3 特定谐波消去法 特定谐波消去法( s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o np m w ) 也被称作开关点预制的p w m 方法，它是建立在多电平阶梯波调制方法基础之上的。消除特定阶次谐波这种方法的原 理就是在阶梯波上通过选择 适当的“凹槽 ，来选择性的 ，、。l 鎏燃燃纂：翻飞 出波形质量提高的效果和输 e1 烈u u 吣 出t 皿减小的目的。用于消除陟午刊； 特定次谐波的“凹槽，位置信 of 兰当d n 订 囊嚣黧磁莩l 吣 中。运行时，实时读出后进行 in ii 输出控制。因此，这种方法受 到计算时间和存储容量的限 图l - 6 输出电压为五电平开关点预制p w m 方法 制。求解特定的开关点时要解 f i 9 1 - 6 f i v e - l e v e ls h e p w mw a v eo f o u t p u t v o l t a g e 非线形超越方程，计算很复杂。目前资料记载的实际应用中，一般都只局限在三电平或 五电平拓扑结构。 这种方法的主要优点是开关频率低、效率高，谐波含量较少、电压利用率高。缺点 就是计算开关点时比较复杂，不能够实现在线运算，牛顿迭代方法求解的时候存在发散 问题。 1 4 2 三电平空间矢量p 洲控制 空i 、日j 矢量控制( s p a c ev e c t o rp w m ) 是从电动机的角度出发，着眼于如何使电动机 获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以i 相对称丁f i 弦电压供电时交流电动机的理 想磁链圆为基准，用逆变器不同的歼关模式所产生的实际磁链去逼近圆形磁链，由它们 比较的结果决定逆变器的开关状态。由于它把逆变器和电动机看成一个整体来处理，所 得模型简单，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小，噪音低，电压利用率高的优点。 因此目前无论在丌坏控制系统，还是闭环控制系统中均得到了广泛的应用1 4 j 。后面将会 详细介绍。 1 5 本课题研究的主要内容 从实际的发展过程来看，典型的三三电平逆变器一般指二极管箝位式三电平结构，本 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 文简称其为n p c 型三电平逆变器，其电路拓扑简单，成本低，且其p w m 控制方法是其 他更高电平的p w m 控制的基础，因此本课题研究对象群i n p c 型三电平逆变器，控制策 略采用空间电压矢量调制( s v p w m ) 法，并对该逆变器固有的中点电位不平衡的问题 进行了研究。主要内容如下： 1 研究n p c 三电平逆变器的空间矢量构成，参考矢量的位置确定、合成，脉冲发 送原则。 2 影响n p c 三电平逆变器的中点电位平衡的因素。 3 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，搭建采用空间电压矢量控制的交流电机调速系统， 进行相关的仿真研究。加入中点电位平衡策略，进行相关仿真。 4 进行相关的硬件设计与搭建；利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片，设计软件控 制算法，实现电机调速，并控制逆变器中点电位的偏移。 5 结合软硬件，对交流调速系统进行调试，对调试结果进行分析，并对调试过程 中出现的问题提出解决措施。 鉴于上述研究内容，本课题拟解决的关键问题在于实验室条件下能否研发出安全可 靠的适于电机控制用的系统电路。能否通过d s p 正确实现矢量控制技术以及中点电位 控制等要求。能否针对调试过程中暴露问题，提出切实可行的解决办法或分析的理论依 据。 1 6 本章小结 本章主要介绍了现阶段研究多电平逆变器的意义，简要介绍了当今多电平逆变器的 三种主要拓扑结构、工作原理及各自的优缺点。鉴于本课题研究逆变器为三电平逆变器， 主要分析了三电平逆变器常用的控制策略，包括载波p w m 控制和空间矢量p w m 控制。 最后，本章介绍了论文的主要研究内容。 第2 章n p c 型三电平逆变器的s v p w m 控制 第2 章n p c 型三电平逆变器的s v p w m 控制 多电平空间矢量p w m 法( s p a c e v e c t o r p w m ) 是从两电平空间矢量p w m 法演化 而来的，其基本思想和两电平的类似，都是由空间矢量所在区域的开关空间矢量运用“伏 秒相等 的原则进行合成得到的。只不过在两电平中只有8 个空间矢量，而三电平中的 空间矢量为2 7 个，更多电平的空间矢量则更多，成级数增加。所以，随电平数的增加， 合成某个空间矢量时可选择的矢量将更多，合成的磁链轨迹将更接近于圆，因而转矩脉 动更小，控制更精确，输出电压谐波更小。但由于多电平逆变器所涉及到的空间矢量特 别多，所以在合成矢量时计算量很大，控制也变得复杂。怎样寻求一种简单、高效、快 速的调制方法成了s v p w m 研究的热点。 2 1 n p c 三电平逆变器的工作原理 2 1 1 n p c 三电平逆变器的主电路 p ，v 图2 - 1n p c 型三电平逆变器主电路 f i g2 - 1m a i nc i r c u i to fn p c t h r e e - l e v e li n v e r t e r 图2 1 是n p c 三电平逆变器的主电路结构图。此电路结构图中每一相桥臂有4 个主 丌关元件、4 个续流一：极管和2 个箝位二极管；在直流侧有g 、g 两个电容，且容值相 等，所以每个电容上分得的电压为圪2 ，两个串联器件的中点通过箝位二极管和直流 侧电容的中点相连接，使输出电压被箝位在直流侧中点电位，即每个丌关器件上的承受 电压就限制在一个电容电压。2 上。箝位二极管还有一个作用就是在开关管导通时提 供电流通道防止电容短路。 2 1 2 三电平逆变器的基本工作原理 1 三电平逆变器 ：作状态的分析 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 所谓三电平是指逆变器交流侧的每相输出端从中间直流回路取得的电压有三种电 位，即正端电压尸、负端电压和中点零电位d 。从三电平逆变器主电路的一相桥臂的 结构出发，四个开关器件开关状态共有1 6 种，但由于& ；与最，是逻辑非的关系( 同样最： 与e 。也是逻辑非的关系) ，因此有效状态只有三种情况。下面以a 相为例，来描述相电 压的三种输出状态。 j p n ( b ) 模式2 ( m o d e 2 ) (