（电气工程专业论文）级联型高压变频器载波移相调制的应用.pdf

t h ed e s i g no fc o n t r o ls t r a t e g yo fc a r r i e rp h a s e ds h i f t e da l g o r i t h m f o rc e l l sc a s c a d e dh i g h v o l t a g ei n v e r t e r b y c h e nc h a n g x i b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ro u y a n gh o n g l i n s e n i o re n g i n e e rh u a n gx i a n g n i n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 协啐岐 e t 期：矽f 年r 月夕r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“1 j ”) 作者签名： 导师签名： 日期：加f 年厂月r 日 e l 期：文f 年岁月掳日 级联型高压变频器载波移相调制的应用 摘要 随着世界能源储备的下降，人们开始重视能源的利用率，因此，一场节能减 排的风暴席卷而来。为了提高电机的能源利用率，变频器的研究开始为科研人 员所关注。多电平变换器的提出，更使得变频器开始由低压小功率向高压大功 率转化。由于变频产品对电机节能的效果显著，因此高压变频器控制方式的设 计迫在眉睫。 本文以级联型多电平变换器为基本拓扑结构，对高压变频器的载波移相控制 技术进行分析和设计。将载波移相控制方式按照载波的移动方向，分为载波垂 直移相和载波水平移相两个部分来分析。其中载波垂直移相又分为：载波同相 方式( p h a s ed i s p o s i t i o n ) 、载波正负反相方式( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ) 、 载波依次反相方式( a l t e r n a t i v ep h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ) 。载波水平移相分 为：同相调制方式和异相调制方式。为了提高该控制方式的直流电压利用率， 在调制波中引入含有三次谐波的零序分量。在三相交流系统中，三次谐波正好 可以相互抵消，因此引入的零序分量不会影响输出电压。 本文采用m a t l a b 工具箱，搭建了载波水平移相控制系统的仿真模型，设 计了引入零序分量的改进型水平载波移相控制的仿真。分析了不同频率下的输 出电压波形及谐波。同时采用t i 公司设计的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为核心控制 芯片，对系统进行了硬件设计。详细的分析了d s p 控制器、功率单元箱驱动， 其中d s p 控制器包括模拟量输入、开关量输入输出、通信电路以及d s p + f p g a 的多路触发电路；功率单元箱驱动则包括了对系统的过热保护、过流保护以及 直流母线电压监测与保护电路，并设计了系统的控制程序。 本次设计将载波移相控制应用到高压变频器当中，对低次谐波的抑制效果十 分显著，降低了开关损耗，同时改善了系统的直流电压利用率。并通过对硬件 的设计实现了载波移相控制算法。 关键词：级联型；载波移相；零序分量；d s p 控制器；功率单元 h 工程硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e c l i n ei ne n e r g yr e s e r v e si nt h ew o r l d ，e n e r g ye f f i c i e n c yb e g a nt ob e s e r i o u s l y t h e r e f o r e ，as t o r ms w e p ti ne n e r g ys a v i n g r e s e a r c h e r sb e g a n t os t u d yt h e f r e q u e n c y , i no r d e rt oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f e l e c t r i cm o t o r s l o w 。v o l t a g e l o w p o w e rt od r i v et h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e r ，d u et ot h ep r o p o s e dm u l t i l e v e l c o n v e r t e r a p p l i c a t i o no fh i g h v o l t a g e i n v e r t e rc o n t r o li su r g e n t ，b e c a u s eo fi t s s i g n i f i c a n te n e r g y - s a v i n ge f f e c to f t h em o t o r a r t i c l ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h ec a r r i e rp h a s es h i f tc o n t r o lm e t h o di n h i g h v o l t a g ei n v e r t e ra p p l i c a t i o n st oc a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e rt o p o l o g ya st h e b a s i c t h i sc o n t r o lm e t h o di sd i v i d e di n t ov e i r t i c a lp h a s es h i f tt h ec a r r i e rp h a s ea n d c a r r i e rl e v e l i na c c o r d a n c ew i t ht h ed i r e c t i o no fm o v e m e n to ft h ec a r r i e r v e r t i c a l c a r r i e rp h a s ei sd i v i d e di n t o ：p h a s ed i s p o s i t i o n ，p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ， a l t e r n a t i v ep h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n c a r r i e rp h a s ei sd i v i d e di n t o l e v e l s ： i n p h a s em o d u l a t i o na n dp h a s em o d u l a t i o n t h ei n t r o d u c t i o no f t h em o d u l a t i o nw a v e w i t ht h i r dh a r m o n i cz e r os e q u e n c ec o m p o n e n t s ，t oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fd c v o l t a g e i nt h et h r e e p h a s ea cs y s t e m ，t h et h i r dh a r m o n i cc a n j u s tc a n c e le a c ho t h e r o u t s ot h ei n t r o d u c t i o no ft h ez e r os e q u e n c ec o m p o n e n td o e sn o ta f f e c tt h eo u t p u t v o l t a g e b u i l tt h ec a r r i e rl e v e ls h i f tc o n t r o lo ft h es i m u l a t i o nm o d e l ，u s i n gm a t l a b t o o l b o x t h ei n t r o d u c t i o no fz e r o s e q u e n c ec o m p o n e n to ft h ei m p r o v e dl e v e lo f c a r r i e rp h a s e s h i f tc o n t r o ls i m u l a t i o ni sd e s i g n e dt o d i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n d h a r m o n i c so fo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mi sa n a l y z e d a n dd e s i g n e dh a r d w a r eu s i n g t i st m s 3 2 0 f 2 812c h i pa st h ec o r ec o n t r o lc h i p d s pc o n t r o l l e r ，t h ep o w e ru n i tb o x i sad e t a i l e da n a l y s i s a n dt h ed e s i g no ft h es y s t e mc o n t r o lp r o g r a m t h ed e s i g no fl o wo r d e rh a r m o n i c ss u p p r e s s i o n ，r e d u c et h es w i t c h i n gl o s s e sa n d i m p r o v eu t i l i z a t i o no ft h es y s t e md cv o l t a g e c a r r i e rp h a s e c o n t r o la c h i e v e db yt h e h a r d w a r e k e yw o r d s ：c a s c a d e ；c a r r i e rp h a s e ；z e r os e q u e n c ec o m p o n e n t ；d s pc o n t r o l l e r ； p o w e ru n i t i i i 级联型高压变频器载波移相调制的应用 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 高压变频器的发展现状及趋势一2 1 2 1 国内外现状一2 1 2 2 高压变频技术发展趋势3 1 3 市场应用前景4 1 4 本文主要研究的内容5 第2 章级联型变换器拓扑结构及其控制方法6 2 1 多电平变换器的拓扑结构一6 2 1 1 箝位型多电平变换器6 2 1 2 级联型多电平变换器7 2 2 载波移相控制算法1 0 2 2 1 载波垂直移相技术1 1 2 2 2 载波水平移相技术1 3 2 3 改进型的载波移相控制1 6 2 3 1 控制自由度思想1 6 2 3 2 改进型载波移相算法1 6 2 4 小结19 第3 章系统仿真与分析2 0 3 1m a t l a b s i m u l i n k 的介绍一2 0 3 2 载波移相控制的建模仿真2 0 3 3 改进型的载波移相的建模仿真一2 6 3 4 小结2 9 第4 章改进型载波移相的硬件及软件实现3 0 4 1 总体结构3 0 4 2 主控制器电路一31 4 2 1 主控制器芯片介绍一3 1 4 2 2 模拟量输入电路3 3 4 2 3 开关量输入输出电路3 4 i v 工程硕士学位论文 4 2 4 通信电路3 5 4 2 5f p g a 电路3 6 4 3 功率单元箱驱动电路3 7 4 3 1 过热保护电路一3 7 4 3 2 直流母线电压监测与保护电路3 8 4 3 3i g b t 过流保护电路3 8 4 4 控制程序设计3 9 4 4 1 主程序结构一3 9 4 4 2a d 采样模块4 1 4 4 3p w m 脉冲程序设计4 1 4 4 4 保护电路设计4 3 4 5 试验结果4 5 4 5 1 功率单元的输出电压一4 5 4 5 2 带负载的电压电流输出波形4 7 4 6 j 结论 参考文献 致谢 、结。4 8 v 9 1 4 4 c j 5 工程硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源作为工业发展的主心骨，有着不可或缺的地位。在当今能源短缺的社 会形势下，我国对能源的利用率较发达国家仍有一定的差距。为了实现能源的 有效利用，并在市场上占据一席之地，提高能源的利用率，减少不必要的能源 损耗，显得尤为迫切。国家先后出台了“节能中长期专项规划”、“十一五”节能 规划，同时国家发改委信工部正在加紧制定“十二五”节能规划，将节能的工 作重心由依靠结构调整转变为依靠先进科学技术，科学技术成为主导力量。 电动机调速技术产业化途径与对策研究报告中指出，我国发电总量的 6 6 消耗在电动机上，而且与世界先进国家相比，我国的电机调节系统仍然十分 落后，特别是在高压、大功率电机系统中。至2 0 1 0 年底电动机总装机量大概在 7 6 2 亿k w 左右，其中9 0 是交流电机，而高压电机约占5 0 ，且高压电机中 近7 0 拖动的负载是风机、水泵等负载，但其中大部分依旧采用机械挡板节流 的调节方式，使得电机一直处在低效工作状态，大量的能源没有得到有效的利 用。为了实现提高能源利用率这一目标，电机节能在整个节能规划中占有相当 重要的一部分。由于变频器能够根据实际需要对电动机转速进行实时调节，能 够使电动机工作在最合适的工作状态，可以大大降低电动机的综合电耗。因此 发展和推行变频技术，是节能之路中的一个有效的助力。 近年来，变频调速技术随着电力电子技术、电机拖动技术、现代控制理论、 运动控制理论等的发展已经进入了一个崭新的时代。在风机、水泵及其他领域 得到了一定的应用，并且低压变频器已经大量的应用到工业生产过程中。但是， 在工业应用领域，大功率的传动机械、大功率风机、水泵占主要地位，例如： 钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、出尘风机，石油化工生产用的压缩机， 电力工业的给水泵、引风机，煤矿的排水泵、排风扇以及城市自来水厂的供水 泵等等。其驱动电机都是3 10 k v 的大功率高压交流电机，而这些设备由于缺少 调速手段，每天都在大量的浪费电能，俗称耗电的“电老虎”。因此，配置高压变 频调速系统进行变频节能，对于我国工业降低单产能耗具有重大意义。 为了继续推进节能减排，由国家发改委环境资源司组织起草的“十二五” 节能规划目前已经完成前期专家组调研，正在抓紧制定。电机系统节能工作 在“十二五”期间仍是节能工作的重要组成部分。所以大力发展基于变频器的高压 电动机高效调速系统，不仅是高压电动机实现快速节能目标的有效途径，而且 对我国节能目标的实现有着重要的意义。 l 级联型高压变频器载波移相调制的应用 1 2 高压变频器的发展现状及趋势 在高压变频器的定义上，按照国际惯例和我国国家标准，当供电电压大于 或等于10 k v 时称为高压，供电电压在1 k v 到1 0 k v 之间时称为中压。但我们 习惯上把用来驱动1 k v 以上的交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器 或中高压变频器。常见的电压等级有1 1 4 0 v 、2 3 0 0 v 、3 0 0 0 3 3 0 0 v 、4 1 6 0 v 、 6 0 0 0 6 3 0 0 6 6 0 0 v 和10 k v 。 1 2 1 国内外现状 在国外，许多大型的集团公司对高压变频器进行了开发研究，并逐步由交 交方式的高压变频器发展为电压型交直交高压变频器。随着美国西屋电气公司 首先提出独立的标准低压功率单元串联形成的高压系统，级联型高压变频器开 始登上大功率变频器的舞台。并于1 9 9 4 年由美国罗宾康公司研制出第一台单元 级联式多电平高压变频器。1 9 9 8 年5 月，罗宾康公司又提出了中心偏移式功率 单元旁路的方法在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压的之间的相 位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，同时最大程度提高了 电压利用率。如今国外最具代表性的产品有：西门子公司的i g b t 直接串联三电 平方式；罗宾康公司的i g b t 单元串联多电平方式；a b 公司的s g c t 电流型和 g t o 电流型；a b b 公司的i g c t 直接串联三电平方式f 2 l 。其高压变频器的型号 及技术参数如表1 1 所示。 表1 1 国外高压变频器产品水平 变频技术作为电机调速的有效手段之一，在国家推行节能减排，绿色低碳 政策的带动下，国内开始大量的引进变频产品。1 9 8 5 年，我国冶金企业首先在 主轧机上引进了几套德国西门子公司生产的交交变频同步电动机矢量控制系 统，用于鞍钢二初的1 1 5 0 初轧机，包钢的1 1 5 0 初轧机，宝钢的热连轧机及湘钢 的主轧机等，取代了原有的直流传动系统，取得了明显的成效。 面对巨大的商业潜力以及国家政策的鼓励，国内不少企业和人士纷纷投入 到变频市场中，并且利用这种有利的形势将国内企业的类型由引进国外的技术 逐渐发展成为独立自主的研发以及技术创新。不断的缩短和国外产品的差距， 2 工程硕士学位论文 大量的国内产品纷纷发展壮大起来，目前国内品牌比较活跃的有利德华福、佳 灵、风光、合康亿盛等。在国家“十一五”节能规划的带动下，一些企业看到了高 压、大功率变频技术巨大的发展潜力，并进行了相应的生产开发活动，北京德 利华福技术有限公司试制出了功率单元串联型多电平方式高压变频器，成都佳 灵公司试制出了i g b t 直接串联型高压变频器等。国内几家主要生产高压变频器 公司的产品参数如表1 2 所示。 表1 2 国内高压变频器产品水平 从整体上来看，我国高压变频器产品的性能较国外的产品而言，仍然存在 一定的差距，在能源短缺的今天，大力发展高压变频技术，努力缩短在高压变 频器性能上与国外产品的差距，无论是在能源的节约方面，还是在提高我国高 压变频技术在世界上的地位，都有着重要的意义。 1 2 2 高压变频技术发展趋势 变频调速技术是目前世界上公认的理想节能调速技术，可是高压变频器却 没有得到广泛的使用。究其原因主要是传统高压变频器的谐波污染严重，它即 消耗无功功率，又增加线的损耗。使电机产生附加的力矩，而且还会导致电网 发生严重的畸变。因此，高压变频器的研究逐步向绿色变频器方向发展，其中 以级联型多电平方式和三电平方式的应用较为广泛1 3 , 4 j 。其最新技术以及今后的 发展方向主要有： ( 1 ) 运行控制接口丰富，既有远端控制，又有就地控制；既有数字量模拟 量接口，又有通讯接口，使用户有大量的选择余地。 ( 2 ) 全数字式的系统，由微处理器来控制各个开关导通与截止，输出正弦 调制波，故输出的电压和频率既准确又稳定。 ( 3 ) 信号传输技术和光纤通讯技术，既可以提高通讯速度、增强抗干扰的 能力，又可以解决高电压隔离的问题。 ( 4 ) 采用了新型的导通压降低及开关损耗小的器件，改善了通风冷却设计， 提高了系统的效率。 ( 5 ) 随着电力电子器件发展，在市场以及技术都成熟的情况下，可以采用 高压器件来简化电路，提高系统的可靠性。 ( 6 ) 可以考虑采用有源谐波补偿技术来改善输入输出的谐波。 级联型高压变频器载波移相调制的应用 ( 7 ) 在短路、过流、过压、过载等工作状况下，对电力电子器件的保护技 术，保证变频装置的稳定运行。 ( 8 ) 提高系统的动态响应性能以及制动性能，引入新进的控制方法，如矢 量控制、直接转矩控制等。 ( 9 ) 对于单元串联多电平来说，其发展方向还有旁路之后保持系统继续运 行的情况，功率单元冗余度以及功率单元故障后的带电更换技术。 1 3 市场应用前景 变频技术在电机调速领域的应用，取得了显著的效果，不仅实现了电机转 速的连续改变，而且降低了电机在低速运行时的能量损耗。变频技术也逐渐成 为响应国家节能减排、低碳绿色号召的主要技术力量。大量的资源纷纷投入到 高压变频器的开发研究中，其中很大一部分采用的都是i g b t 的功率单元串联形 式1 5 i 。 我国的高压变频市场“十一五”期间保持着爆发性增长的态势，该行业经过起 步阶段，目前正逐步趋于成熟。在过去的2 0 年里，变频器生产企业“群雄并起”， 不但有日本三垦公司、富士公司，德国西门子公司，瑞士a b b 公司等外资企业 进入我国市场并在华建厂，还有成都森兰公司、深圳英威腾公司、台州富凌公 司等7 0 多家国产变频器厂家进入市场。目前我国变频器市场年销售额在1 0 亿 元以上。从2 0 0 5 年至今，我国变频器市场平均年销售额增长在2 0 以上。根据 工控网上相关数据显示，2 0 0 6 年中国高压变频器新增订单数1 2 0 0 台，金额l o 2 亿元；2 0 0 7 年新增订单数2 0 0 0 台，金额1 6 5 亿元；2 0 0 8 年、2 0 0 9 年销售额分 别在2 7 2 亿元和4 6 1 亿元。 近年来，国内具有一定规模和实力的变频器厂家开始在产品关键技术研制 方面加大投入，进行自主研发和创新，并按照国际标准进行生产，使国产变频 器的整体技术水平得到大幅提高。如森兰公司率先自行研发高性能矢量控制变 频器，采用了“拟超导矢量控制变频技术”等多项专利、专有技术，产品多项指标 已达到国际先进水平，获得了市场的好评。 同时，国内变频器厂家对市场进行了细分，针对中国市场的实际需求，实现 了与国外产品的差异化生产，在专用变频器的开发和应用推广上取得了一定的成 绩，并被市场所接受。随着利德华福、东方日立等国内高压变频器厂家的崛起， 已逐步打破了原来由国外厂商进口产品垄断的行业格局。从市场份额看，国内品 牌的市场份额已从2 0 0 2 年的8 迅速扩大至u 2 0 0 9 年的4 0 。由于本地化生产、规模 效应的存在和技术的日益成熟，整个行业的产品制造成本相比以前大幅下降。产 品价格的降低，使得高压变频器的性价比明显上升，“价格”不再让用户感到望而 生畏。终端用户购买高压变频器后，节能效果非常显著，市场需求不断增加。如 4 工程硕士学位论文 表1 3 所示，为我国高压变频器市场规模表。 表1 3 高压变频器市场规模 1 4 本文主要研究的内容 本课题以单元级联型高压变频器为设计对象，主要对单元级联型高压变频器 的载波移相s p w m 调制方法进行了分析，通过m a t l a b 实现了系统的仿真。并且 对载波移相控制进行了硬件实现，其主要内容如下： l 、介绍了多电平变换器的拓扑结构，通过与箝位型拓扑结构比较，得出级 联型拓扑结构易于模块化、消除功率单元器件的动态、静态均压问题以及对谐 波和共模电压的抑制等优势； 2 、载波移相控制的算法分析，载波移相控制根据载波移动的方向将其分为 垂直移相技术和水平移相技术。垂直移相技术中根据载波的不同又可以分为： 载波同相方式、载波正负方向方式以及载波依次反相，并依次分析了三种方式 的调制原理以及理论上应该得到的波形；水平移相技术根据调制波相位和数量 的不同分为：同相调制方式、异相调制方式。为了提高载波移相控制的直流电 压利用率，以载波移相控制为基础，引入了自由度的概念，分析了在调制波中 引入零序分量的改进型载波移相控制对直流电压利用率的影响。 3 、利用m a t l a b s i m u n i l k 工具箱，以载波水平移相为主分析了载波移 相控制在实际仿真中的可行性。并且在普通载波移相的基础上，对正弦调制波 引入零序分量，建立了改进型载波水平移相的仿真模型。并得出了相应的仿真 结果，验证理论的可行性。 4 、对改进型的载波移相进行了硬件设计与软件实现。以d s p 为硬件的主控 制器，控制芯片采用t i 公司开发的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，对d s p 控制器的模拟量输 入电路、开关量输入输出电路、通信电路、f p g a 多路触发电路以及功率单元 驱动电路进行设计。由于产生的触发脉冲超过了控制器所承受的控制信号量， 因此采用d s p + f p g a 的结构来产生多路触发脉冲控制功率器件的开关状态。同 时，还对设计了系统的控制程序。通过硬件电路及控制程序的设计，以及对结 果的分析，进一步验证载波移相控制的可靠性。 级联型高压变频器载波移相调制的应用 第2 章级联型变换器拓扑结构及其控制方法 2 1 多电平变换器的拓扑结构 近年来，电压型多电平变换器拓扑结构的出现，为变频器在高压、大功率领 域的设计提供了可靠的电路拓扑结构，同时使得多电平结构在高压、大功率领域 受到了国内外学者的广泛关注。多电平变换器的思想最早于19 8 1 年由n a b a e 等人 提出的，其基本的思路是由几个电平台阶合成阶梯波，以逼近正弦输出波形。多 电平变换器作为一种新型的高压、大容量的功率变换器，从电路拓扑结构入手， 在得到高质量输出波形的同时还克服了两电平变换器的诸多不足，无需动态均压 电路和输出变压器，开关频率低，开关器件应力小、系统效率高等一系列优点。 下面分别介绍发展较为迅速的两种多电平变换器拓扑结构：箝位型拓扑结构和级 联型拓扑结构【6 ，7 1 。 2 1 1 箝位型多电平变换器 1 ) - - 极管箝位型多电平变换器 自日本学者a n a b a e 、h a k a g i 等人与1 9 8 3 年提出中点箝位型变换器以来，二 极管箝位型多电平变换器得到了广泛的研究。以单相全桥二极管钳位型的三电平 变换器为例，如图2 1 所示。它是由基本开关器件的相互串并联组合而成的结构。 其中分压电容c l = c 2 ，由此可得c 1 、c 2 上的电压都为可2 ，d 口。、见：和见，、见：为 两组钳位二极管。每个桥臂都有四个开关器件相互串联。每两个开关器件会同时 处于导通或者处于关断状态。通过对每相桥臂上的4 个开关器件的导通和关断的控 制，便可得到三种互不相同的开关组合和相应三个不同的输出电平e 、0 、e 。 图2 1 单相全桥二极管箝位三电平变换器主电路拓扑结构 如果要得到m 电平数，只需要将直流部分的分压电容变成一1 ) 个相互串联， 6 工程硕士学位论文 在把每个桥臂上的开关器件换成2 ( m 一1 ) 个串联起来，桥臂上的箝位二极管的数量 为( m 一1 朋一2 ) 个，每隔( 所一1 ) 个跨接在正半桥与负半桥对应的开关器件中进行箝 位，其控制方法与三电平的控制方式类似捧】。 二极管箝位型变换器同时具有多重化和脉宽调制的优点：输出功率大，器件 开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器的连接，动态性能好，传输 带宽比较宽等。但这种变换器也存在着不足：箝位二极管的耐压要求较高，数量 庞大，从而对输出的电平数有限制；开关器件的导通负载不一致；在直流侧容易造 成电容电压不平衡，增加了系统的动态控制难度。 2 ) 飞跨电容型多电平变换器 该拓扑结构同二极管箝位型相同，也是由基本的开关器件相互串一并联组合 而成的结构。其不同之处在于飞跨电容型电路跨接在串联开关器件之间的钳位器 件是电容，而不是二极管。其主电路结构如图2 2 所示。相比于前面的二极管钳位 电路，飞跨电容型电路的电压组合更为灵活，同一个输出电压可以有多种不同的 开关状态组合。飞跨电容型多电平电路同样可以推广到m 电平。 j 吼叫g眦叫g c 1 = n c 2 = 1 v a 4 叫b虬e 图2 2 单相飞跨电容型三电平变换器主电路结构 飞跨电容型多电平变换器的电平合成的自由度及灵活性都高于二极管箝位型 多电平变换器。其优点是：开关方式灵活、对功率器件的保护能力比较强；既能 控制无功功率，又能控制有功功率；适用于高压直流输电系统等。其主要的问题 是：所需的电容较多使得成本增加，且当电平数较高时，安装难度大；系统控制 复杂，且器件的开关频率和开关损耗大，同样存在导通负载不一致的问题。 2 1 2 级联型多电平变换器 级联型变换器是多电平变换器的一种特殊的拓扑结构。这一拓扑结构早在 1 9 8 8 年的p e s c 会议上就被提出，但其得到广泛的应用是在1 9 9 7 年的对级联型拓扑 在电机传动和电网中的应用的讨论之后。如今，级联型变换器拓扑结构以其对电 网谐波污染小、电机的转矩脉动小以及输入功率因数较高等优势，已经在高压变 频领域得到了普遍的认可，并形成了其特有的功率单元结构。如图2 3 所示为级联 7 级联型高压变频器载波移相调制的应用 型三电平变换器在变频器中的一个功率单元拓扑结构【9 】。 如图变频系统中，为了提高系统的功率因数，采用三相的二极管不可控整流 作为直流输入电路。采用大电容做为直流中间环节来进行平波，使得整个功率单 元在输出上呈现出电压源特性。而功率单元的输入端，采用移相变压器，利用其 自身的阻抗大的特性，来实现在变频过程中的限流作用。这样就可以省去限流电 阻与旁路开关，使得系统简化。该变换电路是由左右两桥臂一共4 个i g b t 开关器件 组成，通过对每个i g b t 的开关顺序的控制，即可使每个功率单元的输出呈现e 、o 、 e 三种电平。 图2 3h 桥功率单元 以h 桥功率单元为基本单元，并将功率单元的输出相互串联起来，则构成了级 联型变换器的拓扑结构。三个功率单元相互串联的输出部分级联型变换器拓扑结 构如图2 4 所示。 工程硕士学位论文 在该变换系统中，三个功率单元完全一样，提供的直流电压均为e 。当这三个 功率单元的输出电压都为e 时，经过叠加可以得到系统的输出电压为3 e ；当功率单 元1 的输出为零，而功率单元2 和功率单元3 的输出电压为e 时，经过叠加得到的系 统输出电压为2 e ；当仅有功率单元l 输出电压为e ，其余两个功率单元输出均为零 时，经过叠加得到的系统输出电压为e ；当三个功率单元的输出电压均为零时，系 统的输出电压也为零；当三个功率单元的输出电压均为e 时，经过叠加得到的系 统输出电压为3 e ；当功率单元1 和功率单元2 的输出电压均为e ，功率单元3 的输 出电压为零时，经过叠加得到的系统输出电压为2 e ；当功率单元l 的输出电压为 e ，功率单元2 和功率单元3 输出电压均为零时，经过叠加得到的系统输出电压为 e ；同时还有当有一个功率单元的输出电压为零，其余两个功率单元的输出电压 分别为e 、e 时，经过叠加得到的系统输出电压也为零。由上可知，系统一共可以 输出7 种不同电平的电压，而且每一种电压都对应了至少2 种开关状态，这样就提 高了系统的灵活性，能够选择最优的搭配方式来解决动态和静态均压的问题。表 2 1 为其中一种实现三单元级联7 电平的功率单元输出以及叠加后总输出状态。 表2 1 三单元级联7 电平输出状态 对于级联3 h 桥变换器，串联单元数m 和输出电压波形所含电平数n 之间满足 刀= 2 m + 1 的关系。 单元级联3 h 桥变换器具有以下优点： 1 ) 获得同样的电平数输出时，使用的器件较少，容易实现电平数较高的输出； 2 ) 每个变换器单元具有相同的结构，容易进行模块化设计和封装； 3 ) 由于各个变换器单元之间是相对独立的，因此可以比较容易的引入软开关 控制； 4 ) 直流侧采用独立的直流电源，虽然所产生的电压相同，但是不存在电压不 均衡的问题，容易实现p w m 控制，而直流电压可以采用不可控三相整流得到，相 互之间没有影响； 5 ) 电路设计可以使用功率单元旁路电路，从而使得控制系统可以在线切除故 障单元，以保证系统的正常运行。 当然，这种拓扑结构也存在一定的缺点： 1 ) 对于有功功率的变化场合，需要独立直流电源，使得其在应用到某些领域 9 级联型高压变频器载波移相调制的应用 时受到限制； 2 ) 采用三相不可控整流的方式产生直流电源时，与电网连接需要采用移相变 压器，这使得系统的结构复杂，体积较大； 3 ) 由于h 桥是单相控制的，因此时刻都有交流电流通过直流电容，所以需要 使用容量较大的电容，使得成本增加。 总之，多电平变换器拓扑结构的出现，很大程度上推动了变频器由低压、小 功率向高压、大功率产品的转变。特别是级联型多电平变换器拓扑结构，以其易 于模块化的结构优势、消除了功率单元器件的动态、静态均压问题以及对谐波和 共模电压的抑制等特点，成为目前高压变频器中最为流行的拓扑结构。下面的控 制算法就是以级联型拓扑结构为基础而设计的控制方式。 2 2 载波移相控制算法 载波调制技术是指，把希望输出的波形作为调制波，把接受调制的信号作为 载波，通过调制波和载波的比较，来获得开关器件的控制信号【10 1 。其中当所希望 输出的波形为正弦波时，即调制波为正弦波，则称正弦脉宽调制技术( s p w m ) ，其 调制原理如图2 1 所示，其比较规则为：当正弦波的值比三角波大时，则产生高电 平，而当正弦波的值比三角波小时，则产生低电平。该方法的采样一般采用自然 采样或者规则采样法等。 图2 5 正弦脉波调制原理 多电平载波s p w m 控制是一种比较优秀的控制方式，它以两电平载波s p w m 控制为基础，经过扩展和延伸而产生的。由于多电平变换器的载波是由多个载波 组成，因此根据各个载波的移动方向不同，可以把多电平s p w m 的调制方法分为 两类：其一，若载波是由多个幅值相同的三角载波垂直叠加而成，然后在和同一 个正弦调制波相比较，从而产生s p w m 的控制信号，则称为载波垂直移相法。这 种方法主要适用在二极管箝位型的多电平拓扑结构当中；其二，若载波是由多个 幅值相同但相位相互错开一定的角度的三角波与正弦调制波相比较，从而产生 s p w m 控制信号，来控制各个功率开关器件，然后再将输出波形相互叠加生成 1 0 丁程硕士学位论文 s p w m 波形，则称为载波水平移相法。这种方法一般采用级联型h 桥的拓扑结构， 而且也适用于飞跨电容型拓扑结构。下面分别对载波垂直移相和水平移相技术的 控制算法进行介绍。 2 2 1 载波垂直移相技术 三角载波垂直移相技术一般使用在拓扑结构为二极管箝位型的多电平变换器 中。在这种控制方式中，如果要得到n + i 电平的变换器，那么则要采用n 个幅值 和频率都一致的三角波，并且每个三角波在垂直方向上都移动相应的幅度，然后 再与同一个正弦调制波进行比较，从而得到不同的输出电平，来实现对功率开关 器件的控制。根据三角载波相位的关系，又可以将其划分为三种不同的方式j 2 1 ， 分别为：载波同相方式( p d ：p h a s ed i s p o s i t i o n ) 、载波正负反相方式( p o d ：p h a s e o p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ) 、载波依次反相方式( a p o d ：a l t e r n a t i v ep h a s eo p p o s i t i o n d i s p o s i t i o n ) 。 载波同相法又称为p d 方式，这种方法所采用的三角载波为幅值和相位完全相 同。以级联型6 功率单元串联的多电平变换器为例。6 个功率单元的电路，则需要 6 组幅值与相位相同的三角载波，对称的分布在正弦调制波的正负半波中。这6 组一共1 2 个三角载波在垂直方向上移动了1 个单位，但都具有相同的相位。其对 功率单元开关器件的控制方式为，每一组的正负三角载波与正弦波比较分别控制 每个功率单元的两个桥臂。以最上面的一组为例，最上面的三角载波与正弦调制 波比较得到的脉冲控制一个功率单元的左桥臂，那么其对称的最下面的三角载波 与正弦波比较必定控制同一个功率单元的右桥臂，其他的功率单元与次类似。在 控制时，当正弦波比一组三角载波正半波中的载波大，那么该三角载波所对应的 功率单元中左桥臂的上开关导通，下开关关闭；若正弦波比三角载波同组的另一 个载波大时，那么该三角载波所对应的功率单元中左桥臂的上开关导通，下开关 关闭。另外，每一相的三角载波没有次序先后的关系。其调制原理如图2 6 所示。 之 鲻 铎 足 鲻 壬e 寒 图2 6p d 调制原理图 载波正负反相方式又称为p o d 方式，这种调制方式与载波同相方式的不同之 l l 级联型高压变频器载波移相调制的应用 处在于，其三角载波组中的一对载波为正负相反的三角波。在零以上的三角波与 零一下的三角波相位相反。同样以6 功率单元为例，与p d 方式类似，所需的三角 载波同样是6 组1 2 路。与p d 方式不同的是，每一组的2 路三角载波为相位相反。 其功率模块中的载波分布于p d 方式的分布一样，产生功率开关控制脉冲的三角载 波也是分布在以零为中线的对称位置。其调制原理如图2 7 所示。 图2 7p o d 调制原理图 载波依次反相方式又称为a p o d 方式，该方式的正弦波与上两中方式相同， 但是相邻的三角载波的相位相反，其调制原理如图2 8 所示。 图2 8a p o d 调制原理图 通过以上的分析可以看出，三种控制方式的不同之处在于三角载波的分布不 同，每相调制当中，都只用了一个正弦波作为调制波。而且其仿真结果可知，在 谐波消除方面，p d 方式的效果最好，其次是a p o d 方式，而p o d 方式的谐波消除 最差。在低频时，三种调制方式的t h d 较高。三种方式线电压中都不存在载波倍 数的谐波，但是a p o d 和p o d 却含有少量的边带谐波，由此可见，p d 方式比其他 两种方式更加适合与三相逆变系统。 由于载波垂直移相法主要以二极管箝位型为拓扑结构，在级联型拓扑结构中 该方法使用的较少。而较箝位型拓扑结构，级联型更适合高压、大功率变频器， 因此在高压变频器控制方法中较少采用载波垂直移相法。经过大量的科学试验以 及实践经验，出现了适用于级联型拓扑结构的载波水平移相法。 1 2 工程硕士学位论文 2 2 2