（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器的pwm控制策略研究.pdf

a b s t r a c t t h r e e 1 e v e li n v e r t e ri sa p p l i e dw i d e l yi n t h em a n yi n d u s t r yf i e l d sf o r i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h r o u g hr e f e r r i n g l o t so fn a t i o n a la n dn a t i v e c o n f e r e n c ed o c u m e n t s ，t h eu n d e r s t a n d i n gt ot h ec u r r e n tr e s e a r c h e so ft h r e e l e v e li n v e r t e ra r eo b t a i n e d ，t h ep r o f o u n dc o m p r e h e n dt ot h ef e a t u r e so ft h e d i f f e r e n tp w mc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc o n t r o lm e t h o d sa r ea c q u i r e d t h e p a p e rd e e p l y a n a l y z e s f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c e a n d d e v e l o p m e n t o ft h r e el e v e li n v er t e r ，a n d c o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o ft h r e ek i n d so f t y p i c a l m u l t i l e v e lc i r c u i t b a s e do n a n a l y z i n gi n v e r t e rc i r c u i t sb a s e do nt h eh y b r i dc e l l si m p r o v e db yhc a s c a d e i n v e r t e rc ir c u i t s u s i n g t h e i n d e p e n d e n tp o w e r a n d b r i n g f o r w a r dan e w c o n t r o lp a t t er nf o r h y b r i dm u l t i l e v e li n v e r t e rw h i c hu s e sd i f f e r e n tv o l t a g e r a t i oi nt h eh y br i dc e l l sf o rg e t t i n gm o r em u l t i l e v e lv o l t a g e s t h ep a p e rd e e p l ya n a l y z e st h ec i r c u i te q u a t i o n so ft h r e el e v e l si n v e r t e r ，a n de s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e - 1 e v e li n v e r t e rb a s e do d t h es w i t c h f u n c t i o n ，d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o n o fv a r i o u sc ur r e n tp w m c o n tr o lt e c h n i q u e sa n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e m ， a n dt h eh y s t e r e t i cb a n dc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e el e v e li n v e r t e ri s s t u d i e di nd e t a i li nt h ep a p e rb a s e do nc l o s el o o pp w mc o n t r o l l e r t h e nt h i sp a p e rd e e p l ya n a l y s e sp w mc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h r e e l e v e l i n v e r t e r t h ep a p e rd i s c u ss e sa n dp r o p o s e ss p w m s t r a t e g ya n dt h ev o l t a g e s v p w m a l g o r i t h mi m p r o v e d ，a n dp r o v i d est h er e s u l t st h a tt h e ya r es i m p l e a n de f f e c t i v et h r o u g hs i m u l a t i o n w h i c hi n d i c a t et h a tt h e y a r ea c c ur a t ea n d f e a s i b l e t h ep a p e ri n t r o d u c e ss v p w mm o d u l a t i o n so ft h r e e l e v e li n v er t e r i n c l u d i n go p t i m a ls p a c ev e c t o rp w m c o n t r o l l e ra n ds i m p l es v p w mc o n t r o l a r i t h m e t i c f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m so fn e u t r a lp o i n tc o n t r o lt h a t e x i s t si nt h et h r e e l e v e li n v e r t e r ，a n da d o p t st w om e t h o d st oc o n t r o ln e u t r a l v o l t a g eb a l a n c en a m e l yj u d g i n gp o w e rd i r e c t i o na n dd e t e c t i n gi n s t a n t a n e o u s c u r r e n tv a l u e k e y w o r d ：t h r e e l e v e l i n v e r t e r ；t o p o l o g y s t r u c t u r e ：p w mc o n t r o l s t r a t e g y ；s p w m ；s p a c e v e c t o rs v p w m ；n e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lc o n t r o l i i 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：强。2 民 臼期：，眇( 晖j 1 ，。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沦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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：1 加4 ：年f 月，o 目 鹊憩鸿日期：抽乒年厂月，口目浓碍 、起t 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都 比较成熟，但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，丽为了适应 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。均压电路使系 统复杂化、损耗增加、效率下降。 由于两电平逆变器存在以上不足，1 9 7 7 年德国学者h o l t z 提出三电平逆变器 主电路及其方案，其中每相桥臂中带一对开关管，以辅助中点箝位。后来，日本 长冈科技大学的n a b l ea 等人于1 9 8 0 年在此基础上继续发展，将这些辅助开关管 变成为一对：极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点筘位。提 出了多电平逆变器( m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 的思想，即由几个电平台阶合成阶梯 波以逼近正弦波输出电压”“。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。 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， 在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点：无须输出变 压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件承受的电压应力小，系统效率 高，d u d t 较小对电机绝缘十分有利等。因此，自8 0 年代以来它的方法已被广泛 应用于逆变器及大功率高压供电的交流调速领域。如日本三菱公司已研制出容量 8 0 m w ，应用于轧钢的三电平双p w m 高频整流逆变调速系统，以适用于四象限运行 及动态性能要求较高的场合。 因此，随着多电平逆变器在高电压、大电流、大功率领域得到越来越多的 关注。对它做进步深入全面系统的研究是很有实际意义。可以预见在不远的将 来，多电平逆变器必将有着更为广阔的应用前景。 1 2 多电平逆变器的研究进展 自日本学者n a b l ea 首次提出多电平逆变器的主电路结构以来，它的出现为 中高压逆变器的研制开辟了一条全新的思路，现在对三电平逆变的研究，不仅在 理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应用等方面都取得很大的成功。 主要的研究内容和所取得的成果体现在以下几个方面： 三皇兰耋壅矍竺! 些丝! ! 丝堕堑窒 一。! 。= 自! f = e 自= e = = 1 2 1 新型主电路拓扑结构的研究 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有实用意义的一 种电路。多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑结构，但归纳起来 主要有三种：( 1 ) 中点钳位型( n e u r a l p o i n t c l a m p e d 简称n p c ) 多电平逆变器或 二极管钳位( d i o d ec l a m p e d ) 多电平逆变器，( 2 ) 飞跨电容型( f l y i n g c a p a c i t o r s ) 多电平逆变器，( 3 ) 具有独立直流电压源的级联型逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e r s ) ”。 飞跨电容器多电平逆变器由于电容器的问题应用很少，中点钳位多电平( n p c ) 逆 变电路应用较广泛，逆变单元串联结构比中点钳位多电平( n p c ) 电路，多级易于 实现，无中点电位波动问题，逆变单元故障时可以将其旁路，可靠性高，目前应 用较广。 1 2 2 多电平逆变开关器件的研究 经过几十年的发展，器件制造技术不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分 立器件，以可关断晶闸管( g t o ) 、巨型晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为代表的功率集成器件( p i d ) ，以智能化功率集成电路( s p i c ) 、高压功率集成电 路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流 过零关断的半控器件发展到p i d 、p i c 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与 关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可控硅”“。 关于多电平逆变器开关器件与模块的发展概况可参见表i 1 。 表1 1多电平逆变器开关器件与模块的发展概况 发展历程器件类型控制模式 结构特点 第一代普通型双向半控换相关分立器件，分立器件组成 分立器什 型逆导型快断电流型控的模块：分立器件与辅助 ( d d ) 晶闸管速型光控型 制电路组成的模块。 门极可芙 集成器件，集成器件与辅 断型g t o 助电路组成的模块。 第二代功巨型晶体管g t r 全控、电流 率集成器件绝缘栅双极晶体管i g b t 型控制 集成器件，或几个集成器 ( p i d ) 集成门极换流晶闸管i g c t件与辅助电路、智能 射极关断晶闸管e t o电路组成的智能模块。 第三代功率智能功率集成电路( s p i c ) 全控、电压 含有功率器件在内的多功 集成电路 高压功率集成电路( h v i c ) 型控制 能单元集成的、智化的超 ( p i c ) ( i p m )智能化功率模块( i p m )大面积集成电路。 硕士学位论文 在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大 降低了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度， 从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不断提高a 在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级 模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起 的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开 发出具有智能化功能的模块( i p h ) 。 所有这一切为高频逆变技术的开发，为逆变器实现高频化、小型化、轻量化， 为节能、节材、提高效率与可靠性奠定了基础。随着电力电子技术的发展，特别 是可关断晶闸管g t 0 ，电力晶体管g t r ，绝缘门极晶体管i g b t ，集成门极换流晶闸 管i g c t 和射极关断晶闸管e t o 等具有自关断能力全控功率元件的发 展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制， 从而使逆变装置的快速性，可靠陛及经济性不断提高，逆交器的性能也得到不断 完善。 适合中高压逆变装置的功率器件有门极自关断晶闸管g t 0 、绝缘栅双极晶体管 i g b t 、集成门极换流晶闸管i g c t 和射极关断晶闸管e t o 等。下面分别介绍： ( 1 ) g t o 是最早的大功率自关断器件，其优点是高耐压、大电流密度和大 电流下的低导通压降，缺点是关断时间长，关断不均匀，易产生局部过热而失效， 而且需要复杂的缓冲电路等，这些不足之处，严重地限制了g t o 在中高压变频领 域的应用； ( 2 ) i g b t 具有快速的开关特性，易驱动，关断均匀，无需缓冲电路，足一种 性能优良的功率器件，目前的最高额定值是6 5 0 0 v 6 0 0 a ，适应于较高频率的应 用场合。其主要缺点是通态压降高和关断时的电流拖尾现象； ( 3 ) i g c t 是在g t 0 的基础上发展起来的新器件，兼有i g b t 和g t o 两者的优 点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的兆瓦级、中高压开关器件。 ( 4 ) e t 0 是一种m o s f e t 控制的晶闸管，所以既具有晶闸管所具有的高阻断电 压、大电流密度和低通态压降，又具有m o s f e t 器件的电压驱动、开关特性好等优 点。，所以e t o 非常适合于中高压、高频率的应用场合。理论和实际都表明，e t o 具有非常大的发展潜力。 1 2 3 多电平逆变器控制策略的研究 随着高电压、大功率器件，如i g b t 、h v i g b t ，i g c t ，e t o 等的普及，多电平 逆变器得到了越来越广泛的应用。多电平逆变器是在传统的两电平逆变器一方波 逆变器( 输出n + v 或一v ) 的基础上发震起来的。目前研究的多电平逆变器主要有 三电平逆变器( 输出为+ v 、0 、一v ) ，五电平逆变器( 输出为( + 2 v 、+ v 、0 、一v 、 三电平逆变器的p w m 控制策略研究 一2 v ) 和七电平逆变器( 输出为+ 3 v 、+ 2 v 、+ v 、0 、一v 、一2 v 、一3 v ) 这几种主要的 形式。文献 0 3 0 4 中给出多电平逆变器的一般拓扑结构，它们开关的组合和其 对应的逆变器的直流输出电压状况。 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 ) 优化开关矢量，限制最大开关频率，减少输出量的谐波数，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。目前中点电位的控制，主要采用的方法有电流迟滞比 较法，它类似于普通两电平的迟滞电流比较，通过检测负载电流的变化，调整开 关脉宽，该方法获比较好的负载变化的动态响应。 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”“。多电平逆变器的控制方法主要有以下几种： 1 电流控制p w m 技术 电流控制电压型逆变器( c u r r e n t c o n t r o l l e dp w m 简称c c p w m ) 是种电压 型逆变器的直接电流控制方法。它是一种新颖的控制技术，其特点是：通过监测 电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电 压反馈回路中误差放大器输出的信号变化而变化。常用的电流控制p w m 控制方法 有： ( 1 ) 线性电流控制：线性电流控制也叫正弦三角形电流调节器或斜坡比较电 流调节器，它适用于大量应用场合，尤其适用于中、低性能的传动，具有控制简 单、对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性的特点，而且它的性能随着现代功率器 件刀：关频率的增加而得到改善。 ( 2 ) 滞环电流控制：滞环电流控制是一种瞬态反馈系统，逆变器输出电流跟随 给定电流。因为给定电流为正弦波，所以实际输出电流被限制在正弦波形的给定 电流周围脉动，基本上是正弦波。该方法的优点是快速的瞬态响应，高度的准确 性及较强的鲁棒性。然而，滞环电流控制与当今的全数字化趋势不相适应，因为 它的瞬态响应性会被a d c 及微机中断延时所降低。 ( 3 ) 预测电流控制：预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误 差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此下一个调节周期 p w m 产生的电流矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差 外更多的信息，则可获得比较快速，准确的响应。目前这类调节器的局限性是响 ：堡堂丝壑二一 应速度及过程模型系数参数的准确性。 2 电压型逆变器的p w m 调制控制 ( 1 ) 阶梯波脉宽调制阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的 方法，在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次 谐波的消除和抑制。 ( 2 ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 其基本原理是使用几个三角波信号和一个参考信 号( 每相) 比较，产生s p w m 信号。通过将三角载波进行合适的移相，可以实现选 定次数谐波的消除，该方法具有简单，直观等优点，此外，由于输出波形由方波 改进为p w m 波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题， 也降低了电动机的谐波损耗和噪声。其缺点是功率管的开关频率高，开关损耗大， 装置效率低。 ( 3 ) 注入3 次谐波p w m 为了提高直母线电压的利用率，仿照二电平电路s p w m 方法中注入三次谐波方法，通过在较高频率的参考正弦波中，注入合适大小的3 次谐波，来提高基波输出电压的幅值。 ( 4 ) 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 将两电平s v p w m 方法加以推广，即可得到三 电平或多电平s v p w l , ! 。以三相三电平为例，每相输出可为正( 1 ) 、零( 0 ) 、负( 一 1 ) 三种状态，将三相的三种状态进行组合，可得到2 7 种状态，由此可得到三相 三电平的六角形空间矢量图。其方法是对某一个电压空间矢量，用位于该区域的 部分或全部电压矢量适时切换来使得输出电压逼近正弦波形。实际应用中，优化 空间电压矢量法还是用得较多的一种，该方法以电动机内部旋转的磁通矢量为控 制对象，通过选择不同扇形区的矢量来合成主磁通，它比较直观、明确、易于实 现。但由于三电平拓扑能产生2 7 个电压矢量，较普通二电平结构复杂，关键问题 要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之内，还要考虑矢量选 择对中点电位的影响，因同一种电压输出有不同的开关模式，不同的开关状态的 组合对箝位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的开关 过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。这就是 优化空间电压矢量的基本原理。空间矢量p w m 脉宽调制主要具有以下优点：在大 范围的调制比内具有良好的性能，无需大量的存储空问来存放角度值，结构简单， 控制方便，直流母线电压利用率高，所以得到广泛的研究和应用。也是在现有三电 平高压大功率逆变器中应用得较多的一种控制逆变技术，它是功率变换技术的最 新发展动向。一方面是满足产业应用的需要，如交流变频调速和电力牵引。另一 方面是这一领域有许多挑战性的前沿课题，如大功率开关容量( 5 0 m v a ) ，( 高耐压 ( 9 0 0 0 v ) 、大电流( 6 0 0 0 a ) 的新型大功率器件，大功率逆变器的串并联和动态 投切，新型多电平逆变器，柔性交流输电系统等，都需要高压、大功率逆变技术。 综上所述，电流控制p w m 技术还存在一些局限性，而应用现代控制理论可以 三电平逆变器的p 耐控制策略研究 克服这些缺点，所以应用现代控制论是它的必然发展趋势。 随着逆变器输出电平数的增加，控制策略就变得越来越复杂，计算量也就越 来越大。在保证精度的前提下，为了减少计算量，文献 0 6 提出了一种优化的矢 量控制算法，仿真研究证明了该算法能大大降低谐波分量，而文献 0 7 则引用了 “虚时间”和“有效时间”的概念，提出了统一电平调制的控制算法。在多电平 逆变器结构中，随着电平数的增加，输出的谐波成分不能忽视，文献 0 8 研究逆 变器的叠加模型与控制技术，文献 0 9 1 0 1 1 研究七电平逆变器的控制与叠加 技术，它通过控制逆变器输出各阶梯的相位来减少单个逆变器的谐波含量( 或消 除某些谐波) ，即使在叠加的组数较少的情况下，也能达到很好的效果。在文献 1 2 1 3 采用4 组三电平g t o 逆变器，通过逆变器侧的变压器磁路的串联叠加， 得到了2 4 脉冲的输出，其谐波分量为4 8n 1 。文献 1 3 研究基于三电平g t o 逆变器的叠加，通过电感连接减少了变压器的数量。由于在多电平逆变器中电容 的中点电压的漂移问题不容忽视，在文献 1 4 1 5 1 6 中提出了两种控制调节方 法，以三电平逆变器为例，方法一为调节小矢量的作用时间；方法二为改变基本 电压矢量的作用时问和顺序“。文献 1 7 提出一种新颖的零电压零电流开关p w m 三电平直流变换器，它是在基本的三电平直流变换器的变压器侧串入一个阻断电 容，使一次电流在零状态时减小到零。为了使一次电流在零状态是减小到零后不 再反方向流动，在两个滞后管中分别串入一个= 极管。该变换器可以实现超前的 零电压开关和滞后管的零电流开关。由于在零状态中一次电流为零，减小了通态 损耗，因此可以提高变换效率。文献 1 8 提出一种基于移相谐波抑制的多电平空 间矢量p w m 方法。适用于级联型多电平电路，通过串联单元问参考电压的移相来 消除谐波，大大简化了硬件设计，算法简单，易于编程。文献 1 9 提出了一种适 用于二极管钳位式三电平的空间矢量p w m 方法，可解决电容电压平衡问题和窄脉 冲问题。文献 2 0 2 1 中给出了多电平逆变器的软开关控制模式。 1 3 多电平逆变技术的主要应用现状 电力电子功率变换器的输出电压和电流，除基波分量处，还含有一系列的谐 波分量，这些谐波会使电机产生转矩脉冲，增加电机的附加损耗和电磁噪声，也 会使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。随着电力电子 变换器的日益普及，谐波和无功电流给电网带来“电力公害”越来越引起人们的 重视。以前解决此问题的方案是采用有源滤波和无功补偿装置。现在的趋势是采 用“绿色”电力电子变换器，它的功率因数可控，各次谐波分量均小于国际和国 家标准允许的限度。其中多电平逆变器就能较好的解决以上问题。 三电平逆变器不仅能应用于大功率高输入电压的逆变场合，而且能应用于如 静止无功补偿、电力有源滤波器等电力电子装置中。因此在灵活电力系统和用户 硕士学位论文 电力技术方面也有广阔的应用“。 ( 1 ) 高性能的高压大容量交流变频调速技术 由于多级电压梯波减少了d u d t ，对电机绕组绝缘要求也有所降低；将普通 多相电动机做一些绝缘加固处理变可以应用于变频调速系统。从电路拓扑上来看， 一些薪型多电平电压型逆变器由于具有动态性能好，效率高，对电网和电机产生 的谐波少，适合高压大容量等突出优点，在高压大容量交流调速领域日益受到重 视。在我国，面临工业用电的巨大浪费和环境污染问题，大力发展高压大容量交 流调速技术是一条行之有效的解决途径。 ( 2 ) 多电平双p w m 高频整流逆变调速系统，实现四象限运行 如三电平双p w m 整流逆变采用双p w m 的多电平结构，整流侧也采用逆变一样 的多电平结构，很容易实现四象限运行，p w m 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输出波形的正弦度，能作到p f = i ，t h d 很细。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 要大大小于二电平整流器。如日本多菱公司已研制出容量 8 0 m w ，应用于轧钢的多电平双p w m 高频整流逆变调速系统，以适用于四象限运行 及动态性能要求较高的场合。 ( 3 ) 高压直流输电( h v d c t ) 在远距离输电( 如跨地域输电) ，非周期输电( 非同步) 的电力系统实现联网 方面，高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量( 少一根 输电线) 。直流输电需构成特大功率的整流和逆变装置。多电平级联型变流器输出 电压的相位和幅值便于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低，并有很高的可 靠性，再加上其模块化设计的简单结构，因此在高电压级别的高压直流输电中也 得到较多的应用。如巴西伊泰普h v d c t 工程运行电压最高为6 0 0 k v ，输送功率为 3 】5 0 m w ，线路长8 0 0 k m ，它代表了当今h v d c t 水平。鉴于我固地域辽阔，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 ， 1 2 0 0 m w 输电工程建设中也用了该项技术 ( 4 ) 电能质量综合治理中的应用 单个桥能输出三种电平，线( 相) 电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出 波形失真度减少，因此谐波大为减少。且又能产生3 3 3 种空间电压矢量，较 两种电平大大增加，矢量的增多带来谐波消除算法的自由度，可得到很好的输出 波形。多电平级联变流器在电能质量综合治理中的应用也开始受到人们的重视。 在中、高压等级余下的小部分无功可以由电力有源滤波器来补偿：系统中的谐波 和电压不平衡则由电力有源滤波器和动态电压补偿器来联合消除。在高电压等级 的电能质量综合治理中采用级联型变流器作为主电路是有其理论基础和实践意义 的，但中、高电压等级的电能质量治理在国内仍处于起步阶段，提出用多电平级 三屯平逆变器的p 删控制策略研究 联型变流器作为装置主电路不失为一条有益的探索a 1 4 论文的主要研究工作 在参阅国内外大量文献的基础上，分析了多电平逆变电路拓扑结构，并比较了 几种典型多电平电路拓扑结构的优缺点。这些结构包括基于二极管电容钳位的 “中点钳位逆变电路n p c ( n e u t a lp o i n tc l a m p e d ) ”和“具有自均压功能的逆变电 路( s e l fv o l r a g eb a l a n c i n g ) ”，使用独立电源钳位的“h 型桥串级逆变电路 ( h - b r i d g ec a s c a d e ) ；以及由其改进的得到的“基于混合单元电路的逆变电路 ( h y b r i dc e l l ) ”在分析“基于混合单元电路的逆变电路”时，本文提出了 种使用不同电压比的控制模式，并对其可行性做了分析论证。 本文以二极管钳位逆变电路为基础分析了三电平逆变器的基本原理，并在以 开关状态构成桥臂函数概念的基础上建立了三电平逆变器的数学模型，并在旋转 坐标下进行坠标变换最后对三电平逆变器的p w m 控制结构进行分析研究，归纳、 总结成为两类p w m 控制结构，一是基于开环控制的p w m 控制器，主要研究了正弦 s p w m 方法、空间矢量s v p w m 控制方法。二是基于闭环控制的电流p w m 控制结构。 重点分析了滞环电流p w m 控制器、线性电流p w m 控制器、预测电流p w m 控制器。 并且分析了这些方法的优、缺点。 对三电平逆变器的基本原理、工作特性和主要空间矢量p w m 控制策略进行了 重点分析。常见的有以下几种，一是正弦s p w m ，二是空间矢量p w m 法，本文提出 在s i m u l i n k 环境下实现多电平逆变器的正弦s p w m 和空间矢量p w m 调制策略，仿 真表明，该法简单有效，无需编程，易于数字化实现。 最后还对其普遍存在的中点电压漂移的控制基本原理进行了充分的介绍，并 指出两种解决办法，一是判断逆变器功率流向法，二是检测电流瞬时值法，并对 其有效性做了分析论证。 硕士学位论文 第二章多电平逆变电路的拓扑结构 随着电力电子技术的发展，交流变频技术及其装置得到了广泛的应用。现有 变频技术以脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式为主，由于该方式固有特 性的影响，系统中不可避免的产生高次谐波电流、漏电流及空间电磁波等电磁干 扰e m i ( e 1 e c t r o n i cm a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 而在国防、电力、航空、石油等领 域的重大设备，以及城市交通车、电动汽车等高新技术产品方面又急需无电磁污 染或电磁污染较弱的电力电子装置。基于多电平变换的波形重组逆变技术是这一 领域的热点课题之一，它通过将多个功率器件按一定的拓扑结构组成可提供多电 平输出的逆变电路，然后使用适当的逻辑实现所需的波形( 例如正弦波形) 。由于 这种技术可以降低装置输出波形的谐波分量，使整个电路具有低开关频率、高电 路利用率和低电磁干扰等特点，因此为消除谐波、实现清洁电源的研究提供了一 条新的途径。波形重组技术可以应用在交流一直流( a c d c ) ，交流一直流一交 流( a c d c a c ) ，直流一直流( d c d c ) 等许多变换场合。因此正在受到越来越 多的重视和研究”“。随着近年电力电子积木p e b b ( p o w e re l e c t r o n i c sb u i i d i n g b l o c k ) 技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，也为多 电平变换电路拓扑的发展提供了技术支持”“。 传统逆变器所造成的电磁污染主要源于其自身具有较高的d 肛和d d ，克 服这一缺点常用的方法具有软开关技术和本文讨论的多电平变换波形重组技术 等。多电平电路的主要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形，从而 减弱输出波形中喈波影响。为了逼近正弦波形要解决的主要问题是如何准确的对 组成波形的每个电平进行钳位。这里的钳位有两个含义，一是在功率器件开通时 通过辅助器件的钳位作用将电路输出电平稳定在一个固定值；另一个是在功率器 件关断时，通过钳位作用将器件两端承受的电压限定在一定值以内。这样既可以 事先设定电路输出电平的大小，又可以在电路工作过程中避免由于过电压损坏功 率器件。有了稳定的电平钳位结构，就可以以耐压低的功率器件组成电路的基本 单元，并通过适当的拓扑结构组合出满足不同要求的输出波形，或将其串联后应 用到高压场合。 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有实用意义的一 种电路。多电平逆变器的思想提出至今，经过多年的研究发展出现了许多电路拓 扑，但归纳起来主要有三种拓扑结构：( 1 ) 中点钳位型( n e u r a l p o i n t c l a m p e d 简称n p c ) 多电平逆变器或二极管钳位( d i o d e - c l a m p e d ) 多电平逆变器，( 2 ) 电容 钳位式( f l y i n g c a p a c i t o r ) ，( 3 ) 具有独立直流电压源的级联型逆变器 ( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e dd es o u r c e s ) 。近年来，从不同的应用领 三电平逆变器的p w m 控制策略研究 域研发出了多种基于多电平逆变电路的基本结构，但研究其拓扑结构理论特点的 论述还很少。多电平逆变电路的核心问题是电平钳位( v o l t a g ec l a m p e d ) 。“。除 了电平钳位问题外，电路单元间的动、静态均压，简化开关控制逻辑，在相同电 平数输出下减少使用的功率器件，功率能否双向流动等也是分析多电平电路必须 要考虑的问题。在此基础上对多电平电路拓扑结构进行了分类并分析了几种典型 多电平电路拓扑结构的优缺点。在分析“基于混合单元电路的逆变电路”时，本 文提出了一种使用不同电压比的控制模式，并对其可行性做了分析论证。 2 1 二极管钳位多电平逆变电路 “二极管钳位逆变电路( d i o d e c l a m p e d ) ”是多电平逆变电路拓扑结构中发 展最早的一种，又称为中点钳位逆变电路( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 。这种电路通 过多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相 应的丁f 弦波形”5 ”。 2 1 1 二极管钳位多电平逆变电路拓扑结构 图2 ，1 是一个基于半桥结构的中点钳位三电平逆变电路，电容c 、c 。为变换 电路提供了2 个相同的直流电压，二极管d 。、d ：用于电平钳位。 逆变屯。路结构 交 流 负 载 图2 1 中点钳位三电平逆变电路单元图 在图2 1 中同时导通s 、s 。，关断s ，、s 。时，在逆变电路输出端可以获得一个 正电平；同时导通s ：、s 。，关断s 。、s 。时输出电压为零；同时导通s 。、s 。，关断s 、 s z 时，可在输出端得到一个负电平；从电路结构可以看出零电平是靠s ：、s 。和二极 管d ，、d z 共同作用实现的。通过对s 。m s 。四个开关器件的控制，可以在输出端合 成三电平的波形。如果需要在三相电路中使用该拓扑结构，只要简单地并联三个 与图2 1 相同地电路单元即可。 硕士学位论文 2 1 2 二极管钳位逆变电路工作原理 以输出相电压u 这相为例，分析图2 1 所示三电平逆变器主电路工作情况。 ( 1 ) 给q ，、q ：导通触发脉冲，q 。、q 。关断时：如负载电流为流入方向( 相对于 负载) ，则电源对电容c 。充电，电流流过主管q 。、q 。，忽略管压降，该相输出端电 压u = e d c 2 ；如负载电流为流出方向，电流流过与主管q ，、q 。并联的续流二极管对 电容c ，充电，则该相输出端电压是u = e o c 2 ( 2 ) 给o 。、q 3 导通触发脉冲，q 。、q 。关断时：如负载电流为流入方向，则电源 对电容c 。充电，电流流过钳位二极管d 、主管0 z ，此时该相输出端电压u = 0 ；如 负载电流为流出方向，电流流过与主管q 。并联的续流二极管，再流过c t 拖- - 极管 d 。，电源对电容c ：充电，则该相输出端电压是u = 0 ( 3 ) 给q 。、q 。导通触发脉冲，q ，、q 。关断时：如负载电流为流入方向，则电源 对电容c ：充电，电流流过主管q 。、q 。，该相输出端电压u = 一e d c 2 ；如负载电流为 流出方向，电流流过与主管q ，、q ；并联的续流二极管对电容c ：充电，则该相输出 端电压是u = 一e n c 2 2 1 3 二极管钳位逆变电路主电路控制要求 如图2 1 所示，从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，不难得出u 相输出端的三种状态：“1 ”状态，u o = + e 一2 ：0 状态，u o = 0 ；“一1 ”状态，u o = 一e 。2 。为了保证u 相每个功率器件在关断状态承受e 。2 电压，且u 相状态变化 时，通过中性点电位0 的过渡。由分析可以看出，对主开关器件控制脉冲是有严 格要求的，以防止同一桥臂贯穿短路。即：q ，与q 。、q ：与q 一的控制脉冲都要求是 互反的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的原则。并且输出端电位由e 。2 向一艮2 转变时先要经过o 电位的过渡，即每相电位只能向相邻电位过渡，不允 许输出电位的跳变。表2 1 给出了u 相电位发生变化时，功率开关器件的工作状 态。 表21u 相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态 u 相状 变化前功率器件状态变化后功率器件；失态 态变化 q ：q 。吼q 。q ：q 。q ；q 。 o l + 1 一o + o - 一1 + 一1 0 + 三电平逆变器的p w m 控制策略研究 2 1 4 二极管钳位逆变电路的优缺点 由原理图不难看出，二极管钳位的多电平逆变器相比传统二电平逆变电路优 点显著。其相电压输出由两电平变为三电平，线电压由三电平增加为五电平，而 每个电平的幅度则由原来的整个直流母线电压降低为一半直流母线电压，因此输 出电平的d 。d ，也下降为原来的一半。如果增加每个单元中串联的开关器件数，还 可以在输出电压波形中产生更多的电平数，从而使输出波形更好地逼近标准正弦 波形。 中点钳位逆变电路的主要缺点有： ( 1 ) 随着输出电压的增高相应电平数也要增加，此时需要大量的钳位 二极管从而使电路结构变的复杂。这一缺陷可以用电力电子积木p e b b ( p o w e r e l e c t r o n i c sb u i l d i n gb l o c k ) 技术加以解决，但电路的开关控制逻辑却依然十分 复杂； ( 2 ) 三电平电路输出零电平时电流要流经直流侧两电容中点，三相零序电流在 中点是叠加的，此时流进和流出的电流不相等会造成上下电容的充放电不均衡而 使中点电位漂移，破坏输出的正弦波形。事实上，仅当输出相电压与线电流互差 9 0 时，电容上流入的平均电流为零，方可导致电容电压均衡。而当进行有功传递 时，如不附加恒压装置，必将导致m 电平逐渐变为三电平( m 为奇数) 或两电平( m 为偶数) 。解决的办法通常可用p w m 电压调制器或电池来代替电容，但这样又将导 致系统复杂，使成本升高。 ( 3 ) 开关元件所需额定电流不同分析开关状态表不难看出，不同管子开关时 间不同，造成不同要求的额定电流。显然按最小额定或平均额定设计均不可行， 按最大额定设计又将造成( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 的开关器件容量上有所浪费，利用效率低。 如图2 1 所示电路的功率流动方向是双向的，如果在整流侧使用可控器件进 行整流，就可以将部分功率回馈到交流电网。总的来说，这种拓扑结构由于均压 问题在无功调节方面应用较好，而在有功传递，如电动机调速方面控制较难。 2 2 电容钳位的多电平逆变电路 2 2 1 电容钳位的多电平逆变电路拓扑 如果将二极管钳位电路中的钳位二极管全部换成电容，就变成了如图2 2 所 示的结构。 硕士学位论文 - ! ! = = = = = ! ! ! = ! = = = = = = = = = = ! 女! ! ! ! ! ! = = = = 一 图2 2 飞跨电容多电平逆变器的拓扑结构 图2 2 所示为三相的飞跨电容三电平逆变器的拓扑结构图。直流侧电容不变， 用飞跨电容取代钳位二极管，工作原理与二极管钳位电路相似。但在电压合成方 面，开关状态的选择更加灵活。通过比较不难看出，这种拓扑结构虽省去了大量 的二极管，但又引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积庞大、成本高、封