（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器的svpwm控制策略研究及其在apf中的应用.pdf

贵州大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m u l t i l e v e li n v e r t i n gt e c h n o l o g yh a s b e c o m eap o pr e s e a r c hi nh i g l lp r e s s u r ea n dh i g h p o w e rc o n v e r t i n gf i e l d s i tc a ns y n t h e s i z e m u l t i l e v e lo u t p u tv o l t a g ew i t ht h ed i s t r i b u t i o no fd cv o l t a g ea n dt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t s w i t c h i n ga c t i o n s m u l t i l e v e li n v e r t i n gt e c h n o l o g yc a r le f f e c t i v e l ye l t h a n c et h ec a p a c i t ya n d v o l t a g ee n d u r a n c eo fs y s t e m ，l e s s e ns w i t c h i n gl o s so ft h ei n v e r t e ra n dh a r m o n i cd i s t o r t i o no f o u t p u tv o l t a g e s i n c ei t se m e r g e n c e ，g r e a te m p h a s i sh a sb e e np u h i n go ni ti nt h ea p p l i c a t i o no f p o w e rs y s t e m - t h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft 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 ri s r e s e a r c h e di nt h i st h e s i sf i r s t l y o nt h eb a s eo fi t , t h et h r e e - l e v e ls v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) a l g o r i t h mi sd e d u c e di nd e t a i la n di si m p r o v o dp a r t l y , s ot h ec o n t r o la l g o r i t h m i ss i m p l i f i e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f n e u t r a lp o i n tb a l a n c e t h eo p e r a t i n gt i m eo f p o s i t i v e a n dn e g a t i v es p a c ev o l t a g ev e c t o r si st i m e l yr e d i s t r i b u t e d t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a ls t u d ya n d s i m u l a t i o np r o v et h a ts v p w ma l g o r i t h ma n dc o n t r o lo fn e u t r a lp o i n tb a l a n c ei st r u ea n d e f f e c t i v e 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 ri sa p p l i e di nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r eo f t h et h r e e p h a s et h r e e - w i r ep a r a l l e la p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) i nt h i st h e s i s h a r m o n i c 、r e a c t i v e c u r r e n td e t e c t i n gm e t h o di ss t u d i e di nd e t a i l ，t h e nt h ec o n t r o lm e t h o dt oc o m p e n s a t ec u r r e n tb a s e d o nt h r e e - l e v e ls v p w mi sa n a l y z e da n dr e a l i z e d ，w h o l es y s t e mo fa p fi sd y n a m i c a l l ys i m u l a t e d i ns 1 m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sm e t h o d h a sm a n ya d v a n t a g e sf o rh a r m o n i ce l i m i n a t i o ni np o w e r s y s t e m k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e li n v e r t e r ；s v p w m ；a p f ；h a r m o n i cc u r r e a td e t e c t i o n ；s i m u l a t i o n n 贵州大学硕士学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力电子技术是- f 采用电力半导体器件和电路，对电能进行变换、控制和优化利用 的技术经过几十年的发展，电力电子技术广泛应用于传动装置( 如电机调速) 、照明、电源 ( 如高频开关电源和不间断电源) 以及电力系统( 如柔性交流输电) 等领域。特别是近十几年来， 随着电力电子技术和p w m 控制技术的迅猛发展，电力电子器件功率和开关频率的大大提 高，微电子技术和相关理论及实践的逐渐深入，研究重点逐渐转移到高频、高效、高功率密 度、软开关、高电压、大电流、大功率及模块化等方面【f “。多电平逆变器作为一种新础的 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 电平逆变器的诸多缺点，如无须输出变压器，开关频率低，开笑器竹承受的电压应力小系 统效率高，d u d t 小、电磁干扰( e m i ) 低等等。二电平逆变器是多电平逆变器中比较有实 用意义的一种电路，对它做进一步深入全面系统的研究很有实际意义。 随着社会发展和科技的不断进步，电力电子装置的应州日益j 泛，引起了人们对谐波 问题的大量关注。一方面谐波污染随着作为主要谐波源的各种电力电子装置数肇和容肇的增 加而不断恶化：另一方面电力系统、用户对电能质量的要求越来越高，谐波治理问题成为一 个具有重要实际意义的课题。有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r a p f ) 因其良好的动态 补偿特性和滤波性能，已成为国内外电力电子领域研究的热点，被誉为将来最有前景的谐波 抑制手段。应用多电平逆变技术，可使有源电力滤波器适合于商电压，丈容肇的场合。 1 2 多电平逆变器拓扑结构的研究 1 9 7 7 年德国学者h o l t z 首次提出了利硐开大管来辅助中点筘位的= 电平逆变器土电路。 1 9 8 0 年日本长冈科技大学的a n a b a e 等人对其进行了发展，提出了二二极管箝倚型逆变电路。 1 9 8 3 年b h a g w a t 和s t e f a n o v i e 进一步将三电平推广到瓦电平，七电平等结构。三电平逆变 器属于电压璎逆变器，它是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路。目前，对= 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i ：稃鹿心筲方面都取得了很 大的成功。 多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多种电路拓扑结构，但归纳起来主要有三种基 本的拓扑结构：二极管箝位型( d i o d ec l a m p e d ) 、电容箝位型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 、具有独立 直流电压源的级联型( c a s c a d e d c o n v e r t e r sw i t hs e p a r a t ed cs o u r c e s ) 。电容箝侥帮多电平逆变 器由于电容器体积的问题应用很少，二极管筘位型多电平逆变电路廊用较广泛，级联犁多电 平电路冈其无中点电位波动问题，且逆变单元故障时可以将其旁路，可靠性高，目前府用也 较广泛。 1 2 1 二极管箝位型多电平逆变器 二极管箝位型多电平逆变器是采用多个二极管对相应的开大器州进行籀衍，同时利j h 贵州大学硕士学付论文 不同的开关组合输出所需的不同电平n 电平的二极管箝位型多电平逆变器在直流侧需要 ( n 1 ) 个电容，能输出n 电平的相电压，( 2 n 1 ) 电平的线电压。图1 1 所示为二极管箝 位型5 电平逆变电路的拓扑结构，它具有4 个电容，能输出5 电平的相电压，9 电平的线电 压。若直流侧的总电压为u d c ，那么每个电容上分得的电乐为u d 泓，通过筘位二极管的箝位 作用。每个开关器件的电压应力就限制在一个电容的电压电平上。 二极管箝位型多电平逆变器的优点l 门纳如下：电平数越多，输出电压和电流就越接 近于正弦波，谐波含量就越少；由于没有两电平逆变器中同桥臂两个串联器竹的同时导通 和同时关断问题，对器件的动态性能要求低，器件受到的电压戍力小，系统可靠性有所提高； 在同样的开关频率下，谐波比两电平要低得多，因此器件的开关损耗相对要小，系统效率 高；由于电平数的增加，各级电平间的幅值变化降低，低的“，d t 对外丽电路的干扰小。 对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小得多【i “。 但是这种电路拓扑也有如下缺点：随着电平数的增加，所需要的箝位二极管数量也 增加，电路拓扑结构变得更为复杂，对于一个n 电平逆变器，每一桥臂的箱位二极管数为 ( n - i ) ( n - 2 ) 个；三电平电路输出零电平时电流要流经直流侧电容中点，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，破坏输出电压和电流波形的正弦型；不同管子开笑时间不同，因而的所需的额定 电流也不相同，造成不同要求的额定电流，开关器件容鼍上的设计会有所浪费，利_ j 效率低 图1 1 二极管箝位犁图1 2 电容箝位璎图1 3 级联犁 1 2 2 电容筘位型多电平逆变器 a n 电容箝伉掣多电平逆变器也叫做恳浮电容多电平逆变器，是由法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 于1 9 9 2 年首先提出的i l 。直流侧电容不变，川e 跨电容取代箝俺_ 二极管，l 。作 原理与二极管箝位电路类似。图1 2 所示为电容箝伊型5 电平逆变电路的拓扑结构。在电压 合成方面，开关状态的选择更加灵活，不存在二极管箝位型逆变器中主从功率开天的阻断电 压不均衡和箝位二极管反向电压难以快速恢复的问题。这种拓扑结构虽然省去了大量的二极 管，但又引入箝位电容，对于高压系统而言，存在电容体积庞大、成本高、封装难等缺点。 1 2 3 带独立直流电源的级联型多电平逆变器 2 铅 贵州大学硕士学付论文 基于独立直流电源的级联璎多电平逆变器的功能和上述两种拓扑结构逆交器的功能是 一样的，它通过几个独立的直流电源合成一个期望的电压这种新型的逆变器不需要额外的 箝位二极管或电压平衡电容对于级联氆n 电平逆变器而言，每个独立的直流电源和一个单 相全桥逆变器相连。图1 3 为单相级联犁三电平逆变器主电路。通过每级四个开关器什的不 同组合，每个逆变器可以产生三种不同电平的电压，u d c ，- u d c 和0 。将各个全桥逆变器的输 出电压串联起来，合成了最终的电压输出波形这种拓扑结构输出的相电压的电平数定义与 前面所介绍的两种逆变器有所不同，在这种拓扑结构中，输出相电压的电平数由公式n - - 2 s + l 所决定，其中s 为直流电源的个数，也即串联级数。 级联型多电平逆变器具有以下优点：电平数越多，输出电压谐波含母越少；器件在 基频下开通和关断，损耗小。效率高；无需箝位二极管和箝位电容，易于封装和模块化设 计；由于基于低压小容最变换器级联的组成方式，囡此可将耐压低、开芙频率也不商的功 率器件直接应用到高压大功率场合：不存在电容电压不平衡问题。 同时也具有如下缺点：需要多个独立的直流电源；不易实现四象限运行。 1 3 多电平逆变器控制策略的研究 k 多电平逆变器属丁二电压掣逆变器，因此使用的控制策略是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，再剑电流波形正弦，再到磁通的上e 弦， p w m 控制技术不断创新和完善，近年来发展到现在的十几种方法，其中大多数已获得了实 际应用。这些控制算法可分为两大类：三角载波p w m 技术和空间电压矢量p w m ( 直接数 字) 技术，它们都是二电平p w m 在多电平中的扩展。这些算法都存在不同程度的局限性， 各有自己的优缺点和最适合的应用领域。男外，改进这些算法也是目前的一个研究热点。 1 3 1 三角载波p w m 控制技术2 8 , 3 1 i 1 消除谐波p w m ( s h e p w m ) 技术 消除谐波p w m 法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个二角波进行比较， 在正弦波与三角波相交的时刻，如果上e 弦波的幅值大于某个= 角波的值，则开通相府的功率 开关，否则，关断该开关。为了使n 一1 个三角载波所 的区域是连续的，它们在空间上是 紧密相连且对称分布在零参考晕的上e 负两侧。消除谐波p w m 技术是一电乎逆变器的二角载 波p w m 技术在多电平逆变器中的扩展。 2 开关频率最优p w m ( s f o p w m ) 技术 它和s h p w m 法类似，也是由二电平三角载波p w m 扩展而来。其载波要求与s h e p w m 技术相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量对于三相系统，这个零序分量是三 相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以s f o p w m 技术的调制波是三项正弦波减去零 序分量后得到的波形。但是该方法只能用于三相系统，因为单相系统中注入的零序分最无法 互相抵消，从而在输出波形中存在二次谐波。 3 三角载波移相p w m ( p s p w m ) 技术 贵州大学硕十学伊论文 三角载波移相p w m 技术是一种专门用于级联型多电平逆变器的p w m 技术。这种控制 技术与s h p w m 技术不同，其每个模块的s p w m 信号都是由个三角形载波和一个正弦波 比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角形载波与和它相邻模块的三角形载 波之间有一个相移，各模块产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输 出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的k c f f 倍，在不提高各模块开关频率的情况f 大 大减小了输出谐波。对于单相级联型多电平逆变器，p s p w m 法的控制效果最好 4 三角载波移相一开关频率最优p w m ( p s s f o p w m ) 技术 三角载波移相一开关频率最优p w m 技术是将p s p w m 技术和s f o p w m 技术相结各， 三角载波采用p s p w m 技术中的方法，调制波采用s f o p w m 技术中的方法。这种新的控制 技术兼具p s p w m 和s f o p w m 技术的优点，相同开关频率时，等效开关频率提i 寓i 到原来的 k e f f 倍，电压调制比提高到1 1 5 但是，这种技术也受到p s p w m 和s f o p w m 技术局限性 的限制。因此，p s s f o p w m 技术最适合用于级联璎多电平三相逆变器。 1 3 2 空间电压矢量p w m 控制技术 空间电压矢量( s p a c ev e c t o r ) p w m 法和载波调制等方法不同，它是从电动机的角度 出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电 压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近 基准圆磁通，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成p w m 波形。 以三相三电平为例，每相输出为正、零、负二种状态，将= 相的二种状态进行组合，可 得到2 7 种状态，实际对席1 9 个基本空间矢母，由此可得到二相= 电平的空间电压欠颦分布 图。其方法趋对某一个电压空间久封，用伉丁该区域的部分或全部电乐欠草适时切换来使得 输出电压逼近止弦波形。但由丁二电平拓扑有2 7 种状态，所以要比觜通一电平结构更为复 杂，关键问题是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，不同的开芙状态的组合对 直流侧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 空间电压矢量p w m 控制技术主要具有以卜优点：在人范嗣的调制比内具有良女f 的性 能，无需犬鼍的存储空间米存放角度值，结构简单，灵活性强、易丁数字控制，直流母线电 压利用率高，功率开关器什的开关次数少，所以得到j i 泛的研究和廊用。是现有二电平高压 大功率逆变器中应用最多的一种控制技术，也是功率变换技术的晟新发展方向。 1 4 多电平逆变器的主要应用领域 多电平逆变器与传统两电平逆变器相比具有许多优势可以闱住各种高压大容肇领域， 包括直流和交流之间的变换、直流和直流之间的变换主要应用领域有：高压人容簟交流电 机变频调速，交直流能量转换、电能质量综合治理等 ， 1 4 1 高压大容量交流电机变频调速 4 贵州大学硕士学位论文 传统的两电平逆变器在高压大容量电机调速应用中，存在以f 几点问题：输出电压和 电流，除基波分母外，还含有一系列的偕波分簧，这些谐波会使电机产生转矩脉动，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：在中压场合，提高频率一定稗度上 可以克服上述某些缺点，但又容易导致较高的d v d t 和浪涌电压，在电机的线圈中产生很大 的共模电压，这样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿，而且开笑器什所产生的电 压应力和开关损耗将降低电机效率，同时产生很高的e m i ，将干扰周同电子设备；高电压 等级更是受到限制。而多电平逆变器【作在工频时，便可在定稃度上克服上述几个问题。 将多电平逆变器用于高压变频器领域，不但可以提高逆变器的电压等级，更主要是减少逆变 器出口端的谐波含量，降低了输出电流的谐波含量和开关损耗，提高功率因数，动态性能好 和效率高等，在高压大容量交流调速领域日益受到重视由于多电平逆变器有诸多优点。近 年来各大公司争相开发出了多电平逆变器。三电平逆变器在我国的油田1 2 0 k w 满油电泵上 已有使用。上海高速磁悬浮列车地面v v v f 供电系统中也采用了二极管箝位型三电平逆变 器f 1 6 1 。 1 4 2 高压直流输电( h v i ) c ) 在远距离输电( 跨地域输电) ，非周期输电( 非同步) 的电力系统实现联网方面，高压商流 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) ，直流输电需要构造 超大功率的整流和逆变装置。级联型多电平变流器输出电压的相位和幅值便丁调仃与控制， 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，闪此在 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 工程运行电压最高 为6 0 0 k v ，输送功率为3 1 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l 。我国葛 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。 1 4 3 电能质量综合治理 电网中的谐波主要来自于电力电子装置及犬弈茸1 r 线性负载。随着电力电子装置的广泛 应用，电网的谐波问题曰益严重，它们产生的谐波平无功电流严重影响电网的供电质颦。有 源电力滤波器作为动态抑制电网谐波、补偿无功功率的新犁电力电子装置得到迅速发展，f ： 开始应用丁：实际生产中。 在中高电压等级的电能质昔综合治理中，要实现人容草的谐波补偿或实现有源补偿功能 的多样性，需要a p f 具有较人的装置容最如果简单地采用传统的主电路拓扑，则对所使 用的电力电子器什在容最方面有比较高的要求。由于电力电子器什随着容苗的增人其所允许 的开关频率却越来越低。而较低的开关频率又直接影响a p f 的补偿效果，所以在将a p f 用 于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。 为解决这一矛盾，国内外学者提出了各种性能优越的有源滤波器主电路拓扑结构。由于 电网中的谐波源性质不尽相同，为了更好地达到抑制电网谐波的效果。对不同的谐波源负载 应该采用相应的拓扑结构来充当a p f 的主电路。在电压等级不是很高的场合，为了提高a p f 5 贵州人学硕+ 学 寺论文 的容量，通常采用箝位式多电平结构。不过多电平结构缓冲电路等没计复杂，但是由丁= 直流 侧可以共用，因此直流电容容量可以较小级联式多电平结构，在变频领域应用多，而在 a p f 中采用该结构的较少如清华大学与澳门大学联合研制的三电平三桥臂中分三相四线 制的5 k v ad s - u n i c o n a p f 3 4 1 在高电压等级的a p f 中采用级联型逆变器作为主电路比较 多，并且有不少相关研究 电力系统中的无功补偿是多电平逆变器应用的另外一个重要领域。在高压大容每场合 下，多电平逆变器无功补偿装置与传统使用的补偿装置相比，在价格、功耗、体积等方面优 势更为明显。目前在多电平逆变器应用于s t a t c o m 中以二电平或五电平电压型逆变器最 受重视，由于采用自关断功率器件的多电平逆变器可以控制无功功率，当产生无功功率时， 输出相电压与相电流相差9 0 0 ，直流侧电存充电和放电能够达到平衡，不存在中点电压平衡 的问题因此，多电平逆变器无功补偿装置正成为无功补偿领域中的一个新亮点。在国外， 西门子公司研制的三电平s t a t c o m 己经应用于风力发电p ”。国内清华人学，浙江大学等 单位都在开展多电平逆变器s t a t c o m 的研究。 1 5 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 1 9 7 1 年，日本h $ a s a k i 和t m a c h i d a 完整描述了a p f 的基本原理。1 9 7 6 年美国西尾 电器公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了采用p w m 控制的a p f ，确定了主电路的基本 拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了a p f 是一理想的谐波电流发生器，奠定了a p f 的研 究基础。进入2 0 世纪8 0 年代以来，新璎的电力电子器什的山现，p w m 技术的发展，尤其 是1 9 8 3 年日本学者h a k a g j 等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”极人地推动了a p f 的发展，并逐渐成为电力电子领域的热门研究内容。 1 5 1 有源电力滤波器的国内外研究现状 目前，国外a p f 的研究以日本为代表，由丁其理论研究较甲，已步入r 业化麻 j 阶段。 而且随着电力电子器件导通容晕的逐渐提高，其应_ j 范用也从补偿用户自身的谐波向改善整 个电力系统供电质量的方向发展。同时，a p e 的工业化实践戍用对理论研究也起了啦常人 的推动作用，新的理论研究成果不断出现。有关a p f 研究的论文在国际刊物和国际学术会 议上不断发表，并涉及到a p f 的方方面面，其中主要是谐波和无功电流检测的新方法，电 流跟踪控制新算法，新型主电路以及控制系统设计的改进管方面。 我国在a p f 的研究方面起步较晚，直到上世纪8 0 年代末才有论文发表。上付纪9 0 年 代至今，一些高校和科研机构开始进行a p f 的研究，像两安交通人学、浙江人学，清华人 学、哈尔滨工业大学，上海交通人学等高校正在积极研究升取得了阶段性成果。但是由丁多 方面条件的限制，a p f 仍未能在我国f ：业现场得剑广泛的廊_ h j 。而随着电力屯子技术及相 关技术的不断向前发展，以及电力市场的形成和发展，电能质颦问题会越来越引起人们的关 注，因此对a p f 的研究有着重大的现实意义 1 5 2 有源电力滤波器的发展趋势 6 贵州大学硕士学位论文 从近年来国内外对a p f 的研究与应用来看，a p f 主要向以下几个方向发展；提高补偿 容量、降低成本和损耗、进一步改善补偿性能、多功能化，有源装置小型化 为提高a p f 的补偿容鼍、补偿功能多样化、提高补偿效果。要求器什以高压高频 作， 应用多重化技术一定程度上能提高器件的容鼍和等效开笑频率。但从经济的角度考虑，这样 势必会增加开发成本和装置体积，控制起来也变得更为复杂。所以在将a p f 用丁人容量和 高精度的谐波补偿时就面l 临着器什开关频率与容晕之间的矛盾。如何从两者中找剑一个折 衷，研制开发低损耗、低价格及大容量的a p f 是今后一个值得研究的问题。 为解决这一矛盾，国内外学者提出了各种性能优越的a p f 主电路拓扑结构：多个a p f 并行工作、基于箝位型多电平的a p f 、基于级联型多电平的a p f 。多个a p f 并行一丁= 作优点 在于相对独立。控制简单，但由于每个a p f 之间缺少互相协调控制，补偿性能不尽理想。 对于其它两类基于多电平的a p f ：箝位型优点在于可以降低开关功率器件的电压电流等级， 并能提高补偿特性；级联型优点在于同等容量等级要求下所用器件较少，且易于模块化。在 我国，清华大学倾向于箝位型多电平a p f ：而浙江大学由于在级联酗多电平研究较多。也 较为深入，倾向于级联犁多电平a p f ；两安交大则研究更多的是多重化a p f 。本文研究箝 位型三电平a p f 。 1 6 论文的主要研究工作 本论文主要的研究内容如下： ( 1 ) 对多电平逆变器的各种典型的拓扑结构进行了分析，比较了箨自的优缺点。对几 种典型的多电平逆变器的控制策略的基本原理进行了综述，突出了空间电压矢量控制策略的 优点和应用前景。最后论述了多电平逆变器的主要戍用领域。 ( 2 ) 以二极管箝位型二电平逆变器为研究对象分析了二电平逆变器主电路的拓扑结 构和工作原理。并在定义逆变器开芙函数概念的基础上，建立了三电平逆变器的数学模型。 接着介绍了三电平逆变器的s v p w m 控制策略基本原理，给出了三电平空间电压矢晕图，并 定义了矢量图的基本空间电压矢量。详细分析了逆变器的运行机理，给出了二电平逆变器的 动态换相工作过程。最后讨论了逆变器直流侧电容电压的不平衡问题。 ( 3 ) 本论文重点研究了二电平逆变器的s v p w m 控制策略，研究内容主要包括参考电 压久颦所在人扇防判断、所在小二角形犀域判断、开戈久颦仃川时间计算、开芙久草千fh j 顺 序及直流侧中点电位的平衡控制等。利用当前流行的电力i 乜子仿真软f ，| m a t l a b 对三电平 逆变器的s v p w m 控制策略及相关问题进行了动态仿真，验证了该方法的上e 确性和有效性。 ( 4 ) 阐述了有源电力滤波器的基本问题，包括电力系统谐波及其危害、a p f 的分类、 工作原理和系统结构等。以当今研究最为广泛的并联型三相a p f 为例，重点研究t a p f 谐波 和无功电流的检测方法，并作了仿真研究。最后将二极管箝位型三电平逆变器应用丁并联硝 三相三线制a p f 的主电路拓扑结构中，建立了三电平三相三线$ i j a p f 的数学模型，并用 m a t l a b 仿真软件对其进行了仿真研究，结果表明了三电平a p f 对电力系统谐波进行补偿 和抑制的有效性和优越性 7 贵州大学硕十学付论文 第2 章三电平逆变器的主电路研究 2 1 引言 多电平逆变技术最初的出发点是通过对逆变器的主电路结构进行改进，使得逆变器的所 有开关器件都工作在基频或基频以下，以达到降低功率器件开关频率、减小开关应力、减小 输出电压谐波含量等目的，提高整个功率变换系统的效率。但因多电平逆变器所需要的各种 功率器件较多，所以从提高产品性价比角度考虑，更适合应用于高压大功率场合 理论上，逆变器的电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶数越多，从而更接近正弦波， 谐波含晕越小但在实际应用中，由于受l 硬件条件和控制电路复杂性的制约，在综合考 虑系统性能指标的情况下，三电平逆变器最为酱遍，对其进行研究和分析更有实际意义。 2 2 三电平逆变器的拓扑结构。 所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧有二种取值，正端电压( + e d ，2 ) 、负端电压( 一e 以) 、中点零电压( o ) 二极管箝位氆三电平逆变器拓扑结构如图2 1 所示逆变器每一相需要4 个i g b t 开关管，4 个续流二极管、2 个箝位二极管；整个三相 逆变器直流侧由两个电容c l 、c 2 串联起来来支撑并均衡直流侧电压，c i - - - 1 2 2 。通过一定的开 关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波。 与传统两电平拓扑结构相比较，三电平拓扑结构优点显著：每个开关器件承受的电压值 相当于原来直流电压的一半，波形质量得到了改善并有效地降低了开关频率；其电压上升率 d v d t 比两电平逆变器降低一半，电流上升率d i d t 也得到减少，在交流调速中能够降低电机 的绝缘性能要求；输出电平数增多，从而每个电平幅值相对阡低电压变化减小，电流脉动 减小，同时降低电磁干扰；吸收电路的体积也可有所减小。 + & - p 吨。吨。吨， d s 2s 吣： i t ，a 一 噶。 d 6 2王 d 3 z c l 一 吨。， d , 2 d 亚 一o d 2 2 c ，一 t ，：以 一 堍 嗨。嘟 iii 匿2 i 二极管箝位型三电平逆变器的拓扑结构 8 c 贵州大学硕七学位论文 2 3 三电平逆变器的工作原理 以输出相电压a 相为例，分析图2 1 所示三电平逆变器主电路工作原理，井假设器件 为理想器件，不计其导通管压降。定义负载电流由逆变器流向电机或其它负载时的方向为正 方向。 当t l 、t 2 导通，t 3 ，n 关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容c l 充电，电 流从p 点流过主开关管t l t 2 该相输出端电位等同于p 点电位，输出电压u = + e d 2 ；若 负载电流为负方向，则电流流过与主开关管t l 、t 2 反，f 联的续流_ 二极管d d 1 2 对电容c l 充电，电流注入p 点，该相输出端电位仍然等同于p 点电位，输出电压u = + e d 2 。 当t 2 ，t 3 导通，t l 、n 关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容c ，充电，电 流从o 点顺序流过箝位二极管d 卜主开关管t 2 ，该相输出端电位等同于。点电位，输出电 压u = 0 ；若负载电流为负方向，则电流顺序流过主开关管t 3 、箝位二极管d 2 ，电流注入。 点，该相输出端电位等同于o 点电位，输出电压u = o ，电源对电容c 2 充电。 当b 、t 4 导通，t l 、t 2 关断时，若负载电流为正方向，则电流从n 点流过与主开关 管b 、t 4 反并联的续流二极管d md i 对电容c 2 充电，该相输出端电位等同f n 点电位， 输出电压u = - - e d 2 ；若负载电流为负方向，则电源对电容c 2 充电，电流流过主开关管t 3 、 t 4 注入n 点，该相输出端电位仍然等同于n 点电位，输出电压u = - - e d 2 。 根据三电平逆变器的定义，逆变器的每相桥臂的4 个主开笑管有3 种不同的通断组合， 对应3 种不同的输出电位，即+ e d 2 、0 ，一e 以，片j 符号相应地表示为p 、o 、n 二种。如 表2 1 所示。 表2 i土开天管通断状态和输出相电压对廊犬系 输出 开关状态输出 状态 t 1t 2t 3l 电压 p 通通断断 + e d 2 o断通通 断 0 n断 断通通 e 9 2 2 4 三电平逆变器的数学模型 类似两电平逆变器的开关函数定义， 卜面给出三电平逆变器开天函数定义。为便丁分 析t 假设所有功率器件均为理想开关，逆变器交流侧二相对称。令咒、s 、s 。分别为逆 变器a 、b 、c 三相的开关函数，则它们满足： l l “= 圭易) s = 0( “。= 0 ) ( i = a ，b ，c ) ( 2 i ) - - l ( 虬= 一j 1 日) 9 贵州大学硕士学位论文 即每相桥臂可用一个单7 j - - 掷开关来代替，因此可以得纠三电平逆变器主电路的简化 模型( 包括负载) 9 1 如图2 2 所示。并将开芙函数置分解为s , p 、s , o 、氏单刀开关，且 每一单刀导通时为1 ，关断时为0 又由于在任一时刻，每相的三个开关的状态不能同时导 通或同时关断，所以& 、& 、瓯必须满足：+ & + = 1 图2 2 三电平逆变器的简化模础 每个开关函数的( s o 、匪) 的具体情况如f j1 ( 当= 1 ，咒。= o ，= o ) s 6 = 0 ( 当= o ，s b o = 1 ，s b n = o ) ( 2 3 ) i 一1 ( 当s 即= o ，s b 。= o ，s 抽= 1 ) 由上可知，对于a 相，其输出端相电压对电源中点o 的电厍可片j 开关函数s n 和育流 侧电压e d 来表示： 甜一s o e d ( 2 5 ) 同理，b 相和c 相输出端相电压对电源中点o 的电压可分别表示为： 。= 萼 。= 鲁髟 j 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 瓣瀣峨 贵州大学硕十学位论文 所以逆变器输出端线电压可表示为； “ 矗2 i i a o “嬲2 1 , 1 8 0 “d2 甜c d 表示成矩阵形式为： u a b “口 甜d = 三匕 分析图2 2 得负载相电压删，“w ，可知： l ”仙。盯脯一“最 甜船= 甜w 一“ 【“删= 一“ ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) “+ “+ “= 0 ( 2 1 1 ) 所以，负载相电压与逆变器输出端线电压的关系可整理成矩阵形式： i l a n “b u c n l = 3 10 一l l ol 用开关函数表示为； n a n 8 n u c i v = 扭 ( 2 1 2 ) 三撼 据上述推导，整个三电平逆变器二相共有3 3 3 = 2 7 纽输出状态。表2 2 列出了所有 开关组合状态卜逆变器输出端线电压和负载相电压与直流侧电压的对府情况( 注：表中的电 压实际值要乘以直流侧电压e d ) 。 表2 2 逆变器输出电压与其开关状态的关系 开关状态逆变器输出端线电压负载相电压 s ， s b s c“口u b c氓_ u , 4 , v h 8 n u c n t i l 1 o o 0 o o o o0 o o 0 o0o o 瓯 e & 一 一 一 蛾限 瞧 以 毋 髟 l一21212 = = = 胁 桕 ” ” 甜 一 一 一 咒& & 丌oooo且 o o ，o o o 肿 艇 删 “ “ “ 丌i j i j i 北 - o l 贵州大学硕士学位论文 由图2 2 所示的三电平逆变器主电路简化模型，可得三相电路的微分方午竿 写成矩阵形式： 1 2 ( 2 1 4 ) llloo0000 lool ，2oi 陀1 1 31 ，61 ，6 o111 ，2o1 i 2l 31 ，6 - 1 6 1 l 0o 1 ，2 - i ，2l ，6i 6 1 ，3 00- l01 ，21 ，2l ，61 ，6 1 3 0lo1 ，2l ，2o i 6 l 3 1 ，6 一lo - 1 1 陀l ，2o一1 1 61 31 6 o111 尼01 陀一l ，31 6i ，6 1oo1 20l 2- 1 3l ，61 6 0olo1 21 2 一i 61 61 3 1- 10 o1 ，2l ，2- i 61 ，61 3 iol 1 21 2 o 1 61 ，3l 6 o 1 ol 2 1 2ol 61 ，3l ，6 l01l 陀1 21 l ，2 o - i 2 0 111 t 2l- l ，2o1 21 2 一llo1l 陀1 21 ，21 20 一lo11 21 21- l 2o l ，2 0一l1l ，2- 11 2o ，1 2 l 2 1一lo11 ，2- l ，2l ，21 20 1 1 - l l0i2 31 3一i 3 111o11 1 ，31 32 3 1l- ll lol 32 31 3 - lll- l01 2 31 3l ，3 一1 1io111 31 ，32 3 1lll- 1ol 32 3l 3 e 匕 匪 十 + + ，_ b 0 j一西d一出d一廊 三 三 + + + 肪 矾 雕 = = 1 1 种 肼 凹 贵州大学硕十学位论文 = 陈 将式( 2 1 3 ) 代入上式得： 扣 2一l l2 一ll ro o月 oom 整理得三电平逆变器主电路的数学模型 d 瓦k d 石 d 石k 一墨。 三 。 一旦 oo + + + 三0 o三 0o + 医 ( 2 1 7 ) ( 2 1 6 ) 其中，8 = s 。+ s b + s c 2 5 三电平s v p w m 控制策略的基本原理 2 0 世纪7 0 年代，德国学者f e l i xb l a s c h k e 等人提山了交流电机欠母控制原理：通过矢 量变换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化成等放的两相直流系统，在两相坐标系中对 电机进行调速控制，从而使控制方法大大简化。由于上述控制方法和交流电机的模型并没有 本质上的联系，因此可将这种思想移植到三相非电机负载的所有逆变电路的控制策略中，将 三相的电压一同考虑，并在两相系统中进行控制，这种控制方法被称之为空间电压矢鼙控制。 它是从电动机的角度出发，着眼于如何使负载获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通佤1 6 , 5 2 , “1 。其转换效果是把三相的瞬时电压合成为一个矢餐来表示。 s v p w m 控制策略原理是用逆变器每个开关周期内输出的三相脉冲电压合成空间电压 矢鼍，与期望输出的互相正弦波电压所合成的空间父晕等效，即模相等，而其幅角按照与脉 冲频率有犬的一定时间间隔均匀跳变即用平均角速度去逼近期望的基准圆空间旋转角速 度，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成p w m 波形。这个被跟踪的基准电压矢草也 称为参考电压矢景。由于在电压一定时，三项正弦电压的合成空间电压矢晕的模是一个常晕， 这样给控制带来很丈的方便。同时，由丁= 采朋过多的开关矢罐会使得逆变器开关动作频率过 高，损耗加大为了降低开关频率和系统损耗，采用与参考电压欠餐最接近的二个开关矢鼍 关于s v p w m 的具体控制策略实现，见下章。 基于三电平三相逆变器s v p w m 的调制原理本质上与以往两电平三相逆变器( 二相全 1 3 )b镰 1，j 已玩丘 0 。 d一面d一毋d一西 fiijni，i o o 三 o l 0 o o p。，。l + 1，j ，k0 丌o o o o o 皿 o o 盂 o r o ， “ 0 d一班d一出d一出 ，洲砌0 d 甄舅 矿oooo韭 o o ： e一ete一三 一 一 一 s s s 一 一 一 瓯 魏 疋 p 0 岛百d 瓦易瓦 l_“f， 1looooooor o o r 一三 一 贵州大学硕士学位论文 桥) 空间电压矢量是一致的，只是三电平逆变器的每一相可以输出三种开关状态 在以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机气隙磁通 在口一口静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表返式为： “。= s i n w t ， = 【0s i n ( w t 一；丌) ( 2 1 8 ) j ， = u 。s i n ( w t + 三万) 则它们对应的空间电压矢量定义为： “= 要( 口+ 倒6 + 口2 “c ) ( 2 1 9 ) 。堡 其中，口为矢量算子，口= e 一 这一思想也可以应用到s v p w m 控制策略中。因此，根据空问电压矢量原理，利用c l a r k 坐标变换法，在a 一口复