（电力电子与电力传动专业论文）三电平地铁辅助逆变器研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：a u x i l i a r ys y s t e mf o rm e t r ov e h i c l e si su s e dt os u p p l yt h ep o w e rt o c o n t r o l ，l i g h t i n g , v e n t i l a t i o n ( a i rc o n d i t i o n i n g ) a n do t h e ra u x i l i a r ye q u i p m e n to nm e t r o v e h i c l e s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ha u x i l i a r yi n v e r t e rf o rt h ed e v e l o p m e n to f m e t r ov e h i c l e s t 1 1 i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c h15 0 0 va n d7 0 k v aa u x i l i a r yi n v e r t e r t h ep u r p o s ei st o l e tt h ea u x i l i a r yi n v e r t e rw o r kn o r m a l l y , u n d e rt h eh i g h - v o l t a g ea n dh i g h - p o w e r c o n d i t i o n s ，w h e nt h ec o n d i t i o ni sb a d ，s u c ha s1 0 a di ss u d d e n l yi n c r e a s e d ，o rl o a d i m b a l a n c e a l t h o u g h ，w i t hd e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h ed e v i c e w i t h s t a n dv o l t a g el e v e lo fp o w e rs w i t c h i n gd e v i c e sa r er i s i n g ，b u ti ns o m eh i g h - v o l t a g e a n dh i g h p o w e rc o n d i t i o n s ，d e v i c e ss t i l lc a n tm e e tt h ed e m a n d h o w e v e rt h e t h r e e l e v e lt e c h n o l o g yc a ns o l v et h i sp r o b l e m t h e r e f o r e ，a f t e rc o m p a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft w o l e v e li n v e r t e ra n dt h r e e l e v e l i n v e r t e ra n da n a l y s i sv a r i o u st o p o l o g yo ft h r e e l e v e li n v e r t e r , t h i sa r t i c l ec h o o s et h e d 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 ra st h em a i ns t u d yo ft h ep r o j e c to fm e t r oa u x i l i a r y s y s t e m a n dt h e n ，a n a l y s i st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o ns t r a t e g yo ft h et h r e e l e v e li n v e r t e r ( n p c - t l c s v p w m ，n e u t r a lp o i n t c l a m p e d t h r e el 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 ) ，a n dp u tf o r w a r d am o r eo p t i m i z e da l g o r i t h m ，w h i c hg i v e sas o l u t i o nt ot h ei s s u eo fn e u t r a l p o i n t p o t e n t i a lf l u c t u a t i o no fd 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 r t h i sa r t i c l ea l s op r e s e n t st h ed e s i g no ft h r e e l e v e li n v e r t e ra u x i l i a r ys y s t e mf o r m e t r ov e h i c l e s ，a n da n a l y s i st h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r ss e l e c t i o na n dd e s i g no f c o n t r o lc i r c u i t a f t e rt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h e m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lw i l lb e e s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ew a v e f o r m so ft h es i m u l a t i o n ，t h en p c - t l c - s v p w ma n d v v v fc o n t r o la l g o r i t h ma r ep r o v e da c c u r a c y , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o b l e m s a b o u tl o a df l u c t u a t i o na n dn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lf l u c t u a t i o na r es o l v e d f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mi sr e a l i z e da n dv e r i f i e di nt h ed s p t e s tr e s u l t sp r o v et h e c o r r e c t n e s so ft h ep r o j e c tf o rt h r e e l e v e la n di t sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：t h r e e l e v e lm e t r o a u x i l i a r y i n v e r t e rn p c t l c s v p w m d i o d e c l a m p e dm a t l a bd s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名：帮明藉 签字同期： 伊丫年f 月谚r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者龆却峭知 签字帆俨了年6 毗日 聊躲它饥乃川 签字嗍川年多月砷日 | 致谢 时光飞逝，两年充实而快乐的学习生活即将结束。首先，我要衷心的感谢导 师刘志刚教授对我的悉心指导和关怀。在导师刘志刚教授的指导下，我不仅在基 础知识和实际动手能力方面取得很大进步，而且掌握了正确的学习方法，树立了 严谨的治学态度。更重要的是我从导师刘老师身上学到了很多做人做事的道理， 这是将是对我人生的鞭策。本论文的工作是在导师刘志刚教授的悉心指导下完成， 在此，谨向导师刘志刚老师表示衷心的感谢和最诚挚的敬意。 在两年的工作及生活期间，实验室的老师和同学们也给予了我很多关心和支 持。其中沈茂盛老师、刁利军老师、牟富强工程师、王磊、梅樱、孙大南等同学 给我提供了热情的帮助。在此也向他们表示感激之情。 最后，我也要感谢家人对我的理解和支持，以及给予过我鼓励、关心和帮助 的各位老师和同学，向他们表示由衷的谢意! 1 绪论 1 1选题背景和意义 随着城市发展，城市轨道交通的供电电网电压也从6 0 0 v d c 和7 5 0 v d c 发展 为1 5 0 0 v d c ，以适应大城市客流量的需求。同时网压的提高也对电力电子器件提 出了更高要求。 地铁车辆辅助逆变器直接从供电电网取电，它的特点为：直流侧输入电压高、 输入电压变化范围宽、输入电能波动大、输出频率稳定、输出电压稳定、输出正 弦电压失真度低、工作环境较恶劣。而地铁车辆的控制、照明、通风( 空调) 等 辅助设备，都需要地铁辅助逆变器提供可靠和高质量的电能，因此对于地铁辅助 逆变器的研究势在必行。 本论文的选题来自于“十一五 国家科技支撑计划重点项目中的子课题，主 要研究1 5 0 0 v 输入7 0 k v a 的地铁辅助逆变器。主要实现在高电压大功率工况下， 地铁辅助逆变器能在突加负载等情况下，正常、稳定的工作。 1 2地铁辅助逆变器不同拓扑结构综述 为满足大城市客流的需求，城市轨道交通的供电电压也不断升高。为适应各 种电压等级的需求，在电力电子器件发展的基础上，地铁辅助逆变器也对自身拓 扑进行了改进。本节着重对地铁辅助逆变器的不同拓扑进行比较，并根据本论文 的选题，选择适合本项目的拓扑进行研究。 1 2 1 地铁辅助系统中高频与工频逆变器对比 地铁辅助电源系统中，很多电源设备都需要人们进行操作和控制。因此，为 了用电安全必须将高压电网与低压用电设备，在电气上实现隔离。通常采用的方 法是使用变压器进行电气隔离。变压器电气隔离有两种形式：高频隔离和工频隔 离。 高频隔离地铁辅助逆变系统原理如图1 1 所示： i tl2 2 _ = li l fa c - ； 一 电网 训l l 逆变器 v 、，v 二 d c ，a c 一一 ， z王z + 。、 ，一 t t l 图1 - 1 高频隔离辅助逆变系统原理图 f i g u r e1 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f h i g hf r e q u e n c yi s o l a t e da u x i l i a r yi n v e r t e r 如图1 1 所示，高频隔离变压器的工作频率可以达到几十k h z 。其在高频地 铁辅助系统中的工作原理是，供电网压通过直一直逆变器整流，然后通过高频变 压器隔离后再整流并滤波得到d c 控制电源。最后，通过逆变器输出三相电压源。 它的优点是：对高压和低压设备之间的电气隔离是独立的，与静止辅助逆变 器无关，也就不受逆变器故障的影响；变压器重量轻，体积小，开关管耐压低等。 但它的缺点是：高频变压器容易产生磁饱和，因此必须采用性能好的高频磁 芯；对逆变器脉冲的控制也必须十分严格，从而避免变压器的磁饱和；增加了两 个整流环节，使得系统结构和控制复杂。 工频地铁辅助逆变系统原理如图l 一2 所示： 骶羔之 n 图l - 2t 频隔离辅助逆变系统原理图 f i g u r e1 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f p o w e rf r e q u e n c yi s o l a t e da u x i l i a r yi n v e r t e r 如图1 2 所示，工频隔离变压器的工作频率为5 0 h z 。工频地铁辅助逆变器的 原理是，供电网压直接与辅助逆变器连接，输出三相交流电源后，通过工频隔离 变压器隔离、降压，最后输出三相电压源。 它的优点是：系统结构简单；对逆变器的控制简单；无偏磁问题：技术成熟， 易于实现等，该方法还可以通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。 但它的缺点是：工频变压器重量和体积大；随着网压的增加，开关管耐压需 增加。 根据本论文结合的实际项目，考虑到逆变器的研制可靠性、周期和易实现性， 本文选择了易于实现、技术成熟的工频变压器作为电气隔离。 1 2 2两电平与三电平在地铁辅助逆变器中的应用及比较 2 辅助逆变器是地铁和轻轨的辅助电源系统中最关键的装置，因此对于辅助逆 变器的研究十分广泛。在对辅助逆变器的研究中，最为重要的就是电力电子功率 器件的耐压，如何能满足地铁和轻轨电网的高压直流电。因此，国内外的多数研 究都是基于该课题。 随着电力电子技术的不断发展，功率开关器件的耐压等级已大幅提高，但是 在多数高压大功率场合，器件的耐压仍不能满足需求。因此，众多学者针对此难 题，研究出了改变传统两电平逆变器拓扑的方法，实现逆了变器的高压大功率场 合的应用。 在地铁的轻轨的辅助逆变器应用中，主电路拓扑主要为两种：传统的两电平 逆变器和适应更高压场合应用的三电平逆变器。 当前，在地铁中辅助逆变器多采用传统两电平逆变器。因为其技术成熟，控 制简单，所以更容易实现。但是，想要输出更高质量的正弦波，不仅要考虑到器 件耐压，还要考虑到开关频率。而器件耐压越高，为保护器件安全，开关频率不 能太高。这就造成了地铁辅助逆变器发展的障碍。 三电平辅助逆变器由于其结构特性，从根本上解决了器件耐压问题及器件耐 压与开关频率之间的矛盾问题。由于其优于两电平逆变器的诸多特性，三电平辅 助逆变器已经在德国和r 本的地铁和轻轨上得到广泛应用【l 】【4 】。 传统两电平逆变器的结构是每个桥臂有两个功率开关管，工作时通过两个器 件的_ 丌关组合，可使一个桥臂有2 种输出状态，如直流电压为+ 吃，则输出为 + 2 或一2 。它的优点是结构简单、技术成熟。但是根据它的工作过程可 知，每个功率开关器件的耐压都是网侧电压值。 虽然，随着电力电子器件的不断发展，功率开关器件的耐压等级已经逐渐升 高，但是在一些高压、大功率场合，传统的两电平逆变器所需功率器件的耐压值 太高，因此仍无法满足这些场合的应用。 三电平逆变器是在传统逆变器基础上，通过对自身拓扑的进行改进，来实现 高压大功率场合的应用。三电平逆变器拓扑中的一个桥臂上有4 个电力半导体器 件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，可以实现桥臂电压的多电平输 出，从而使输出波形更加接近正弦波。从三电平的工作原理可知，每个功率开关 器件的耐压为1 2 的母线电压，与传统的两电平逆变器相比，器件所需耐压降低了 一半，因此这就解决了功率丌关器件对高压大功率能量变换的限制障碍。此外， 三电平逆变器较之两电平逆变器还具有：输出波形谐波更小、减少输出电压波形 畸变( t h d ) 减小输出滤波电抗器体积、开关频率降低、开关损耗小、效率高等 诸多优点。但是，由于功率器件的增加，也增加了三电平逆变器的控制难度【5 1 。 结合论文研究课题，及1 2 节中选取的工频变压器隔离的方式，由于本课题的 3 网侧直流输入是1 5 0 0 v 直流电压，考虑到普通的功率开关器件的耐压值及裕量问 题，很难满足该电压等级。而三电平逆变器对器件耐压要求的降低正能满足本论 文研究的需求。因此，结合地铁辅助逆变器的课题背景，本论文选择工频隔离的 三电平逆变器作为研究对象。 1 3 论文主要工作 本文首先通过对两电平和三电平地铁辅助逆变器进行优缺点的比较，确定本 论文设计的项目将采用三电平逆变器作为研究对象。 然后，通过对三电平逆变器各种拓扑的比较分析，选定中点箝位型三电平为 本论文设计的地铁辅助逆变器的研究对象，并对基于中点箝位型三电平逆变器的 控制算法进行了研究。 通过上述研究，结合本项目实际，设计了三电平地铁辅助逆变器系统，其中 包括主电路、控制系统、及基于v w f 的控制和负载波动时的仿真。随后，对中 点筘位型三电平逆变器的中点平衡问题进行了研究。 最后，本文将给出上述所有仿真的仿真结果及结合三电平地铁辅助逆变器的 实际项目试验测得的结果。 4 2 三电平地铁辅助逆变器拓t l 禾n 算法 根据上述对地铁辅助逆变器的拓扑的比较，最终，根据选择选题需求，选择 了工频隔离的三电平逆变器作为研究对象。 而三电平逆变器自身也发展出了很多拓扑形式。本章将首先对三电平逆变器 的各种拓扑形式进行分析及比较，并选择出适合项目研究的拓扑形式。最后根据 该拓扑形式研究其算法。 2 1各种三电平逆变器拓扑比较 目前，三电平逆变器已经发展出了多种拓扑结构，最主要的三电平逆变器的 拓扑结构可以分为以下三个类型： ( 1 ) 中点箝位型三电平逆变器( d i o d e c l a m e d t h r e e l e v e li n v e r t e r ) ( 2 ) 飞跨电容型三电平逆变器( f l y i n g - c a p a c i t o rt h r e e l e v e l l n v e r t e r ) ( 3 ) 级联三电平逆变器( c a s c a d e dt h r e e 1 e v e li n v e r t e r ) 下面将对这三种三电平逆变器主电路进行简要分析，并将各种拓扑的优缺点 进行对比分析。 2 1 1中点箝位型三电平逆变器 中点筘位型三电平逆变器也叫做二极管箝位式三电平逆变器。这种结构是出 现较早，应用场合较多，研究也最多的的一种结构。1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 最 先提出了一种三电平逆变器的电路拓扑，其主电路是在常规两电平电路的基础上， 让每相桥臂增加一对丌关管以辅助中点筘位。1 9 8 0 年在i a s 年会上，a n a b a l e 在 h o l t z 的基础上，将辅助丌关管换成一对筘位二极管。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。 中点筘位型三电平逆变器的每相桥臂都是由4 个丌关器件，4 个续流二极管和 两个箝位二极管组成，如图2 1 所示： 5 图2 1 中点箝位型三电平单相电路拓扑 f i g u r e2 - 1o n ep h a s ec i r c u i tt o p o l o g yo fd 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 r 直流电压为v d c ，c i 和c 2 是一对串联的直流支撑电容，同时，c l 与c 2 大 小相同，在自动的直流均压过程后，c 1 与c 2 上的电压大小相同，都为v d c 2 。因 此，若将图中0 点作为电势零点，则p 点电势为v d c 2 ，n 点电势为v d d 2 。s 1 - s 4 是功率开关器件，通过对s l s 4 的开关状态的组合，使a 点输出一v d c 2 、0 、v d c 2 三种电平，所以，拥有该桥臂的拓扑称为三电平逆变器。d 1 - d 4 为续流二极管， 在i g b t 等开关器件里，续流二极管已经集成在该开关器件中，而不必再另外增加 二极管续流。ddl 、dd2 为中点筘位二极管，用于将o 点电位稳定在p 和1 1 点电 位的中点。因此，由三相这种桥臂组成的变换电路就叫做二极管箝位型或中点筘 位型三电平逆变器，其原理图如图2 2 所示： 图2 2 中点箝位型三相二电平逆变器电路拓扑 f i g u r e2 - 2t h r e ep h a s ec i r c u i tt o p o l o g yo fd 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 r 2 1 2飞跨电容型三电平逆变器 飞跨电容型三电平逆变器也叫做电容箝位型或者悬浮电容型三电平逆变器 ( f c m l ：f l y i n g c a p a c i t o rt h r e el e v e l ) ，是在1 9 9 2 年的p e s c 年会上，由法国学者 t a m e v n a r d 和h f o c h 首先提出的。一个m 电平的飞跨电容型逆变器的每相桥 6 臂由( m 1 ) 个分压电容，2 ( m - 1 ) 个开关器件，( m 1 ) ( m 2 y 2 个箝位电容组成，图2 3 所示是一个电容箝位型三电平逆变器的一相桥臂： 卜 8 1 3 j - 0 专 卜 图2 - 3 飞跨电容型三电平单相电路拓扑 f i g u r e2 - 3o n ep h a s ec i r c u i tt o p o l o g yo fc a p a c i t a n c e - c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 其结构为：直流电压为v d c ，c 1 、c 2 是串联的直流支撑电容，也是分压电容， 它们大小相同，在自动的直流均压过程后，c 1 、c 2 上的电压大小相同，都为v d c 2 。 通过对s l s 4 的开关状态的组合，可使u 点输出v d c 2 、0 、v d c 2 三种电平，其 中s l 、s 4 互补导通，s 2 和s 3 互补导通。所以，拥有该桥臂的拓扑称为三电平逆 变器。c c l 为箝位电容。由图可见，与二极管箝位型三电平逆变器不同，这种电路 采用的是跨接在串联开关器件之问的串联电容进行箝位的。 当负载电流方向确定的时候，不同的开关组合对箝位电容电压的影响刚好相 反，因此，本拓扑的控制关键在于保证飞跨电容上的电压平衡。 减小飞跨电容上的电压纹波，可以使用以下两种方法：增大飞跨电容的容量， 或者提高系统的丌关频率。但两者的不足在于前者会使系统体积增大，后者会使 系统的丌关损耗增加。 2 1 3 独立直流源型三电平逆变器 独立直流源级联多电平逆变器也可以叫做单元级联式多电平逆变器。r h b a k e r 等人在1 9 7 5 年就对级联型拓扑申请了专利，但是，在此后的很多年间，这 种拓扑并没有得到推广应用。在1 9 8 8 年的p e s c 会议上，m m a r c h e s o n i 等人提出 了级联型多电平逆变器，它当时用于实现等离子体的稳定性要求【4 】。直到1 9 9 7 年， 文献 5 ，6 】两项专利对级联型拓扑在电机传动和电网中的应用进行了讨论之后，级 联型拓扑才得到了较为广泛的应用【6 】 【7 1 。 这种拓扑的逆变器结构是：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，三相的逆变器可以 采用y 型或三角形连接。图2 4 所示为多独立直流源级联型三电平和血电平逆变 7 器的单相桥臂结构： v d c v d c 2 ( a ) 三电平 v d 以 ( b ) 五电平 图2 4 独立直流源级联型三电平和五电平单相电路拓扑 f i g u r e2 - 3o n ep h a s ec i r c u i tt o p o l o g yo f c a s c a d e d t h r e ea n df i v e l e v e li n v e r t e r 为突出独立直流源型多电平逆变器的特点，将以五电平拓扑为例，简述其结 构为。直流侧是两个电压均为v d c 2 的独立的电压源，s 1 s 4 组成一个h 桥，s 5 s 6 组成一个h 桥，将这两个两个两电平h 桥单元如图级联构成的单相电路的输出u 电压可以有v d c 、v ( 1 c 2 、0 、v d c 纪、v d c 五种电平。与二极管籀位型和飞跨电容 型多电平逆变器相比，独立直流源级联型拓扑不需要大量的箝位二极管和飞跨电 容，但是需要多个独立直流电压源。 随着对独立直流源级联型多电平逆变器研究的不断深入，越来越多的学者也 研究改进型的独立直流源级联型多电乎逆变器。如通过对不同单元采用不同的直 流电压，可以用较少的级联单元得到较多的输出电平，或者折衷考虑功率器件的 开关频率和电压应力，可以对不同直流电压单元采用不同的功率器件，进一步提 高系统的性价比。这些改进可以使得逆变器的输出电压电平数增加，波形质量提 高。 对m 电平的逆变器，独立直流源级联型多电平逆变器每相需要2 ( m 一1 ) 个功率 开关管，( 2 m 1 ) 个反并二极管和( m 一1 ) 2 个独立的直流电源。 2 1 4 三电平地铁辅助逆变器主电路拓扑选择 通过上述对各种三电平逆变器拓扑的分析，可以将各自优缺点总结如下： ( 1 ) 中点箝位型三电平逆变器的缺点主要是：需要较多二极管，使得系统控 制复杂；电容均压问题，导致中点电位漂移，使输出波形j 下弦度降低；由于中间 开关器件的丌通时问比两边丌关器件的长，导致器件的额定电流不同等。 8 但是随着研究的深入，中点箝位型三电平逆变器的上述缺点已经可以通过各 种技术及控制策略解决。 中点箝位型三电平逆变器的优点在于：均压问题在无功调节方面应用较好； 对器件参数的要求不是非常严格；系统的安全系数提高、在中点箝位型三电平结 构中，三电平逆变器的结构具有自动平衡的能力，是一种非常优异稳定的结构等。 由于这些因素，目前其三电平拓扑已经应用于工业实际中，实际应用中的中高压 变频器，也主要都是这种拓扑。 ( 2 ) 飞跨电容型三电平逆变器的拓扑较之中点箝位型三电平逆变器的优点 是：去除了大量的箝位二极管；逆变器电平数易扩展，逆变器的控制也比中点箝 位型三电平逆变器灵活。但是该拓扑却引入了大量的悬浮电容。对高压系统而言， 电容体积大，成本高，寿命短，封装难，控制方法也非常复杂，并且在运行过程 中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的运行安全，随着开关频率的 升高，效率也随之降低。这些因素都严重的制约了飞跨电容型三电平逆变器的应 用。因此在三种三电平拓扑中，对飞跨电容的研究相对很少。 ( 3 ) 与前两种三电平逆变器相比，独立直流源级联型三电平逆变器拓扑的 优点比较明显：无需箝位二极管和悬浮电容，所需器件数目少；直流侧采用相互 独立的直流电源，不存在电容均压问题；模块化程度好，便于维修，易于扩展； 于没有电容和箱位二极管的限制，因此可较方便的实现更多电平，达到更高电压， 实现更低谐波；并且控制方法较之前两种多电平逆变器相对简单。 尽管独立直流源级联型三电平逆变器具有很多优点，但与前两种三电平逆变 器相比，它的缺点也是显而易见的：它需要多个独立的直流电源，若用交流整流 滤波的方法来实现，则变压器结构复杂，此外独立的直流电源的均衡控制问题等 问题也需要进行深入研究，因此它实际应用上受到了一定的限制。 根据地铁辅助逆变器的项目为背景，综合考虑到系统复杂性、控制特性、工业 运用的成熟度、成本及系统寿命等问题，最后选择了中点箝位式三电平逆变器作 为本文的研究对象。 2 2中点箝位型三电平逆变器基本算法 9 p 图2 - 1 三电平逆变器基本拓扑图 f i g u r e2 - 1t h et o p o l o g yo fd 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 r 中点箝位式三电平逆变器的电压矢量脉宽调制策略( n p c 。t l c s v p w m ， n e u t r a lp o i n tc l a m p e d t h r e el 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 ) 与 传统的s v p w m 有一些不同之处。这主要还是由其二极管箝位中点的特殊主电路 拓扑所决定的。通过各相的箝位二极管，n p c t l c 的各交流输出可以实现“零 电平，即将各相的输出电压箝位为零。此外，其矢量空间中合成任意电压矢量的 基本电压矢量的选择也与传统的s v p w m 方法不同。传统的s v p w m 调制方法中， 是通过两个基本电压矢量和零矢量来合成一个任意给定的电压矢量的。其本质上， 只需要确定合成这个电压矢量的两个基本电压矢量即可，所以传统的s v p w m 调 制方法又称为n 2 v ( n e a r e s tt w ov e c t o r s ) 方法；而n p c t l c s v p w m 调制方法 中，由于其基本电压矢量集中的基本电压个数多，在合成任意电压矢量的过程中， 不一定需要使用零矢量，从而在合成的过程中，需要确定3 个基本电压矢量。因 此，这种方法又被称为n 3 v ( n e a r e s tt h r e ev e c t o r s ) 方法【8 卜【1 u j 。 2 2 1n 3 v 方法的基本电压矢量集 = 兰。 为式2 1 ： ，j = a ，b ，c( 2 - 1 ) 式中，当开关函数取值为1 时，表示相应的相的交流输出通过开关管接到直 流f 母线p ( 2 ) 上；当开关函数取值为0 时，表示相应的相的交流输出通过 丌关管接到地( 零电平) 上；当丌关函数取值为1 时，表示相应的相的交流输出 l o 通过开关管接到直流负母线n ( 一以2 ) 上。 分析上式可以得出，n p c t l c 的三相输出电压的电平共有2 7 ( 3 木3 幸3 ) 种组 合状态，远多于传统的s v p w m 的8 ( 2 2 ，1 2 ) 种组合状态。在n 2 v 调制策略中， 每个输出电压的组合形式都对应着电压矢量空间中的一个基本电压矢量。类似地， 在电压矢量空间中也同样能够得出n 3 v 调制策略所对应的基本电压矢量。 下面以组合( 1 ，0 ，1 ) 为例说明各电压组合所对应的基本电压矢量计算方法。 ( 1 ) 组合( 1 ，0 ，1 ) 所对应的n p c t l c 的主电路图及其简化电路图如图 2 2 所示： pp u 妣( 1 = 一 b i u d c ，2 f) u c nl 圈2 - 2 ( 1 ，0 ，- 1 ) 所对应的主电路图及具简化电路图 f i g u r e2 - 2t h em a i nc i r c u i ta n ds i m p l i f i e dc i r c u i to f ( 1 ，0 ，一1 ) 从图中不难得出逆变器输出各相电压的瞬时值： k = 2 = 0 ( 2 2 ) 【u c = 一2 ( 2 ) 计算式2 - 2 中各相瞬时值对应的p a r k 矢量： 将“口、和“c 的瞬时值代入式2 - 3 ： =i2(甜口+“6e，j2万+“c2一-，j2vo 石)( 2 3 )= i ( 甜口+ “6 e 。3+ “c 2 。3 。)( 2 3 ) 将三相静止坐标系中的瞬时电压u 口、u 6 和u 。转化为电压空间中的电压矢量 圪，可得= 3 u 出p 归埔3 。 按照上述方法，可以得到n p c t l c s v p w m 的所有2 7 种丌关组合状态所对 应的“口、u b 和“。的瞬时值以及电压矢量g o ( 如表3 1 所示) ，即其基本电压矢量 集1 1 卜。其中共有3 个零矢量( z 。一z 3 ) ，1 2 个小矢量( 墨一s 。：) ，6 个中矢量 ( m 。m 6 ) 和6 个大矢量( 厶一厶) ，其电压幅值分别为3 、历吮3 和2 3 。 基本电压矢量在矢量空间内的分布如图2 - 3 所示。 2 2 2n 3 v 方法中任意电压矢量的合成过程 ( i ，1 ，1 )( o ，1 ，1 ) ( 1 ，1 ，一1 ) 。一i ? a 彭l 么。，。1 0 、 ? f in 1 、 。 ! 、i 一?|。l|一| ?； 易二f i ，0 ，o )二二( o l ，l 卜心 基意1 0 一z | | - | | j7f 攀擘哆z 秒、 。 。一。7- 一。 ( 1 ，一l ，1 )( o ，一1 ，1 )( 1 ，一l ，1 ) 图2 3n 3 v 方法中各欠量三角形的划分 f i g u r e2 3t h ed i v i s i o no f v e c t o rt r i a n g l ei nn 3 v 图2 - 4n 3 v 方法中第1 扇区各欠量三角形的划分 f i g u r e2 - 4t h ed i v i s i o no fv e c t o rt r i a n g l ei ns e c t o rii nn 3 v 在n 3 v 方法中，合成一个给定的参考电压矢量，需要首先确定的顶 点所在的扇区号、扇区内的矢量三角形号，并根据所在的矢量三角形选取基本电 1 2 压矢量，以及计算相应的基本电压矢量的作用时间【1 4 1 。 a 参考电压矢量所在扇区号的确定 的顶点在各扇区内时分别满足式2 4 到2 - 9 ： 第l 扇区： 第1 i 扇区： 第1 l i 扇区： 第1 v 扇区： 第v 扇区： 第v i 扇区： i o 一疵 f o 吨 【 一疵 f 0 疵 l 一吨 f 0 成 【- 一吨 f o 一吨 在上式中，圪和是电压矢量在两相静止坐标系中口和轴上的分量。 k = 豫艨爱母 ：) 善二老 1 3 、-、-、-、，、-、 4 5 6 7 8 9 - - - - 2 2 2 2 2 2 ，ll，、，l，l s = k l + 2 砭+ 4 k 3 时，扇区号与s 的值有如下对应关系： 表2 - 1 扇区号索引 t a b l e2 1t h es e c t o rn u m b e ri n d e x 根据上式计算出相应参考电压的k ，k 和墨，以及s 的值后，查表3 2 就 可确定吃，的顶点所在的扇区号。 b 参考电压矢量斩在矢量三角形的确定及相应基本电压矢量的选择 选择适当的基本电压矢量合成一个电压矢量，需要确定这个电压矢量所处的 矢量三角形区域【1 5 】。当确定了矢量三角形区域后，根据n 3 v 方法的基本原理，三 角形的三个顶点所对应的三个基本电压矢量就是所需要的基本电压矢量。以第1 扇区的矢量三角形选取为例。第1 扇区根据各基本电压矢量的顶点可丛分为四个矢 量三角形t l ，t 2 ，t 3 和t 4 ，如图2 4 所示。第1 扇区内当参考矢量吲。的顶点分 别位于各矢量三角形内部时，相应的基本电压矢量选择如表2 2 。 表2 - 2 第1 扇区各矢量三角形内的基本电压欠量 t a b l e3 - 3t h eb a s i cv o l t a g ev e c t o ro f v e c t o rt r i a n g l ei ns e c t o ri 矢量三角形基本电压矢量 t 1 0 ，s l $ 2 ，s 、is 4 t 2s l s 2 ，s 、s 4 ，m 、 t 3 s 、 s ：，m i ，k t 4 & s , ，m ，厶 仉警g 亿 f 警列 仫 等“ 陋 i3 屹一压，1 1 4 u 赴 t：3v口-43vp31 ( 2 1 2 )t ：1 ( 2 一 u d c 。 t 4 ：2 4 3 v p l ( 2 1 3 ) u 如 。 显然，在第1 扇区中，若的顶点不在t l 、t 3 和t 4 中，就必然在t 2 中( 由 2 1 l 与其他三式互补可见) 。在确定其所在的矢量三角形的过程中，可以首先计算 式2 1 0 ，2 1 2 和2 一1 3 ，若任意一式满足，则直接可以确定相应的矢量三角形；若 都不满足，则吃， 的顶点在t 2 中。 在实际计算过程中，其他扇区内各矢量三角形的确定可以通过坐标旋转 变换，变换到第1 扇区内进行判断；或者是针对各个扇区分别计算相应的矢量三角 形判断标准，依据不同的扇区号进行计算。前者对处理器的存储区间要求较小， 对数据计算能力要求较高；后者与前者相反。使用过程中，可以根据处理器的软 硬件实际情况进行选择。 c 基本电医矢量的作用时间的计算 以顶点位于第1 扇区t 2 矢量三角形内的参考矢量为例进行计算。当位 于这个区域内时，所选取的三个基本矢量为墨是，岛墨以及m l 。需要说明的 是，s 最，s 墨分别是两对相互冗余的小矢量。其中具体选择哪个小矢量，需 要按照其对中点电位的影响作用来进行考虑( 这一点，将在第四部分进行介绍) 。 三个基本电压矢量的等效作用结果和在口和轴上的分量应该相同，因 而有式2 1 4 ： 三+ 等c o s 詈心+ 三c o s ；乞= 圪e 三c o s 詈+ 等c o s ；乞= 乃 c 2 荆， t l + t 2 + 乞= z 其中，t 1 、t 2 $ ut 3 分别是s s 2 ，墨& 以及m l 在一个开关周期z 内的作用 时间。解式2 1 4 得 1 5 仁e + 孚正 铲警牛正 陋嘲 一警乃 相应地，当参考电压矢量吃r 的顶点在其他的矢量三角形t 1 、t 3 和t 4 内部 以及其他各扇区内相应的矢量三角形内部时，通过这种方法可以计算出其相应的 基本电压矢量作用时间【1 5 】【。 d 开关切换冁亭的选择和确定 s v p w m 的方法在合成一个参考电压矢量时，各基本电压矢量的切换体现为各 基本电压矢量所对应的开关状态的切换。在标准n 3 v 方法中，其基本电压矢量和 其作用时间的选择和计算，与n 2 v 方法在本质上是相同的，不同之处仅在于n 3 v 方法中和成一个参考电压时不一定会用到零矢量，而后者在合成时一定会使用 零矢量。相应的，在n 3 v 方法中，各丌关状态的切换方式与n 2 v 方法也是类似的。 为了降低开关损耗，n 3 v 方法中各基本电压矢量的开关状态进行切换时，为了减 小开关损耗以及减小作用在各丌关管上的应力，应该遵循以下原则： ( 1 ) 每次状念切换时，只有一个开关管的开关状态发生变化； ( 2 ) 发生状态改变的开关管的状态，不能在1 和1 之间直接切换，而应通 过o 进行切换。这样做可以有效减小作用在开关管上的电压应力； ( 3 ) 每个采样周期各相开关管的状态切换总次数最小； ( 4 ) 合成参考电压矢量的开关状念组合均由小矢量开始，以防止在不同区 域之问移动时造成的开关状态突变； ( 5 ) 为了消除偶次谐波，在合成的过程中，一个开关周期内的丌关状态是 对称的，所以通常一个开关周期由奇数个开关状态之间的切换组合而 成； 为了实现上述原则，需要将各扇区的矢量三角形进一步划分为如下区域，以 第l 扇区为例： 1 6 影父 o 小_ p ：f e 图2 5 第l 扇区的重新划分 f i g u r e2 - 5t h er e - d i 访s i o no fs e c t o ri 为了确定参考电压矢量所在的区域，需要对式2 1 0 直2 1 3 所表述的条件进行 修正1 8 卜9 1 。当确定了所在的矢量三角形后，若进一步满足3 圪，则 处于区域2 或4 ，否则处于区域l 或3 。 在上述各小区域中，按照上面给定的原则就可以确定出第1 扇区各区域的开关 状态迁移序列了。这里使用七段s v p w m 脉冲，各段的序号分别为a 到f o 其他各