（电力电子与电力传动专业论文）单相复合式三电平逆变器的研究.pdf

兰塑堡鱼茎三坐! 望銮塑塑堕塾 a b s t r a c t an o v e ls i n g l ep h a s et h r e e l e v e li n v e r t e ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sn a m e dh y b r i dt h r e e l e v e li n v e a e la l e go f n e u t r a l p o i n tc l a m p e di n v e r t e rt a k e sp l a c eo f o n eo ft h et w ol e g s o ft h ec o n v e n t i o n a lf u l l b r i d g ei n v e r t e r t h eg r e a ta d v a n t a g ei st h eh a r m o n i c so f t h eo u t p t a t v o l t a g ei sr e d u c e dal o t ，s ot h es i z eo f t h eo u t p u tf i l t e rc a l lb er e d u c e dg r e a t l y i ti sd e t a i l e d t oa n a l y z et w ok i n d so fc o n t r o ls t r a t e g y ，一s p w ma n dh c p m ( h y s t e r e s i sc o n t r o l l e dp u l s e m o d u l a t i o m i nt h i sp a p e r , ak i n do fo u t p u tc u r r e n tf e e d - f o r w a r dc i r c u i ti sa d d e di n t ot h ei n p u to f t h ec u r r e n tl o o p b ya d d i n gt h i sc o m p e n s a t o r yc i r c u i t ，t h eo u t p u tc h a r a c t e ro f t h ei n v e r t e ri s i m p r o v e dg r e a t l y a2 k v a p r o t o t y p e i sb u i l tt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e di n v e r t e r k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e l i n v e r t e rs p w mh c p m f e e d f o r w a r d i i 南京航空航天大：学硕十学位论文 第一章绪论 功率变换器的发展趋势是体积小、重量轻、性能好、可靠性高以及丌关噪声小。 由于磁性元件在变换器的体积和重量方面占了很大的比重，因此在保证变换器的性能 不变的情况下，能有效的减小磁性元件是十分有意义的。 对于p w m 控制的高频开关逆变电源而言，其谐波成分主要集中在开关频率附 近，因此提高开关频率可以有效的减小输出滤波器，然而开关管的开关损耗将随开关 频率的提高而成比例增加。采用软开关技术可以减小开关损耗，但是需要增加些额 外的辅助电路，从而造成系统控制变得比较复杂，可靠性降低。 如果在开关频率不变的情况下，采用一定的方法减小逆变器输出电压的谐波含 量，同样可以减小输出滤波器。多电平技术的应用就是一种很好的途径。 1 1 三电平逆变器的发展概况 1 1 1 中点箝位逆变器 传统三相逆变器的拓扑如图1 - l ( a ) 所示，取两个输入分压电容的中点o 作为参考 电位点，显然v 。只能得到+ k 。2 和一k n 2 两种电平，图1 - 1 ( b ) 为v 。的输出波形，其 谐波含量较大。对于电机驱动而言，电机的谐波损耗和脉动转矩很大：对于u p s 而 言，则需要较大的输出滤波器以降低谐波【l 】o 彪 n 。_ 、 l 1 、 ， 、 ， _ _ 一 、= ，匕 一 ( a ) 主电路拓扑( b ) v a o 输出波形 图i - i 传统三相逆变器 为了减小v 。的谐波含量，1 9 8 1 年a n a b a e 教授提出了中点筘位( n e u t r a lp o i n t c l a m p e d ，n p c ) 逆变器1 2 】，其拓扑如图l 一2 ( a ) 所示。以a 相为例来分析，它是在图i - l ( a ) 的基础上加入了“辅助”开关管勘( 功7 ) 、勋( 勘) 以及“辅助”二极管d q l 、d q 2 ，通 过控制开关管s l 、勘、勋的导通情况，v 。就可以得到三种不同的电压：+ 2 ， 0 和一k 。2 。若s l 和勘同时导通，则v a o = + v i 。2 ：若勘和勋同时导通，则v a o = o ；若 单相复台式三电平逆变器的研究 和同时导通，则p a o = h 。2 ，v 。的输出电压波形如图1 2 ( b ) 所示，与图1 - 1 ( b ) 相 比，v 。的谐波被大大减少。由于该电路的0 电压是通过二极管岛，和d 私箝位得到的， 因此也称该种拓扑为二极管箝位三电平逆变器 3 1 ( d i o d e c l a m p e dt h r e e l e v e l i n v e r t e r ) 。相对于图1 1 的逆变器而言，该电路有以下几个优点： 1 1 斗目电压的谐波含量大大减少，这样可以减小滤波器的大小； 2 ) d v d t 小，对于电机驱动电路而言，可以大大减少脉动转矩和脉动损耗； 3 】开关管的电压应力降低为输入电压的一半。 但中点箝位逆变器应用中一个关键的问题是：如何保证分压电容c - 和c 2 上的电 压相等。因为如果c 。和c 2 上的电压不相等，反而会造成相电压的谐波含量增加，甚 至系统不能稳定工作。电容的均压问题目前是应用中点箝位逆变器的一个难点和热点 问题【3 _ 5 1 。 _ 2 黼闲 ( a ) 主电路拓扑( b ) v 。输出波形 图1 2 n p c 逆变器 1 1 2 飞跨容箝位三电平逆变器 在二极管箝位三电平逆变器的基础上，提出了一种新的三电平拓扑 6 1 1 7 1 一飞跨容 箝位三电平逆变器，该拓扑是用一个电容代替两个筘位二极管，由于该电容是飞跨在 两对串联的开关管中间，所以称其为飞跨电容( f l y i n g c a p a c i t o rt l ) 箝位三电平逆变 器，该电路的拓扑如图l 一3 所示。 稳态输出时，飞跨电容上的电压为输入电压的一半。当s l 、s 2 导通时，v a o = + v i 。 2 ；当s 3 、s 4 导通时，v a o = k 。2 ；当s l 、s 3 ( 或s 2 、s 4 ) 导通时，v a o = 0 ，每相的开 关管的开关规律是：s l 、s 4 互补导通，s 2 、s 3 互补导通。 本拓扑的关键是如何保证c 上的电压为输入电压的一半，即如何保证对c 知的 充放电平衡。由于的充放电只与v a o 输出为0 电平时有关，所以应该合理选择两 个0 电平时开关管的导通情况。为了控制飞跨电容上的电压纹波，通常使用以下两种 方法：增大飞跨电容的容量，或者提高系统的开关频率。前者会使系统体积增大，后 者会使系统的丌关损耗增加。 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 - 3 飞跨容箝位三电平逆变器 1 1 3 级联型三电平逆变器 级联型三电平逆变器( c a s c a d e dt li n v e r t e r ) ( 6 - s l 目前也是研究多电平中的一个热 点拓扑，在中等电压大功率的电机驱动、大功率电源以及大功率的有源电力滤波9 1 等中得到广泛应用。该拓扑是将两个h 桥的输出桥臂进行串联，从而每相相电压可 以得到三种电平，该电路的拓扑如图1 - 4 所示。 图1 4 级联型三电平逆变器 相对于前面两种拓扑而言，级联型三电平逆变器的优点是不需要均压电容和飞跨 电容，但功率管的个数会大大增加。从结构而言，这是用有源器件代替无源器件，易 于系统的模块化和扩展，方便冗余，而且这种拓扑控制简单，易于实现软开关。但该 拓扑也有其不足之处，对于每一相而言，各个h 桥均需要一台隔离直流电源供电， 单相复台式三电平逆变器的研究 另外，在级联单元较多的情况下，故障检测和诊断会显得比较复杂，因此在中小功率 的场合其应用受到很大的限制。 1 1 4 其它三电平逆变器 以上是常见的三种三电平逆变器的拓扑。它们减小了相电压谐波含量的同时，也 降低了丌关管的电压应力，适用于高输入电压的场合。当输入电压较低时，有人提出 了一种实用的思路：如图1 - 5 ( a ) 所示，在a 点和。点之间加入一个双向开关函【1 0 1 ，当 ( a ) 电路拓扑 ( b ) 并联式( c ) 串联式( d ) 桥式 图1 - 5 双向开关式三电平逆变器 岛常见的三种形式如图1 5 ( b ) 、( c ) 、( d ) 。对于圈( b ) 而言，当勘导通时，相电流 由o 点流经砌、勘流向a 点；当勋导通，相电流由a 点流经勋、d 鹰流向。点。勘、 勘承受的最大电压应力为输入电压的一半。对于图( c ) 而言，当勘导通时，相电流由 。点流经勘、d 流向a 点；当勘导通时，相电流由a 点流经勋、d 月流向。点，勋、 勋承受的最大电压应力为输入电压的四分之一。对于图( d ) 而言，当毋导通时，如果 相电流由。点流向a 点时，则二极管d 小d 疗导通；如果相电流由a 点流向。点时， 则二极管d ? 、p 詹导通。毋承受的最大电压应力为输入电压的一半。 在图1 5 ( d ) 的基础上，有人提出了一种适用于低压输入场合的全桥三电平拓扑 ”1 1 , 如图1 6 所示。该电路的主要缺点是：无论是输出+ 2 还是输出m 。2 ，s z 都必 然导通，因此品的开关频率明显大于其他四只开关管，需要选用开关频率较高的开关 南京航空航天大学硕七学位论文 关管，且丌关损耗大。 图1 6 桥式双向开关三电平逆变器 1 2 本文的研究内容 d 3 以 基于中点箝位型三电平逆变器可以减小开关管电压应力的优点，我们提出了一种 适合于低压输入场合的单相三电平逆变器，它是由一个三电平桥臂和一个两电平桥臂 组合而成的，因此称之为复合式三电平逆变器，如图1 7 所示，比起两个桥臂都采用 三电平结构而言，其控制简单，器件少，容易实现。 图l 一7 复合式三电平逆变器 本文将研究基于该逆变器的s p w m 控制和电流滞环控制两种方法，进行了仿真 和实验验证。另外，为了提高逆变器输出电压的外特性，本文还讨论了一种负载电流 前馈的控制方法 1 1 2 0 1 ，并进行了实验验证。 本文研究的内容如下： 第一章介绍三电平逆变器的发展概况，基于低压输入场合提出了一种复合式三电 单相复合式三电平逆变器的研究 平逆变器： 第二章分析复合式三电平逆变器的工作原理； 第三章讨论复合式三电平逆变器s p w m 控制的工作原理及其设计 第四章讨论复合式三电平逆变器滞环控制的工作原理及其设计； 第五章针对复合式三电平逆变器的缺点，提供了一种解决方案： 第六章分析影响逆变器的外特性的因素，并给出一种改善的方法； 第七章对本文进行小结，并提出进一步的研究工作。 1 3 本课题的研究意义 本文的研究可以应用于各种逆变器，如飞机用静止变流器，通讯用逆变器以及 u p s ，为这些电源的小型化提供了一种思路。 南京航空航天人学硕十学位论文 第二章复合式全桥三电平逆变器的工作原理 2 1 电路拓扑 本章主要分析复合式全桥三电平逆变器的工作原理，图2 1 为复合式三电平逆变 器的拓扑，其中c i 、c 2 为输入电压h 。的分压电容。定义s r s 4 组成的桥臂为三电平 桥臂，$ 5 - $ 6 组成的桥臂为两电平桥臂；d 7 - d 8 为箝位二极管；l s , ( r l a 分别表示 滤波电感，滤波电容以及负载，同时定义当电感电流由a 点流向b 点时，为蚵正方 向。 图2 - 1 复合式全桥三电平逆变器 2 2 逆变器的开关模态分析 在分析各种模态之前，首先定义i a b 的三种电平，如图2 一l 所示，当v a b 等于+ v m 、 + v ，。2 、0 、和v j 。2 时分别定义为+ 1 、+ 1 2 、0 、- 1 和一l 2 电平。为分析方便，我 们把0 电平分为+ o 和0 两种。当v a b 在+ v 。2 电平和0 电平之间切换时，定义此时的 o 电平为+ o 电平；当i ， a b 在v ，2 和0 电平之间切换时，定义此时的0 电平为一o 电平。 根据v a b 的6 种输出电平，可以得到该变换器的6 种开关模态，如表2 1 所示。 而根据电感电流的方向，每种开关模态又对应了2 种不同的工作状态，也就是说该变 换器共有1 2 种工作状态，如图2 2 所示。 单相复合式三电平逆变器的研究 表2 - 1v a b 和丌关管开关情况及电流通路对应表 电流通路 对应电路图 v a b 电平 丌通的开关管l l f o v 。”s 1 、s 2 、l f 、c f r l d 和s 6图2 - 1 f a l + l s i 、s 2 、s 6 0 c 2 、d 7 、s 2 、l f 、c r e d 和s 6图2 1 ( c ) + 1 2 s 2 、s 3 、s 6 0 d 4 、d 3 、l f 、c f r l d 和s 6 图2 一l ( e ) + o s 3 、s 4 、s 6 0 d 4 、d 3 、l f 、c f f r - l d 、d s 和v i n 图2 1 ( g ) 1 s 3 、s 4 、s 5 0 d 7 、s 2 、l f 、c f r l d 、d 5 和c i 图2 一l ( i ) 一1 2 s 2 、s 3 、s 5 o s i 、s 2 、l f 、c t r l d 和d 5图2 - 1 ( k ) 卜 s l 、s 2 、s 5 o ( k ) v a b2 0 ；i l f o ( f ) v a b 2 + 0 ；f l j o ( t 1 ) k a b 2 ( 一1 ) v 。n ；l j o ( j ) i , a b = ( 一1 2 ) v i n ；i l r o ( 1 ) v a b2 - o ；i l l 0 图2 2 各开关模态的等效电路 一吵n 砑j l f 一拶k湖 | | rj岳，!j k】；ll丁ll| 一liij匕1i一 黎一i上tl卜l；上tllo 一hl：k，；lil雾藩生 一 羔岛 一 十；tl，；li?；+ | | q q 一 单相复台式二屯平逆变器的研究 2 3 本章小节 本章提出了一种复合式三电平逆变器，分析了它得到这些电平时各丌关管的工作 情况，为后面研究各种控制方式打下了基础。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章复合式三电平逆变器的s p w m 控制 3 1 复合式三电平逆变器s p w m 控制原理 对于传统的两电平逆变器，s p w m 控制的基本思路是用一个调制信号( 基准正 弦波) 与一个载波信号( 三角波) 进行交截，从而产生p w m 控制信号，来控制开关 管的丌关。根据逆变器的输出电压 g a b 脉冲极性不同，s p w m 控制可以分为双极性和 单极性两种旧【2 6 1 。双极性方式的谐波含量较大，主要用于半桥逆变器。而单极性控 制则多用于全桥逆变器中。图3 1 给出了全桥逆变器及s p w m 控制的主要波形。 燃删、 入：竺 0 1 啊_ 唧l i。 唧川佣、 1 1 唧川。 0 嗣f u。 t i 例删心7 ( a ) 全桥逆变器( b ) s p w m 控制方法 图3 一l 全桥逆变器及其s p w m 控制方法 对于复合式三电平逆变器而言，需要两个三角波载波v 盯n 和v 廿i 2 。其中i 1 是在 v 。2 上叠加一个等于v 眦的幅值的直流电压后得到的。基准正弦波v ，。，的绝对值与h i l 和v 。2 进行交截，得到两组脉冲信号a 和b ，将 g r e f 与零电压比较后，得到信号c ， 如图3 ，2 所示。结合表2 1 的分析，图3 2 还给出了输出滤波器上的电压波形b 及 所需要的各开关管驱动波形。在正方向上，v b 可以得到0 ，+ l 2 并l l + l 电平；而在负 方向上，b 则可得到0 ，一1 2 和一1 电平。 根据图3 2 和表2 1 ，我们可以得到各个开关管的开关规律。 _ s l 是在v a b = 十1 或 g a b = - - 0 时导通，即s ，= a & c + b & c - s 3 是在v a b = + 1 2 、v a b = + o 、 g a b = 一1 2 或v a b = - - 1 时导通，即s = s 单相复合式三电平逆变器的研究 - s 4 是在v a b = 一l 或v a b t m + o 时导通，即s 。= a 百+ 否c ： 一s 2 是在v a b = + 1 2 、”a b = + 1 、v a b = 0 、或v a b = 一1 2 时导通，即s 2 = s 4 s 6 是在v a i l = + 1 、v a b = + 1 2 或1 , a b = + o 时导通，即s 6 = c s 5 是在i , a b = 一1 、v a b 一1 2 或v a b = 一o 时导通，即s s = c 。 综上可得： s t = a & c + b & c s 2 = s t 墨= s z = a & c + b & c s s = c 瓯= c 觥睇 一 怒黼燃 v u 5 空、 l，撕 2 ：t 1h ， 。 c r 1 l 1 一 l _ ( 3 1 ) 2 南京航空航天大学硕士学位论文 对应的逻辑控制框图如图3 - 3 所示 c 图3 3 复合式三电平逆变器s p w m 控制逻辑框图 3 2s p w m 控制滤波器的设计 基于s p w m 控制的逆变器，其输出电压 c a b 中的低次谐波成分被大大减小，但 还含有很多高次谐波成分，需要加入滤波器来滤除高次谐波，使输出电压的失真度达 到设计要求。 设计交流滤波器往往比较复杂，通常需要借助仿真软件来设计，但总的思路可以 归纳为以下几个部分：首先确定滤波器的谐振频率，然后根据电感电流纹波的要求确 定滤波电感的取值范围，最后通过仿真来分析、优化，选择一组合适的滤波参数。 3 2 1 谐振频率的确定 图3 - 4 为滤波器的等效电路图，其中4 和0 为滤波电感和滤波电容，r 为孑寄 生电阻，v 。为输出电压，v a b 为调制波。该网络的传递函数为： v o ( s ) 一 匕8 ( j ) 1 l f c j 1 一 图3 - 4 逆变器输出滤波器 ( 3 - 2 ) 量巴岛邑 s & 一一一一一一一 赤 足一0 ， 单相复合式三电平逆变器的研究 定义滤波洲皆振角频率为2 1 历，阻胱躲赤，品质因数 船华= 南= 去居。阻一础虿1 由二阶振荡环节的截止角频率q 的定义可得： 整理得： c = n 网 将孝= 南代入( 3 - 4 ) ，可得 z 一古 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 我们知道，对于串联谐振网络而言，品质因数q 越大，谐振网络的选择性越强 竹1 ， 当q 1 0 时，q 的大小对式( 3 - 5 ) 影响很小，可以近似认为q = 2 q ，则有： 垆，2 裔 。巧 文献 1 6 1 提供了一种简易确定截止频率五的方法，它是根据桥臂间输出电压的基 波幅值、幅值最大的谐波的幅值和频率、以及所要求的t h d 大小，按照式( 3 7 ) 来计 算截1 e 频率。 乒听【等m o m 声a p ( dl 其中： 疋一滤波器的截止频率； 而一幅值最大的谐波的频率： 盯一目标t h d ： m g ( f u n d ) 一基波幅值； m a g ( d o m ) - - 幅值最大的谐波的幅值 6 一指滤波器的阶数，此处6 = 2 。 ( 3 7 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 2 滤波参数的确定 当滤波器的谐振频率确定后，接下来需要设计并优化电感和电容的取值，滤波参 数的优化往往需要考虑以下几个因素： ( 1 ) 滤波器的大小和重量； ( 2 ) 无功功率的问题； ( 3 ) 滤波器的损耗问题； ( 4 ) 电感电流的纹波。 设电感电流的纹波为a i ，输出电压为v o = k 。s i n c o t ，基准波的幅值为 。， 三角波的幅值为硌i _ m 。，三角波频率为工，其周期为t s = l f s 。 滤波电感电流及其两端电压满足下式： 一破 l f i 5 v a b v o ( 3 _ 8 ) 那么电感电流脉动为： a t i = 士( v 口一v o ) d t ( 3 - 9 ) l f 由于三电平逆变器v a b 可以输出三种电平，因此需按两种情况讨论： a 当l v o l v l r j 2 时，v a b = v , , 2 ，此时滤波电感电流上升。因此在一个开 关周期内，电感电流脉动为： f l = 古( 孥圳铲啪 jl i 乒彬弋 0 t l ； t 2 r 3 1 0 ) 舭 i l 蜒 汰陟 k 2 - aj 、 、 v ，正 、 | | 、 ( a ) w 与v 川交截( b ) w 与v l r n 交截 图3 - 5 ”可与v t r ，2 几何关系 望塑星鱼茎三皇兰望錾墨塑堕塞 从图3 - 5 ( a ) 中可得： 了l 2 万- t 【= 景商n 倒。( 3 - ，) !巡：墨_sin科。t, 22 将式( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 相加，可得 ( 3 - 1 2 ) f 2 一f 【= 寻( s i n r o t l 一s i n c o t 2 ) 曩慧 s i n 脚掣c o s 国掣 。3 由于开关频率很高，因此b - t 2 a 0 。为了不失一般性，令( t i + t 2 ) 2 = t ，则上式可写为： 2 - 62 瓦f r r-一m“8in耐(3-14)lrl-lflax 同时认为输出电压完全跟踪参考电压v r e f , 即它们是同相位的，将式f 3 。1 4 ) 4 e 入 卟号。告謦一圪_ m a x s i n 蛐甜 s i n c o t = 4 丧c n 叭i 耽肌 i：土旦(3-16)l_max 1 6 l ，吒。屹 b 当e d 2 i v o i 】时，= ，滤波电感电流上升。因此在一个开关周期 内，电感电流脉动为： f 2 = 古( 飞) ( ，z _ ，1 )( 3 - 1 7 ) 从图3 - 5 ( b ) 中可得： 2 一，l r , 2 竺：! 竺竺些二堡竺 一 生二互! ：兰：! 坚! 垫竺垒二竖；：! 竺 e 2 。 ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 1 l6 南京航空航天大学硕士学位论文 将式( 3 1 8 ) 丰n ( 3 1 9 ) 相加，可得： 一t = ； ! ：= ! 竺! 璺一z 。扣n 翻粤掣 c o s ( i ) 生掣 告j l 一一1 。 r 3 2 0 ) 同样，由于开关频率很高，因此t i - t 2 “o 。为了不失一般性，令( t l + 2 ) 2 = t ，则上式 可写为： 铲仁t ( 专詈一， b ：， 同时认为输出电压完全跟踪参考电压v , q ，即它们是同相位的，将式( 3 2 1 ) 代入 式f 3 - 1 7 ) ，可得： 她寺l t 专竽寸一m x s i n 耐， ，l 。j 1 ”一“ 。 当s i nc o t =生：! 竺坠：! 竺堡竺：竺 2 一。圪。a x 时，i 最大，即： 鸲一矿丢盟杀掣 假设所允许的最大电感电流脉动为f m 。，则由式( 3 1 6 ) 和( 3 2 3 ) 情况下的最大电感量为： 钆。= 忐- i v r _ m a x - 芝 ，i( 一。一。圪。) 钆一3 2 a i m 。露了二_ 则滤波电感应取锄，。和锄一。中的最大值，即 句= m a x ( 0 l 一。，02 一。) 由式( 3 - 6 ) 可得滤波电容的大小： 一 l c i _ 3 l 。瓦i 万万 ( 3 - 2 2 ) r 3 2 3 ) 可分别求得两种 ( 3 - 2 4 ) f 3 2 5 ) f 3 - 2 6 ) f 3 2 7 ) 单相复合式三电平逆变器的研究 为分析方便，令三电平逆变器s p w m 控制的调制比为： 矿 m 。= 上竺竺一 “ 2 - 。 根据工程经验取f 。为阻性满载时电感电流幅值“。的 ( 3 - 2 4 ) 、( 3 - 2 s ) 可表示为： ( 3 - 2 8 ) 2 0 1 2 1 【2 2 1 时，则式 。= 高等杀 。- 2 ，：堕监：竖二堡型生圣( 3 3 0 ) 0 2 一m “2 丽面z 正 。 由于在滤波电容未确定之前，电感电流幅值屯细。无法确定，因此必须首先确定 滤波电容的大小。设电感电流的有效值为纽。；电容电流的有效值为如，。；负载电 流的有效值为t 朋，：输出电压有效值为。：输出功率为s ；功率因数角为p 。根 据感性负载时毋、五y 。、厶三者之间的向量关系可得： l q ，、。：= 2 e r 。 ，。c i 。v ，j 。 ，：j l ”一” k 一。 由式( 3 31 ) 得： i q 一。= 、3 1 1 。一。s + i 。呵m 。一2 l 。一。i 寸一r 。s s i n l 9 为方便计算，令： h 5 。c ，2 币1 万 = 糍 ( 2 m 。一v o 一) 2 瓦 2 1 刁苏万f 也= 2 r e - 。 ( 3 3 1 ) r 3 - 3 2 ) r 3 3 3 ) f 3 3 4 ) r 3 - 3 5 ) r 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) r 3 3 8 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 k ，= i v o l 冬 皂一i 。| c 。 则式( 3 - 3 5 ) 及( 3 - 3 8 ) 可化简为： i 。：- k l z ： ( 3 3 9 ) r 3 - 4 0 ) i c ，一。= k 3 c i 0 。4 1 ) 式( 3 3 4 ) n 7 整理得： ，2 一。rr 2 k l k 3 l o 一。，s i n 2 妒l + ( 南也) 2 一k 2 2 = o ( 3 4 2 ) 因此只需求解方程( 3 4 2 ) 即可求出滤波参数。为了证明以上分析的正确性，我们 设计了一台2 k v a 复合式三电平逆变器的原理样机，具体的样机指标如表3 1 所示 表3 - 1 ：样机要求 输入直流电压k , 一- - 1 8 0 v 输出交流电压的有效值。= 1 1 5 v 输出电压的频率 石= 4 0 0 h z 输出功率5 b 2 k v a c o s 口 0 7 5 t h d 1 选择的开关频率为：f = 2 0 l d - l z 调制比m t l = o 9 根据表3 - 1 的要求，进行开环仿真，得到v a b 的频谱图，如图3 - 6 ，表3 2 中给出 了v a b 主要次谐波的分布情况。 由表3 2 得： m a g o c u h a ) = 1 5 9 6 5 v ： m a g ( d o m ) = 2 7 5 7 v ： 同时取盯= o 0 0 5 将以上数据代入式( 3 7 ) 中，可得： 儿z 听【等】i 1 = 1 9 6 0 0 v0 0 0 2 5 7 5 7 。1 5 9 6 5 翊3 5 h z m a。43ga o m ljy z ) ， 一望塑里鱼苎三皇! 望奎堡盟婴窒 图3 - 6 复合式三电平逆变器啪的频谱图 表3 2 ：主要谐波分布 f f ，= 2 0 k h z基波 3 次谐波5 次谐波 4 9 次谐波5 1 次谐波 i 幅值( v ) 1 5 9 6 50 3 7 o 7 32 7 5 7 2 6 6 4 k l = l i c r = 2 ( 舭一，。) 2 2 ( 万3 3 3 5 ) 2 = 4 5 5 5 x 1 0 9 由式( 3 3 8 ) 得： k 3 = 2 n z - v o = 2 万4 0 0 x 1 1 5 = 2 8 9 0 2 6 5 2 由式( 3 3 6 ) 和( 3 3 7 ) 求得也。和岛l ： k 2 0 = 3 9 6 2 x i 0 4 k 2 l = 3 9 3 1 x 1 0 4 由式( 3 3 3 ) 得： 厶一。，：i 至；百2 0 0 0 ：1 73 9 1 3 ( a ) l 一2 瓦。面2 州【a j 将式( 3 4 4 ) - ( 3 4 7 ) 代入式( 3 4 2 ) 中即可求得： l j l 一。= 2 4 8 1 , u h ，2 。= 2 5 9 8 , a l l 则： l f3 i = 2 5 9 8 t h ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) ( 3 - 4 6 ) ( 3 - 4 7 ) ( 3 4 7 ) r 3 4 8 ) ( 3 - 4 9 ) ( 3 5 0 ) 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 将( 3 5 0 ) 代a ( 3 3 5 ) 得： c ：k l ：! ：望! ! 骘：1 7 5 “f l 。2 5 9 8 1 0 。 。r 3 - 4 9 ) 通过将式( 3 2 9 ) 、( 3 - 3 0 ) 干n 附录一中式( 8 7 ) 比较，可以得出以下结论：在输入输出 要求相同的情况下，如果要求电感电流的纹波最大值相同，那么三电平逆变器滤波电 感的感值只有传统全桥逆变器滤波电感的一半。 3 3 仿真分析 以上计算出来的复合式三电平逆变器电感二d 是对于电流纹波最大处而言的， 而杂、在其它时间点处，电感电流的纹波应该小于2 0 七细。，因此红弘取得相对保 守，需要进行合理的优化，通过仿真分析得到一组数据，如表3 3 所示。 表3 3 复合式三电平逆变器仿真结果 滤波电容滤波电感空载阻性满载感性负载 t h dt h dt h d 白( u f ) 上，( u h )v o ( v ) ( v )圪( v ) ( )( )( ) 1 5 01 1 5 5 90 9 81 1 5 2 40 9 01 1 4 5 7o 9 2 1 52 0 01 1 6 1 80 7 11 1 6 ，4 40 6 71 1 5 6 5o 6 8 2 5 01 1 5 3 60 6 41 1 5 6 70 5 51 1 4 8 2o 5 8 1 5 01 1 5 3 2o 6 3 1 1 5 - 3 90 5 61 1 4 5 8o 6 2 2 02 0 01 1 5 3 30 5 61 1 5 50 5 41 1 4 7 1o 5 2 5 01 1 5 8 20 4 61 1 5 7 60 4 71 1 5 2 10 4 6 1 5 01 1 5 8 6o 5 01 1 5 9 30 4 91 1 5 1 3o 5 0 2 52 0 01 1 5 8 70 4 61 1 6 0 60 4 81 1 5 2 30 4 6 2 5 01 1 5 8 70 4 01 1 6 1 8 o 3 91 1 5 3 20 3 8 ( a ) 空载( b ) 阻性半载 单相复合式三电平逆变器的研究 i e 三三了 二 三z 习 ：多一、。、一”一、i 。j ：、，、。“ ，0 ：么 口a a 一1 口0 h d 0 1 a a 0 口jd b 口c ( c ) 阻性满载( d ) 感性满载 图3 7 复合式三电平逆变器仿真波形 由仿真分析可知，当l f 2 0 0 u h ，c p 2 0 u f 时，输出电压的t h d 基本控制在o 5 左右，这组参数已符合设计要求。图3 7 为取上尸2 0 0 u h ；c f 2 0 u f 时各种负载下的仿真 波形，每幅图中的波形从上至下依次为电感电流f ，、输出电压v 。、调制电压v a b 。 通过将表3 3 的数据与附录一中表8 2 中的数据进行比较，可以证明：在输出电 压t h d 要求相同时，三电平逆变器滤波电感的感值只有传统全桥逆变器滤波电感的 一半，而两者的滤波电容大小相同。 分析表3 3 中的数据，不难发现：输出滤波电容对输出电压t h d 的影响比滤波 电感的影响大，而对于航空静止变流器而言，滤波电感占滤波器体积和重量相当大的 比重因此，可以将滤波电容取得稍大一些，以利于滤波电感的减小。 3 4 实验结果 为了验证上述分析的正确性，我们研制了一台的原理样机，其主要参数如下 三电平桥臂开关管：i x f h 6 0 n 2 5 q ： 两电平桥臂开关管：i x f h 4 0 n 5 0 q 2 ； _ 箝位二极管：d s e l 6 0 n 2 0 a ： 一滤波电感：驴2 0 0 u h ： 一滤波电容： c f 2 0 u f 狯i l ，冷札： ( a ) 空载 南京航空航天大学硕士学位论文 ( c ) 阻性满载 图3 - 8 实验波形 ( d ) 感性满载 图3 - 9 开关管电压应力 图3 8 分别为空载、阻性半载、阻性满载和感性满载的实验波形，每幅图的波形 从上至下依次为：调制电压”a b 的波形：输出电压v o ；电感电流吐，。图3 - 9 给出了两 个桥臂开关管的电压应力的关系图。由波形可以看出：桥臂间输出的电压为三电平的 波形，说明控制思路是完全正确的；同时三电平桥臂开关管的电压应力的确是两电平 桥臂开关管电压应力的一半。 表3 - 6 阻性负载时的数据 。吒l 。k 。i 。 尸j 叩t h d 一 一 ( ) f 、 ( v )( w )( a ) ( v )( a ) ( w ) 1 8 03 2 2 21 7 91 1 5 4 2 1 9 52 2 5 16 9 90 6 6 1 8 08 6 4 94 8 01 1 4 8 46 。7 57 7 5 28 9 60 6 2 1 8 01 0 7 8 25 9 91 1 4 6 88 6 29 8 8 59 1705 2 1 8 01 1 9 3 ，46 6 3 1 1 4 5 4 9 5 61 0 9 5 09 180 5 1 1 8 02 1 4 21 1 91 1 3 6 41 71 9 3 1 99 0 20 4 6 1 8 02 3 2 3 81 2 9 l1 1 3 4 218 2 12 0 6 5 48 8 9o3 6 单相复合式三电平逆变器的研究 表3 7 感性满载时的数据 v ， 巴l 。圪。j 。 s 尸t h d 一一 ( v a )( w ) p f ( ) ( w )( a )( v )( a ) j 1 8 01 7 9 2 89 9 61 1 3 41 8 4 8 2 0 9 5 61 6 3 4 6o 7 80 4 9 3 5 本章小结 本章提出了复合式三电平逆变器s p w m 控制方法，讨论s p w m 控制了滤波器的 设计思路，通过仿真分析和实验结果得出以下结论，与传统的两电平全桥逆变器的对 比，复合式三电平逆变器具有以下优点： 1 复合式三电平逆变器的滤波电感可以减小为两电平全桥逆变器的一半； 2 三电平桥臂开关管的电压应力是两电平桥臂开关管电压应力的一半。 南京航空航天大学硕士学位沦文 第四章复合式三电平逆变器的滞环控制 由于滞环控制实现简单，动态响应速度快，因此在工程应用中得到广泛的应用， 本文针对复合式三电平逆变器，提出一种滞环控制方法，并进行仿真分析和实验验证。 4 1 复合式三电平逆变器滞环控制的工作原理 两电平全桥逆变器( 图4 - 1 ( a ) ) 控制 2 1 【2 2 】的基本思路如图4 - 1 ( b ) 所示：在每个采样 时刻，对滤波电感电流反馈信号打和给定电流进行比较来决定下一时刻日输出状 态。当廿一f ， 万时， 下一周期开通s 2 和s 3 ，则b 一，廿下降：当i f ，- i , t 6- k 。s 2 、s 3 i i 】一6 l ? - i t 占 o s 2 、s 4 1 1 1 t r t - 6 + k 。s l 、s 4 对于复合式三电平逆变器而占，v a b 可以输出5 种电平，即“。、一k n 2 、0 、2 、 。这样需将一平面分为5 个部分，因此需要再增加一个滞环，设其宽度为s ( r = 2j ) 。和传统全桥逆变器一样，电感电流需要很好的跟踪电流环给定信号，如图 4 2 所示。为了与两电平逆变器的滞环控制区别，我们称三电平逆变器的滞环控制为 双滞环控制。 ( a ) 电路拓扑 l j 月_ 1 l a b 1 2h i il 占：s 一i一占o i乒 i l 一一乒 ： i 卜一- 旷 ( b ) 双滞环控制原理 缀0 ! ? i l 燮k 涨7 y i 童= ：_ 弋s 乏矿豇 几 ) o 。 “； u l r j u 7 ( c ) 主要波形 图4 2 双滞环控制及其主要波形 南京航空航天大学硕二l 学位论文 为了保证在两种开关模态之间切换时，需要改变开关管状态的个数最少( 特别是 v a b 在2 和0 ，以及0 和一2 之间切换) 我们将区域 i i i 分为( 0 ，占) 和( 占，o ) ，分 别对应 i n 1 和 i i i 2 ，如图4 - 2 ( c ) 所示。这样可以减小开关损耗。 如图4 - 2 ( b ) 所示：当妒一一f 时，则下一周期丌通s i 、s 2 和s 6 ，v 3 a = v , 。，f r 上 升：当- f f ，一f r 一鲫寸，则下一周期开通s 2 、s 3 和s 6 ，v a 旷2 ，如果此时0 v 。 2 ， 则f ，上升，如果此时k ，2 v 0 ，则f ，下降：当一j 母一f f 0 时，则下一周期开通s 3 、 s 4 和s 6 ，v a e = + 0 ，f ，自然续流；当0 j ，一i t 占时，则下一周期开通s 1 、s 2 和s 5 ，v a 日= 一0 ， 妒自然续流；当j 矿一i t f 时，则下一周期开通s 2 、s 3 和s 5 ，庐k 。2 ，如果此时 一v i n v o - v , 2 ，则妒上升，如果此时一巧以 y 。 0 ，则廿减小：当f 厂pf 时，则下一周 期开通s 3 、s 4 和s 5 ，庐，f ，减小。这样电感电流就被控制在电流环给定信号 的附近，如图4 - 2 ( c ) 所示，其中最粗的一条曲线指电流环的给定信号f r ，两条较粗的 曲线是将偏移j 所得到的，构成宽度为2 占的内滞环，两条细线是将偏移s 所得到的，构成宽度为2r 的外滞环。由图4 - 2 ( b ) 可知：5 条曲线将和平面分为6 个 部分，每个部分对应了滞环控制的一个输出状态，如表4 2 所示。 表4 - 2 双滞环控制状态表 对应区间 ( 旁一f ，) 与s 、j 的关系 v a b导通的开关管 i 】i r i 一k 。s 3 、s 4 、s 5 【i i 5 i l - i r f k 。2s 2 、s 3 、s 5 i i i 】1 0 f ，一f 万 一o s 卜s 2 、s 5 i i i 26 ( t r i 0 + o s 3 、s 4 、s 6 【i v 】 i 7 i t j k 。2s 2 、s 3 、s 6 v 】t r i r ( v i ns l 、s 2 、s 6 4 2 仿真分析 滞环控制设计的好坏，主要从以下几个因素来衡量： 1 滤波器设计要合理： 2 输出电压的t h d 要符合要求； 3 电感电流的纹波小： 4 开关频率相对较小。 以上各因素之间会相互影响，设计时，需要首先根据电感电流的纹波要求来选择 恰当的滞环宽度，然后根据电感电流的纹波要求设计出合理的滤波器来2 9 1 ，最后借助 于仿真软件加以分析优化。 表4 - 3 为一组仿真的数据，其中取采样频率f , = 1 0 0 k i - i z ，= 26 ，可以看出 产2 0 0