（电力电子与电力传动专业论文）基于svpwm的级联多电平变频器的控制算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t b a s e do nl a r g e c a p a c i t ys e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，t h ec o m b a t i o no f h i g h p e r f o r m a n c e c o n t r o ls t r a t e g i e sa n dm u l t i - l e v e lt o p o l o g ys t r u c t u r et od e v e l o pt h eh i g h - v o l t a g eh i g h - p o w e r d r i v es y s t e m si ss i g n i f i c a n c eo fc h i n a si n d u s t r i a lc o n t r o la n de n e r g ys a v i n g i nt h i st h e s i s ， t h ec a s c a d e ds e v e t 一l e v e li n v e r t e r sa n di t ss p a c e v o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n i q u ei sd i s c u s s e d ，w h i c hi sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yb ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to fm u l t i l e v e li n v e r t e ri sr e v i e w e d t h et o p o l o g y a n dm o d u l a t i o nm e t h o do fh i g h - p o w e ri n v e r t e ri si n t r o d u c e d d e s c r i b e dt h ei m p l e m e n t a t i o n p r i n c i p l eo fm u l t i - l e v e li n v e r t e rw i t hc a s c a d e dhb r i d g eb a s e do n2 - l e v e lc o n t r o lt e c h n i q u e t h e ni n t r o d u c e dt h ec a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n t r o lm e t h o db a s e do nc o n l m o nt w o 1 e v e l s v p w m ，t h ec a s c a d e dm u l t i - l e v e lc o n t r o lm e t h o db a s e do nr a n d o mz e r o v e c t o rp o s i t i o n s v p w ma n dt h ec a s c a d e dm u l t i - l e v e lc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h eu n i f i e dc o n t r o ls v p w m m e t h o d i no r d e rt oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，t h eo r i g i n a li n v e r t e rc o n t r o l c i r c u i ti si m p r o v e db a s e do i ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n df i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ( f p g a ) ，a n dt h ec o n t r o lp r o c e d u r e si si m p r o v e d i nc o n t r o lp r o g r a m ，d s pi sm a i n l y r e s p o n s i b l ef o rg e n e r a t i n gt h ei n i t i a lc o n t r o ls i g n a l f p g ai s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o r g e n e r a t i n g3 6a n dc o n t r o ls i g n a l s ，a n dg e n e r a t i n gt h ed e a db a n d d s pg e n e r a t e3w a yc o n t r o l s i g n a l sb a s e do nc o n t r o la l g o r i t h m ，f p g ar e c e i v et h ed a t af o r md s pa n dg e n e r a t e3 6w a y c o n t r o ls i g n a l sa c c o r d i n gt ot h es i m p l i f ym o d u l a t i o nt h e o r y f i n a l l yb u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt h ep r i n c i p l e so ft h r e ec a s c a d e dh b r i d g e s v p w mc o n t r o lm e t h o d s s c tm es i m u l a t i o np a r a m e t e r sw i t ht h ea c t u a le x p e r i m e n t a l p l a t f o r mp a r a m e t e r , a n da n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s u m m a r i z e do n es i m p l ea n d p r a c t i c a lc a s c a d e dm u l t i - l e v e lc o n t r o lm e t h o db a s e do ns v p w m u s ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o rt e s tv e r i f i c a t i o n t h ef r e q u e n c yc o n t r o lf u n c t i o no fi n v e r t e ri ss u c c e s s f u li m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：i n v e r t e r , m u l t i l e v e l ，c a s c a d e d ，s v p w m ，u n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 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 人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名： 罕 醮：狮吣鼍 指导老师签名美音臣易 嗍汕弘1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、 建立级联多电平变频器模型，使用s v p w m 控制方法进行仿真分析。 2 、 制作并调试级联多电平变频器控制电路板。使用c 语言编写d s p 控制程序 及使用v e r i l o g 语言编写f p g a 控制程序。 3 、利用实验平台对仿真分析进行实验验证。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：奸筝 l 1 日期：知。t 二7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 十一五规划中，建设节约型社会是今后发展的一项重要内容。有效地利用能源、 节约能源是建设节约型社会的具体体现。电动机是公认的耗电大户，其占整个国民经 济用电量的6 成以上，对它进行节能改造，潜力巨大。要建设节约型社会，是我们必 须要做的工作内容。大力推广变频调速技术是实现这一目标的必要手段，它也是交流 电动机节能改造的工作重点。 多电平逆变器广泛运用在高压、大功率电力电子装置和设备中，是当前的研究热 点。其基本思想是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，然后使用适当的控制逻辑实现所需的电压波形【l 】。多电平逆变器在无功补偿、大功 率有源电力滤波等电能质量综合治理及高压电动机驱动等场合得到广泛应用【2 】。 目前，我国高压变频器主要以进口为主，也有部分企业生产高压变频器，以后我 们就可以用国产的高压变频器了，对大企业的高压电机节能也就方便多了。变频器的 快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。 变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决 定的。 高压变频器主要有日本富士高压变频器、三菱高压变频器、东芝高压变频器、瑞 典a b b 高压变频器、德国西门子高压变频器、美国罗宾康高压变频器、利德华福高压 变频器等。 在高压大容量电气传动系统，对于超大功率( 7 m w 以上) 变频调速，还是以采用 s c r 器件的交一交变频为主。在5 0 0 - 7 0 0 0 k w 范围内，有以a b b 、西门子产品为代表的 采用i g c t 的三电平高一高控制方式的高压变频器，有以东芝为代表的采用i e g t 三电 平高一高控制方式的高压变频器，还有以美国r o b i n c o n 为代表的采用i g b t 的单相逆变 单元叠加的所谓完美无谐波控制方案。在3 0 0 k w - l o o o k w 之间，采用高一低一高控制方 式的电流型逆变器因为低成本，也有一定的市场。采用双馈电机调速技术也大大降低 了变频器的功率，降低了用户成本，也是一个行之有效的解决方案。 在国内，目前几家高压变频器厂家均是基于r o b i n c o n 方案，该方案优点是谐波小， 但是采用移相变压器、单元数量多，体积大，在2 0 0 0 k w 以下成本较高，在一定程度上 限制了其发展。 2 0 0 3 年，北京利德华福公司成功地完成了2 5 0 0 k w 6 k v 高压变频器的研发工作，并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 投入运行，这志着我国高压变频调速系统一举打破了国外厂商对此类产品大功率领域 的长期垄断，标志着我们终于跨入了高压变频调速系统的中高端市场。在此基础上， 2 0 0 4 年初又成功开发完成了3 2 5 0 k w 6 k v 的高压变频调速系统，并向更高功率等级的产 品进一步迈进。 成都佳灵电气制造有限公司的i g b t 直接串联高压变频器利用功率开关串联专利技 术，解决了i g b t 直接串联的世界难题，由于其技术上的突破，使其内部电子器件数目 减少到了目前变频器的最低值，增加了变频器的可靠性，可谓愈简单愈可靠，谐波含 量完全满足i e e e 5 1 9 1 9 9 2 国际标准。 截止2 0 0 6 年底，我国发电装机总容量己突破5 亿k w ，为5 0 8 亿k w 。其中火电 装机约占8 0 ，为4 亿k w 左右。全国年发电量已突破2 万亿k w h 。而我国的能源利 用率却平均比发达国家低2 0 左右! 全国电动机装机总容量己达4 亿多k w ，年耗电量 达1 2 0 0 0 亿k w h ，占全国总用电量的6 0 ，占工业用电量的8 0 ：其中风机、水泵、压 缩机的装机总容量已超过2 亿k w ，年耗电量达8 0 0 0 亿k w h ，占全国总用电量的4 0 左右。7 0 以上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5 左右调速运行。 大部分风机和水泵的高压驱动电机都为恒压恒频控制，如采用变频方式控制高压电机 可节约至少2 0 的电能。节能是当前我国由高能耗型的经济增长方式向低能耗型增长 方式转变，不断提高经济发展质量的重要途径之一。将多电平逆变技术应用于高压大 功率风机和水泵的变频调速，节能效果明显。这对解决我国能源紧张但电机系统运行效 率低的矛盾有着十分重要的意义【3 1 。 而在过去由于技术和成本因素在高压范围内对风机、泵类设备的变频调速没有得 到广泛应用，高压电动机调速和启动方法落后，应用受到限制。这种情况，不但浪费 了大量的能源，而且造成机械寿命降低【4 】。因此推广多电平中高压变频调速的效益和潜 力非常巨大。近年来随着大功率电力电子器件在高电压、大电流、高频率、模块化、 集成化等方面水平的提高，中高压变频器技术日趋成熟，中高压变频器应用也更加广 泛。 多电平逆变器采用多级直流电压合成阶梯波以逼近正弦波，随电平级数的增加， 合成的输出阶梯波级数增加，输出越来越逼近正弦波，谐波含量大大减少【5 】。利用多电 平逆变器实现高压大功率变频器由于谐波含量小、效率高将得到越来越广泛的应用。 1 2 高压变频器的研发状况及发展趋势 多电平逆变器主要有三种拓扑结构，包括二极管箍位式、电容箍位式、级联式， 对多电平逆变器的拓扑结构研究已趋于成熟。多电平的控制方法是决定其性能的一个 重要方面。目前级联式多电平逆变器的主要调制方法有三角载波p w m 、阶梯波脉宽调制、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 等。 各种调制方法各有优缺点，适用于不同场合。在各种调制方法中由于s v p w m 技 术将变频器和交流电机视为一个整体，把数学模型建立在电机统一理论和坐标变换理 论基础上，物理意义更为直观，具有电压利用率高、谐波特性好等优点【6 】，最适合用于 高动态性能的控制方法如直接转矩控制、矢量控制等。因此，基于s v p w m 方法的多 电平逆变器的研究越来越广泛。级联式多电平电路输出电压一般为七电平以上，虽然 已经有简化控制算法提出【7 引，但仍难运用到实际系统中。本文以基于s v w p m 的级联 型多电平变频器的控制方法为研究课题，探索多电平s v p w m 的简化方法，以期实现 电机的高性能数字化控制。 目前，以欧洲的a b b 公司、德国的西门子及日本东芝、三菱及美国的a b 公司、 r o b i c o n 公司为代表的国际企业生产的大功率变频调速装置，均利用数字化控制，技 术水平较高【9 1 。但是国外生产的变频装置，特别是高压大容量变频装置，只向国内提供 成套设备，并不向国内提供技术，装置价格也高，很难满足国内企业对节能降耗的要 求，不可能在中国作为节能设备推广和普及。因此，开展自关断器件高压大容量变频 器的研究，尽早实现国产化以替代进口，对电气传动领域及国民经济的发展具有重大 意义【3 】o 1 3 变频调速系统的控制策略 从转差功率的消耗来看，可将异步电机的调速分为三类：( 1 ) 转差功率消耗型；( 2 ) 转差功率回馈型；( 3 ) 转差功率不变型。变压变频调速控制属转差功率不变型，性能最 好，效率最高，可以构成高动态性能的交流调速系统。交流电动机变压变频调速的基 本原理是：在基频以下采用恒压频比控制， 恒压升频控制，u 1 不能超过额定电压u 1 n ， 电机的弱磁升速。 异步电机变频调速的控制方式有： 1 恒压频比控制 低频时加定子压降补偿；在基频以上采用 迫使磁通与频率成反比下降，相当于直流 v f 比控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电机的电源频率变 化的同时控制电机的电压，并使二者之比v f 为恒定( 在低速时考虑定子阻抗压降补 偿) ，从而使电动机的磁通保持恒定。用v f 比控制方式既可实现转速开环控制也可实 现转速闭环控制，图1 - 1 为开环v f 比控制方式框图。 2 矢量控制技术 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系 统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。受直流电机的启发，其构想是，三相 坐标系下的定子交流电流通过三相静止- - 相旋转坐标变换，把交流电机的定子电流分 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 解称励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相仿的 高动态性能，从而使交流电机的调速技术获得了突破性的进展。其对于转矩的控制是 连续平滑的，有较宽的调速范围。然而，转子磁链的准确观测是一个技术难题，系统 特性受电机参数影响较大，在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换是比较复 杂的。 图1 - 1 开环v f 比控制方式 3 直接转矩控制 1 9 8 5 年德国教授d e p e n b r o c k 提出了直接转矩的理论，直接在定子坐标系下分析交 流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机于直流电动 机作比较，等效和转化。省掉了矢量旋转坐标等复杂的变换和计算。观测定子磁链， 只要知道定子的电阻就可以了，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性 能易受参数影响的问题。其根本思想是：直接控制定子磁链走走停停，起到控制转矩 的作用。该系统转矩响应迅速，控制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静动态性 能的交流调速方法。直接转矩控制系统的缺点是转矩b a n g - b a n g 控制，有脉动，调速范 围不够宽等。 4 现代控制理论 随着计算机技术的发展，各种微型计算机越来越多地应用到交流调速系统中，交 流调速系统实现了全数字化，控制更加灵活，各种现代控制理论得以广泛应用，如最 优控制，模糊控制，模型参考自适应控制，非线性解耦控制，神经网络控制等，展现 出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速的发展，使得交流调速系统的性能更加 优秀，功能更加完善。 1 4 本文的主要研究工作 为解决当前多电平s v p w m 控制方法复杂难以应用于实际系统的问题，研究多电 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 平逆变器的拓扑结构和多电平p w m 调制方法，深入研究传统两电平s v p w m 和基于 统一电压调制的s v p w m 方法在七电平级联变频器上的仿真及实验。进行基于 m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 的系统仿真，同时在对实验系统进行仿真验证的基础上，从提高系 统性能和装置的可靠性出发，完善了包括主电路、控制电路、检测电路和保护电路的 变频器实验系统，搭建了较为完整的实验平台。分析仿真和实验结果，得出结论。论 文主要完成以下工作： 1 研究多电平逆变器的拓扑结构及级联多电平逆变器的p w m 调制方法。 2 分析s v p w m 方法在级联式逆变器上的实现原理。 3 完善基于t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 d s p 和x c 2 s 5 0 f p g a 的系统控制器，编写控制系统的 软件程序。 4 通过m a t l a b 7 1 s i m u l i n k 搭建仿真系统，进行系统仿真，验证简化方法的有效性。 5 利用实验平台进行变频调速系统实验，并对仿真和实验结果进行分析，对提出 的方法进行可行性验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章多电平逆变器的拓扑结构及调制策略 本章首先介绍了目前主要的多电平逆变器的拓扑结构及多电平逆变器的几种主要 调制策略，并主要分析了基于s v p w m 控制策略的基本原理及坐标转换关系。 2 1 主要的多电平逆变器的拓扑结构 多电平逆变器种类繁多，但根据功率开关器件的电压箍位方式，分为三种：二极管 箍位式( d i o d ec l a m p e d ) 、电容箍位式( c a p a c i t o rc l a m p e d ) 、级联式( c a s c a d e dm u l t i c e l l ) 【1 0 1 1 】 o 2 1 1 二极管箍位型 二极管嵌位式三电平逆变器的电路结构首先由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上 提出，1 9 8 3 年的i a s 年会上b h a g w a t 等人又将二极管嵌位式三电平逆变器的结构推广 到了任意多电平【1 2 】，二极管箍位型的多3 电平逆变器结构如图2 1 所示。一个m 电平 的二极管箍位型多电平逆变器在直流母线上包含有i n 1 个电容相串联，输出m 电平的 相电压。每个电容上的电压为1 m 电源电压。通过开关器件的不同组合使输出电压产 生不同的电平【l 引。 图2 - 1 二极管箍位型的三电平逆变器 二极管箍位型拓扑结构主要优点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 不需要结构复杂的多绕组电源变压器而直接实现高电压，大功率，从而大大降 + 低功率变换装置的体积和成本： 2 若整流也采用二极管钳位型结构进行有源整流，可以实现逆变器四象限运行， 能量双向流动： 3 可以很方便的控制功率因素。 二极管箍位型拓扑结构存在以下缺陷： 1 二极管箍位式功率变换电路传递有功功率时，直流侧电容由于一周期内流入流 出的电流可能不相等，造成直流侧电容电压不均衡： 2 当电平数目增高时，二极管数目很大，增加了实际系统的实现难度，超过三电 平时会引起串联箍位二极管自身承受电压不均匀问题： 3 电平数超过3 时，它的实现和控制存在着很大的难度，尤其是用矢量法控制， 矢量个数将随着电平数的立方增加： 4 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 2 1 2 飞跨电容型 飞跨电容式( f l y i n gc a p a c e t o r s ) 逆变器，是由t a m e y n a r d 等人在1 9 9 2 年的p e s c 年会上首先提出的【1 4 1 飞跨电容型多电平逆变器的电平定义与二极管箍位型相同。如每 个电容的电压等级与开关器件相同，则一个m 电平逆变器在直流侧需要( m 1 ) 各电 容【1 5 】。图2 2 给出了3 电平情况下的结构图。 户 图2 - 2 飞跨电容型的3 电平逆变器 飞跨电容型的拓扑结构优点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 存在灵活的开关组合，因此可以利用这些组合来平衡箍位电容电压平衡问题，可控 制有功功率和无功功率。 飞跨电容型的拓扑结构缺点： 需要大量箍位电解电容。但是电容可靠性差、寿命短、体积大造成系统体积庞大， 因此这一结构在实际应用中较少。 2 1 3 级联型多电平逆变器 级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器，是多电平逆变器家族中出现最早的一 种。1 9 7 5 年e h a m m o n d 提出了采用隔离的直流电源作输入，多个h 逆变桥输出端相 串联的结构，并申请了美国专利【l6 1 ，这就是最初的级联式逆变器。如图2 3 所示为级 联多电平逆变器的电路结构。级联型拓扑每个独立直流源与一个逆变器单元相连，每 个逆变器单元可以产生一个三电平输出电压。交流侧的端电压通过级联方式叠加，形 成多电平输出电压。由r n 个逆变单元级联而成的多电平逆变器的电平数为( 2 m + 1 ) 。 这种带分离直流电压源的级联型( c a s c a d e di n v e r t e r s ) 多电平逆变器，输出电压州出较 小，对电机绝缘十分有利等，这种电路在高压变频和s v c 等场合应用前景很好【8 19 1 。 图2 3 级联多电平逆变器拓扑结构 2 1 4 混合级联多电平逆变器 前面分析的级联多电平逆变器，它的每个功率器件的直流母线电压等级是相同的， 均为岛。功率器件的耐压和工作频率都是相等的。若使串联的各个功率单元的直流母 线电压等级不一样，就构成了所谓的非对称的混合级联多电平逆变器【2 0 】。如图2 - 4 所 示，为一个两单元串联的混合级联多电平逆变器，一个功率单元的电压等级为+ 目，另 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一个功率单元的电压等级为+ 互1e d 。当串联的功率单元的直流电压等级按( 岛，2 e d , 4 e a ，2 - , - 1 e d ) 倍数取值，则输出相电压的电平级数m 可达到2 1 1 。如一相两个 功率单元串联，可达到七电平的输出相电压。这种特点使得可以用更少的串联单元数 来获得更多的输出电压等级成为可能，也有益于减少谐波含量【2 12 2 1 。 图2 4 直流电压不对称的混合级联多电平逆变器 级联多电平逆变器具有以下特点： 1 结构易于模块化和扩展。级联式逆变器是一种松散的串联结构，每个逆变单元 结构相同，易于实现模块化生产。逆变器拆卸组装和容量扩展也都很方便。 2 不存在电容电压不平衡问题。二极管嵌位式逆变器的多电平是由多个电容分压 得到，逆变器工作时必须控制电容电压的稳定。而级联式逆变器，各隔离直流电源在 充放电上是完全解耦的，只要各直流电源的容量足够大，就不需考虑电压均衡问题。 3 便于实现软开关技术。通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制策略 比较容易实现软开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置体积。 4 级联式逆变器除具有多电平逆变器共同的线电压冗余特性外，还具有相电压冗 余特性。对于每相某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合。各级联单元的工作 是完全独立的，其输出只影响输出总电压，不会对其他级联单元造成影响。相电压冗 余可用来均衡各单元的利用率，使各器件的利用率达到一致。 5 级联式逆变器是多电平逆变器家族中输出同样数目电平所需器件最少的，应用 混联技术还可使功率开关效能比进一步增大。 6 级联式逆变器缺点在于需要大量的隔离直流电源。采用结构复杂的曲折联结变 压器使得逆变器体积庞大臃肿。在以蓄电池供电的场合这个问题得到了部分解决，但 又带来蓄电池充放电不平衡的问题。由于具有多个直流电源和器件，级联式逆变器需 要均衡各单元的利用率。在级联单元较多的情况下，故障监测和诊断变得比较困难。 对比三种多电平拓扑结构，级联多电平结构优点较多，结构简单。在不要求四象 限运行、对动态性能要求不高的风机、泵类调速场合中完全可以采用。自从1 9 9 4 年美 国r o b i c o n 公司推出号称“完美无谐波级联多电平系列高压变频器以来，国内外 许多公司都纷纷开展了这方面的研究。这种变频器的一个发展方向是采用额定电压较 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 高的功率单元，以达到在满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每相串联 的功率单元的个数，降低成本，提高可靠性【2 3 】。 2 2 多电平调制策略 在过去的2 0 年中，人们提出了大量的多电平变换器p w m 控制方法【2 42 5 2 6 2 7 1 ，得 出了许多有益的结论。随着大功率拓扑的发展，开关的控制策略也随之发展，目前级 联型逆变器的调制方法主要有：阶梯波脉宽调制、特定消谐波p w m 技术、载波p w m 技 术、多电平电压空间矢量调制【2 8 2 93 0 】等。 2 2 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。典型的阶梯波调制 的参考电压和输出电压如图2 5 所示。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。2 m + 1 次的多电平的阶梯波调制的输出电压 波形的傅立叶分析见式( 2 1 ) 及式( 2 2 ) 。消除k 次谐波的原理就是使电压系数b k 为0 。 这种方法本质上是对做参考电压的模拟信号作量化的逼近。从图2 1 4 中不难看出这种 调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以，可以采用低开关频率的大功 率器件如g t o 来实现；另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单，控制上硬件实 现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。 v ，= 6 。s i nn w t ( 2 1 ) n = l 4 色= 二 y c o s 玎q + 2 v e o s n a l + + j v e o s n a j + + m v c o s n a 。 ( 2 2 ) a 八一 vv 图2 5 九电平阶梯波输出电压波形 “ n ”v e w w w “ 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 2 特定消谐波p w m 技术 多电平的特定消谐波法也被称作开关点预制的p w m 方法。这种方法是建立在多 电平阶梯波调制方法的基础之上的。这种方法的原理就是在阶梯波上通过选择适当的 “凹槽”有选择性地消除特定次谐波，从而达到输出波形质量提高和输出t h d 减小的 目的。这种方法的消谐波和阶梯波的消谐波一样，唯一不同的就是输出电压波形的傅 立叶分析后的系数b 力有所不同。现以五电平的特定消谐波的一个输出电压波形( 如图 2 - 6 所示) 来分析傅立叶分解后的系数b 押。从式( 2 3 ) 可以看出，b ，中的负号项反映了 “凹槽”的信息。多电平特定消谐波法中，求解特定的开关点时候要解非线形的超越 方程，因此计算很复杂。目前资料中实际有应用的一般都只局限在三电平结构中。这 种方法的主要特点是开关频率低、效率高、谐波含量较少；电压利用率高，最多可以 达到1 1 5 ，计算开关点的时候计算比较复杂。 4 = 二 y ( c o s 甩q l c o $ t i a l 2 + + ( 一1 ) 州c o s t i a l ，+ + c o s n a l ) +，一，、 ，z 1 -z 。j 2 v ( c o s n a 2 1 一c o s n a 2 2 + + ( 一1 ) 件1c o s t i c 2 ，+ + c o s t i a 2 ) 】 o y 个凹巢 图2 - 6 五电平特定消谐波输出相电压1 2 周期的波形 2 2 3 载波p w m 技术 多电平变流器的p w m 策略主要有：多载波p w m 技术【3 1 1 、载波相移正弦脉宽调制 ( s p w m ) 技术【3 2 1 、多电平空间矢量调制技术【3 3 1 及错时采样空间矢量调制技术【3 4 】等。 多电平逆变器载波技术，来源于两电平的s p w m 技术，1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和 h s t e m m l e r 根据通讯系统的调制技术产生了正弦脉宽调$ i j ( s p w m ) 变压变频的思想并 应用到交流传动中【”】。但是，由于多电平逆变器特殊的结构，使其载波技术又不同于 两电平的载波技术。多电平逆变器中由于开关管多，因此，多电平逆变器的载波和调 制波都不止一个，每一个载波和调制波有多个控制自由度，这些自由度至少有频率、 幅值和偏移量等。这些自由度的不同组合，将会产生大量载波p w m 技术。其中最具 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 有代表性的主要有三种，即分谐波p w m 、开关频率优化p w m 、三角载波移相p w m 。 1 即分谐波p w m 方法 多电平分谐波p w m 方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n 个 具有同相位、同频率乃、相同的峰峰值彳c ，且对称分布的三角波。参考信号是一个峰 峰值为a m 、频率为伽的正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的 值大于载波的值，则开通相应的开关器件， 幅度调制比m 口和频率调制比竹定义如下： ，z 。= 志 反之则关断该器件。对于多电平变换器， 所- r = 尝 图2 7 所示为五电平分谐波p 1 j | m 方法的原理图。 t t ( 2 4 ) ( 2 5 ) o 0 2 to 4 t0 6 t o 8 tt 图2 7 五电平分谐波p w m 方法的原理图 2 开关频率优化p w m s t e i n k e 提出的开关频率优化的p w m 方法是基于( 1 ) 的，这种方法载波和( 1 ) 完全相 同，不同的是( 2 ) 的调制波中注入了零序分量。这种方法的优点就是可以优化器件的开 关频率，提高电压的利用率，这种方法的调制比最多可以做到1 1 5 ，不过这种方法有 一个限制就是只能够用于三相系统中。图2 8 是该方法的原理图。 2 a c a c o a c 2 a c 0 0 2 t0 4 t0 6 t0 8 t t 图2 - 8 五电平开关频率优化p w m 原理图 t t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 3 三角载波移相p w m 方法 上面的两种载波方法，主要是针对二极管箝位型多电平变换器提出来的。而载 波相移p w m 方法则主要是用于级联型多电平变换器。这种方法与上两种方法不同， 每一个级联模块的s p w m 信号都是由一个三角载波和两个反相位的正弦波产生的【3 6 3 7 3 83 们。不过，相互级联的多个模块之间的三角载波有一个相位差臼。当o = 2 州n ( 其中n 为级联的模块的个数) 时，输出相电压的t h d 最小。这种方法的原理和两电平中的倍 频思想相似。 2 2 4 电压空间矢量( s v p w m ) 调制 s v p w m 控制技术最初起源于电机磁链跟踪技术。在交流调速系统中，为了产生恒 定的电磁转矩，必须保证定子电流产生圆形旋转磁场，这种以产生圆形旋转磁场为目 的通过合理控制开关导通和关断的p w m 技术即为磁链跟踪。我们知道磁链的轨迹是 靠空间电压矢量相加得到的，因此这种控制方法也称空间电压矢量控制。 1 空间矢量s v p w m 基本原理 电压空间矢量p w m 技术是一种磁链轨迹法，是从电机的角度出发，目的在于使交流 电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆为 基准，通过选择功率器件的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆， 从而生成p w m 波【4 0 1 。 电机的理想供电电压为三相正弦，其表达式如下： = 砜s i n ( w t ) ：巩s i n ( w 卜2 万) 一 “。= u ms i n ( w t + 万) ( 2 - 6 ) 按照合成电压矢量的定义( 由p a r k 变换得) ： ， i 2 一 = 要( + 毗+ 口2 “。) ，( 口= p 。3 “) ( 2 - 7 ) u 为电压空间矢量，而、壬，为磁链空间矢量，若忽略定子电阻的影响，则甲可由空 间电压矢量对时间积分得到： = i u d t = j 詈( + + 口2 ) a t = 詈( + c r y , 6 + 口2 虬) ( 2 8 ) 其中、i ，。，、i ，b ，、i ，。满足如下关系： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 s i n c o t s i n ( 耐一争 ，、 s i l l ( c o t + 3 万) s m 耐 = 、i ，。is i n c 研一詈万， s i n c 研+ 争 ( 2 - 9 ) 、l ，。= 1 詈逸 ( 2 - 1 0 ) 叫剥圈 协 哪，= 阱 s i n t 尹s 幻 江 这样，随着o ( t ) 的变化，磁链矢量( 秒) 就形成一个以、i ，。为半径的圆形轨迹，得到一 一缈 压恬 = 1，j v v v 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 坐标变换 图2 - 9 三相p w m 逆变电路拓扑结构 t 2 jll m 圳 v 6 ( 1 1 0 ) 7 酌o ) 一v 4r e ( 0 0 1 )( 1 0 1 ) 图2 1 0 三相电压矢量分布 感应电机内的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势( 或磁动势) 产生的，根据电动 机旋转磁场理论可知，向对称的三相绕组( 所谓对称是指定子、转子各绕组分别具有 相同的匝数和分布电阻) 中通以平衡的三相正弦电流时，就会产生合成磁势，它是一 个在空间以m 速度旋转的空间矢量。如果用磁势或电流空间矢量来描述前面所述的三 相磁场、两相磁场和旋转直流磁场，并对他们进行坐标变换，就称为矢量坐标变换。 电机是电磁能量转化的物理实体，为了不改变电机在坐标变换后的物理特性，在坐 标变换时必须遵循以下原则： ( 1 ) 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效； ( 2 ) 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。 2 3 1c l a r k e 变换( 3 s 2 s 变换) c l a r k e 变换是将三相静止坐标系o a b c 向两相静止直角坐标系o a g 的变换，图2 1 1 所示是定子三相电动机绕组a 、b 、c 的磁势矢量和两相电动机绕组a 、b 的磁势矢量 的空间位置关系。其中选定a 轴与0 【轴重合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 - 1 1 三相a b c 绕组和两相邙绕组的磁势关系 根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效，即合成磁势矢量分别在两个坐 标系坐标轴上的投影应该相等。因此有 n 2 弘3 n ，i bc o s ( 孥) + ，f cc o s ( 一孥) i j j ( 2 1 4 ) n 2 = o + n 3 i 口s i n ( 警) + 3 f cs i n ( 一孚)i 33 ) n 2 、n ，分别表示三相电动机和两相电动机定子每相绕组的有效匝数。用矩阵表示，即 但转换矩阵 1 l 2 ，、压 u 2 1 2 压 2 辛1 2 2 辫i b 协 不是方阵，不能求逆。所以需要引进一个独立于屯和如的 新变量芘，称它为零轴电流。零轴是同时垂直于a 和p 轴的轴，因此形成a 、1 3 、0 轴、 坐标系。定义 毛= - ( k 4 + k 口+ 厨c ) ( 2 - 1 6 ) 式中，k 为待定系数。所以，式( 2 1 5 ) 改写成 m m i l r_j k 砀 l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 定义变换矩阵 扣 ， = = - n 、 ， 1 i一一 2 ，、压 u 一 2 k k c ：丝 ， 为了满足功率不变条件，应该有 因此，可求得 1 1 1 22 o 鱼一鱼 22 kkk c - l ：c t ：生 n 2 1一三一三 。巫一鱼 22 l11 2 k2 k2 k 奇2 日 k = 去j n 屯雾 因此，c l a r k e 变换( 3 s 2 s 变换) 式为 豳 c l a r k e 逆变换( 2 s 3 s 变换)= 槎 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 击了 r-j 2笪2上压 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 o 2 压 2 n ( 2 2 3 ) 而式中的f o 是一个假想电流，在实际应用中通常取为0 ，所以式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 又可简化为 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 对于三相绕组不带零线的星形接法，则有+ + f c = 0 ，因此有 i c = - i 一- i 占 ( 2 - 2 6 ) 将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) ，整理之后得 皓 巨 2 1 压 ，厍 。 吖j u 11 幅冱 电压磁链的变换式与电流变换式相同。 2 3 2p a r k 变换( 2 s 2 r 变换) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) p a r k 变换是将两相静止直角o a b 向两相旋转直角坐标系o m t 的变换，图2 1 2 是 定子电流矢量0 在o a b 坐标系与o m t 两相旋转直角坐标系的投影。 ， 一2一2 一 一 。，。l 团怄 rjiiiji且 k 0 。一2万一2i卜i斗 _堡_可。一2压一2。一2。一2 o广。卜卜 r。l 一23爿 k 砀 h一一一 1j a b 。l 1，j o 厄 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图中，o m t 坐标系是以定子电流角频率劬速度在旋转。m 轴与0 【轴之间的夹角为 0 ，因为o m t 坐标系是旋转的，因此乡随时间在变化。 根据图2 1 2 ，可以得到屯、i 口与f m 、f t 的关系为 芝 = f - c o s i n s o 乡一c s o i l l so口j-l。ir c2 2 9 ， 因此，从两相旋转坐标系o m t 到两相静止坐标系o a p 的变换矩阵为 ：fcos乡一sill秒l(2-30)c2r 2 s2 ls i n 0c