（电力电子与电力传动专业论文）新型电力多电平空间矢量控制系统的研究与设计.pdf

a b s t r a c t m u l t i l e v e li san o v e lt e c h n o l o g yo fp o w e rc o n v e r t e rs i n c e2 1 “ c e n t u r y m u l t i l e v e li su s e di nal o to ff i e l d s ，s u c ha s ，m i d d l eo rh i 【g h v o l t a g ec o n v e r t e ra n df l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds oo n , 勰a f o c u so fm i d d l eo r l l i g hv o l t a g e a n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l m i o n ( s v p w m ) a l g o r i t h mi ss t u d i e d ，w h i c hi s b a s e do nt h e t o p o l o g ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i l e v e lc o n v e r t e r m u l t i l e v e l a s y n c h r o n o u sm o t o rs v p w m c o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，t h es y s t e m i ss i m u l a t e da n d i m p l e m e n t e d m u l t i l e v e lc o n v e r t e ri sak e yo fm u l t i l e v e la s y n c h r o n o u sm o t o r s v p w mc o n t r o ls y s t e m b e c a u s ei ti sc o r eo f t h es y s t e m n l et o p o l o g yo f m u l t i l e v e lc o n v e r t e ri ss t u d i e di nt h i sp a p e r , s u c ha s ，n p cc o n v e r t e r , f l y i n gc a p a c i t o rc o n v c r t e r c a s c a d e dc o n v e r t e ra n dh y b r i d m a t h e m a t i c a l m o d e li sc o n s t r u c t e dw h e nc o n v e r t e ri sw o r k e do nr e c t i f y i n gs t a t e ，a c t i v e i n v e r t i n gs t a t e a n dp a s s i v ei n v e r t i n gs t a t e t h i si sab a s i sf o rs y s t e m i m p l e m e n t a t i o n m u l t i l e v e lp w m t e c h n o l o g yi s ak e yo ft h es t u d yo fm u l t i l e v e l c o n v e r t e r , b e c a u s ei t sa f f e c t i o ni si m p o r t a n tt ot h eo u t p u to fc o n v e r t e r , f o re x a m p l e ，w a v e f o r mq u a l i t y al o to fm o d u l a t i o na l g o r i t h mi s f o r m u l a t e d ，f o ri n s t a n c e ，c a r r i e r w a v em o d u l a t i o na n ds oo n s y n c h r o n o u s l y , s v p w mt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e da tl e n g t h v e c t o rt i m e o f o p e r a t i o ni sc a l c u l a t e d ，s w i t c hs e q u e n c ei so b t a i n e da n dt h ep r o b l e m o f n e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gi sd i s c u s s e da sw e l l o p e nl o o pa n d c l o s e dl o o pc o n t r o lm o d ei sg e n e r a l i z e d an o v e ls v p w m a l g o r i t h mi s p u tf o r w a r db a s eo ng e o m e t r i ci d e a 1 1 1 ea l g o r i t h mo w e sa l la d v a n t a g eo f s i m p l i f i e dc a l c u l a t i o n , p e r f o r m a n c eo fs y s t e mi si m p r o v e d an o v e l s w i t c hs e q u e n c ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tt h et e c h n o l o g ym a yd e c r e a s et h ef l u c t u a t i o no fn e u t r a l - p o i n t p o t e n t i a l t a k et h e s ei n t oa c c o u n t s ，m u l t i l e v e la s y n c h r o n o u sm o t o rs v p w m c o n t r o ls y s t e mi si m p l e m e n t e db y 田s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 、r e v o l u t i o n d e t e c t o r 、p w mp u l s em o d e l 、i p ma n ds oo n m u l t i l e v e lc o n v e r t e r , s v p w m , a s y n c h r o n o u sm o t o r , d s p i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储虢蜱魄4 咂月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：姆臌名伴眺导幽 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 大功率电力电子技术发展概述 电力电子学是集电子、控制、电力系统于一身的一门边缘学科。白上世纪八 十年代中期以g t r 、g t o 等为代表的大功率自关断器件问世以来，电力电子装 置的应用越来越广泛。为了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的，越来越 多的电气装置对电能的品质提出了更高的要求。而随着以单片机和数字信号处理 器( d s p ) 为代表的微控制器的运算速度的大幅提高，对电能品质进行精密调节 的可能性也越来越高。电力电子装置的工业市场和应用领域不断扩大，对于电力 电子技术的研究也越来越深入i v l 。 近年来，大功率电力电子技术发展迅速。在交流电机驱动领域，大容量的高 压变频调速技术得到了普遍应用p j 。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调 速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的质量和产量，又 可以大幅地节约能源，降低成本。随着国民经济的不断发展，对输送电能的增长 越来越快，特别是高压直流输电( h v d c ) 和柔性交流输电( f a c t s ) 成为目前 在电力系统领域受到极大关注的热门课题，大功率电力电子装置比如静止无功补 偿器、移相器、统一潮流控制器等都是这两种系统中的核心部件。另外，大功率 电力电子装置在有源电力滤波( a p f ) 、大功率供电电源、大功率不间断电源中， 也有广泛的应用。这些装置都具有功率大、控制要求高、系统复杂等特点。 随着科技进步与发展，大功率电力电子技术展现出前所未有的广阔前景，主 要表现在一下几个方面l ： ( 1 ) 数字化 在传统的电力电子技术中，控制部分多是以模拟方式工作的。在二十世纪六、 七十年代，电力电子技术完全建立在模拟电路的技术上，但是现在数字电路发展 越来越快显现出诸多优点：便于计算机处理和控制，减少杂散信号的干扰，提高 抗干扰能力，便于调试、遥感、遥测、遥调，便于自诊断、容错技术的植入等。 ( 2 ) 模块化 。 常见的模块中主要包括开关器件和与之反并联的续流二极管，这种模块称作 标准功率模块( s p m ) 。近年来有些公司把有关断器件的驱动保护电路也封装到 功率模块中去，构成智能化功率模块( 口m ) 。为提高系统的可靠性，开发了用 户专用的功率模块( a s p m ) ，它将一台整机的几乎所有硬件封装到一个模块中， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 使元件不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格合理的热学、电学、机械等 方面的设计，达到优化完善的境地。由此可见，模块化器件不仅使用方便，缩小 整机体积，更重要在于取消传统连线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力 降至最低，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 高频化 开关器件工作频率的逐步提高，促使许多传统的中、高频设备小型化，带来 显著节能、节材的经济效益。 ( 4 ) 绿色化 电器绿色化有两层含义：首先是节电；其次，应尽量减小对电网的污染。各 种有源滤波器和有源补偿器不断诞生，产生了多种抑制谐波和功率因数校正的方 法。 总而言之，电力电子装置的数字化、模块化、高频化和绿色化的实现，将使 大功率电力电子技术进入新纪元。 1 2 多电平技术的研究背景 电力电子器件是电力电子装置的核心，尽管在过去的几十年中电力电子器件 经历了晶闸管( s c r ) ，双极型大功率晶闸管( g t r 或b j t ) 和场控器件( i g b t 和m 0 s f e t ) 三个阶段，今年来，各种新型功率器件如i g c t ，i e g t , m c t 等又纷 纷出现p j 。电力电子器件的单管容量开关频率已经有了极大的提高，目前国外以 能提供额定值为6 0 0 0 v 1 2 0 0 a 的高压大功率g t o ，而i g b t 的研制水平也已经达 到3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 【o j 。但在某些应用场合，传统的两电平电压源变换器不能满足人 们对高压、大功率，尤其是高频化的要求，所以人们希望能够采用相对小功率的 器件，通过适当的电路拓扑和调制方法实现高频化的高压大功率变换。基于此研 究者们提出了四大类方法： 1 功率器件的串并联技术 这是一种最简单和直接的方法，为了用小功率的开关器件实现大功率变换， 将器件串联以承受高压，将器件并联后以承受大电流j 。但由于器件参数不可能 完全相同，因此需要复杂的动、静态均压和均流电路。均衡电路会导致系统控制 复杂，损耗增加。同时，对于器件的串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求 延迟时间接近，并尽量短。在关断过程中，由于恢复性能的差异，大量的吸收电 路也必不可少，降低了系统的可靠性。因此应用范围受到了一定的限制，近年来， 随着功率器件水平的不断提高，功率器件的串并联技术的应用范围逐渐缩小，只 是应用于极高压场合，如高压直流输电。 2 中南大学硕士学位论文第i 章绪论 2 多重化技术 为了用小容量的功率器件实现大容量的功率变换，可利用多重化技术州。 所谓多重化技术，就是以多个小功率变换器在其输入或输出端通过变压器串联或 并联，各个变换器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入、 输出谐波改善的目的。多重化技术既可以应用于单相电路，又可以应用于三相电 路。 多重化技术有以下特点：( 1 ) 器件的开关频率是基波频率，开关损耗小，但 这种频率下，器件的通态损耗是主要损耗；( 2 ) 输出功率大，运行效率高；( 3 ) 在逆变场合中，控制采用p a m 方式，通过调节直流侧电压来实现输出功率的调 节，系统动态响应差、控制不灵活；“) 为了减小谐波，各装置输入输出波形需 错开一定的相位，这将影响输出的基波迭加，造成基波损失；( 5 ) 变压器直接参 与谐波抑制和消除工作。在整流多重化电路中，必须精心设计变压器的变比和联 结方式，以达到消除谐波的目的。 3 组合变换器技术 。 基本思想是：在一个由n 个模块组成的系统中，所有模块采用相同的调制波， 但相邻模块的三角载波相位相差2 ，r ( n m ) ，( m 为三角载波与调制波的频率比) ， 这一相位差使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使各模块最终 迭加输出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的n m 倍，因此可以在不提高 开关频率的条件下大大减小输出谐波。相移s p w m 组合变换器的优点为：可采 用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低， 输出谐波含量小，减小了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器设计p “。 组合变流器的拓扑结构从交流侧可分为并联型、串联型、混联型，直流侧又 可以分为独立直流源供电型和单电源供电型。采用并联结构时，通过电流的叠加 实现谐波的抵消，能够获得较大的输出电流，但各变流器单元交流侧的电流谐波 未被消除；当采用串联型结构时，通过电压的叠加实现电流中谐波的抵消，变流 器单元交流侧的谐波较小，所需的滤波电感比并联型更小。在组合变流器中，变 压器只起到隔离和模块间联结的作用，所有变压器的变比和联结方式都是统一 的，不需要特殊设计。载波相移s p w m 组合变流器具有以下特点：( 1 ) 载波相移 s p w m 组合变流器各变流器单元的开关频率低，可采用特大功率电力电子器件 g t o 等组成大功率变流装置，降低器件开关损耗；( 2 ) 组合变流器输出谐波小， 可大大减小滤波器的体积、尺寸；( 3 ) 组合变流器等效开关频率高，传输频带宽， 传输性好；( 4 ) 各变流器单元的电路结构完全相同，易于模块化实现；( 5 ) 开关 器件的工作负荷均衡一致；( 6 ) 串联型结构必须使用变压器连结。 4 多电平变换器 3 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 多电平变换器1 1 1 1 3 1 的概念最早是由日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于 1 9 8 0 年的 a s 年会上提出的。该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三 个电平，每桥臂用四个开关管串联。用一对串联钳位二极管和内侧的开关管并联， 其中心抽头和第三电平连接，实现中点钳位，形成中点钳位变换器( n p c - n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ) 。在这个电路中，主功率管关断时仅承受直流母线电压的一半， 所以特别适合高压大功率应用场合。二十世纪八十年代末，随着g t o 、i g b t 等 大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以d s p 为代表的智能控制芯片的迅 速普及，多电平变换器的研究和应用迅猛发展，不仅在电路拓扑，p w m 调制策 略和软开关技术等方面形成了许多分支，如大功率驱动、电力系统无功补偿、超 导储能高压直流变换等。 多电平变换器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下优 点： ( 1 ) 每个功率器件仅承受1 ( n 一1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低 压器件实现高压大功率输出； ( 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( t h d ) ； ( 3 ) 可以较低的开关频率获得和离开关频率下两电平变换器相同的输出电 压波形，因而开关损耗小，效率高； ( 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器， d v d t 应力大为减少，在高压电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿，同 时改变了装置的e m i 特性； ( 5 ) 无需输出变压器，大大的减小了系统的体积。 1 3 多电平技术研究现状及难点、热点 1 3 1 多电平技术研究现状 中压大电机变频调速和电力系统中的无功补偿以及高压直流输电是目前多 电平变换器应用的主要领域，在大电机调速中，传统的两电平高频p w m 逆变器 存在以下问题： ( 1 ) 高频导致很高的d v d t 和浪涌电压，引起电机转子绕组绝缘击穿； ( 2 ) 高频开关对附近的通讯或其它电子设备产生电磁干扰： ( 3 ) 高频开关产生很大的器件电压应力和开关损耗，效率降低； ( 4 ) 功率因数低。 由于多电平变换器在输出相同质量电压波形的条件下开关器件电压应力大 大减小、工作频率大为降低，所以可以克服两电平高频p w m 逆变器驱动中的种 4 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 种问题，其代价是所需的功率器件较多，因而更适合于大功率电机驱动，尤其在 交流电力机车牵引领域占主导地位斗j 。 国外多电平逆变器已经有了成品出现，如a b b 公司的高压大容量变频器就 是采用i g c t 中点钳位电压型三电平逆变器，最高输出电压近4 0 0k v 。又如巴 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 1 5 0m w ，线路 长8 0 0k m ，它代表了当今h v d c t 水平。鉴于我国地域辽阔，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。 我国变频器总的潜在市场约为1 2 0 0 - 1 8 0 0 亿元，其中常压变频器约占市场份 额的6 0 左右，中、高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变频器功率大、 售价高，占据市场的4 0 左右u “。在多电平方面，国内已有几家推出采用基于 1 2 k v 1 8 k vi g b t 器件单元串联单相桥式主电路结构的高压变频装置，这种 主电路结构由于器件多而复杂，信号调制困难使得整体可靠性比较差，其输出功 率也不高。 1 3 2 中高压变频器发展趋势 近年来，国内厂家陆续开始研制中压大功率变频器，中压变频器的发展趋势 为 1 6 1 ： ( 1 ) 采用标准低压变频器组成的有输出变压器的中低中方案仍会占有一定 的市场。中压大功率传动产品中，风机和泵类负载电动机占有相当大的比例， 对传动系统要求不高，在中压小功率产品方案中，中低- 中方案价格又有优势， 投资回收周期短，维护容易，受到用户的欢迎。 ( 2 ) 器件串联方案将会局限于某些场合。 ( 3 ) 多电平结构是今后中压变频主电路的首选结构。 ( 4 ) 二极管钳位多电平变换器更有发展前途。目前三种多电平逆变器电路结 构中，与单元串联多电平变换器和飞跨电容多电平变换器相比，= 极管钳位多电 平交换器可以组成背对背的内联系统，能量双向流动，电路结构简单，更有竞争 力。调速传动使用多电平逆变器，不仅能解决谐波和电磁干扰问题，还可以避免 高频开关导致的电机损坏问题。 ( 5 ) 性能价格比比较高的逆变单元串联多电平结构仍极具竞争力。逆变单元 串联多电平结构，采用“多重化+ 多电平”的形式，网侧采用多重化方法，输入电 流谐波小，对电网的污染小；电机侧采用多电平方法，对电动机绝缘十分有利， 可以用于风机泵类负载调速系统，价格又有优势，不足之处是能量无法回馈。 总体来说，多电平技术尽管存在一些尚未完善的地方，但是三电平逆变器不 仅仅能应用于大功率高输入电压的逆变场合，如高性能的高压大容量交流变频调 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 速技术，多电平双p w m 高频整流逆变调速系统( 可实现四象限运行) ，而且能 应用于静止无功补偿、电力有源滤波器等电力电子装鼍中。虽然变频调速系统的 研究非常灵活而且市场需求旺盛，但是在产业化方面还不是很理想，该技术的研 究还处于萌芽状态，有大量的工作需要研究者去做。随着新型电力电子器件及 d s p 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率场合大显身手。传统直流 电流源供电及直流电压源供电的g t o 变换器正在逐渐被使用i g b t 及i g c t 的 两电平或者是三电平p w m 变换器所取代。本世纪随着减少电磁噪声等环境标准 的提高，三电平变换器方案必将得到广泛的应用。 1 3 3 多电平技术研究热点难点 1 多电平变换器拓扑结构及其建模问题 多电平变换器有中点钳位型、飞跨电容型、级联型三种基本结构及其派生电 路，从理论和实践上建立其拓扑结构对应的数学模型将对多电平变换器的研究起 很大的促进作用。 2 多电平变换器p w m 调制策略研究 三电平逆变器的主要调制方法有指定谐波消除p w m 法、开关频率最优 p w m 法和空间矢量p w m 法。在这些方法中，空间电压矢量法是应用较为广泛 的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内有很好的性能，无需其它控制方 法所需的大量角度数据，母线电压利用率高等。控制方法的研究的侧重点是实现 高控制性能的同时，简化控制复杂性及克服终点电压不平衡问题。 3 中点电压均衡问题 对于三电平逆变器，只有两只电容器，电容电压不均衡问题也常称为中点电 位波动问题或直流侧电压平衡问题，目前解决电容电压不均衡的方法都是基于空 间电压矢量方法，但是这些方法都难以扩展到三电平以上。 4 多电平变换器驱动异步电动机系统 以上便是多电平变换器控制技术中存在的主要问题。 1 4 本文的主要研究内容及结构 本文从大功率电力电子技术的发展出发，深入研究了多电平变换器控制的基 本理论，着重探讨了电压空间矢量法在多电平变换器调速系统中应用及存在的主 要问题，提出并设计多电平空间矢量异步电机调速系统的结构方案。最后，采用 m a t l a b 7 0 对该系统进行仿真证明其正确性。 本文的研究方法为； 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在理论上首先建立多电平变换器的数学模型，在熟悉控制对象的基础上，然 后对多电平变换器的调制策略进行研究。最后在此基础上，提出多电平空间矢量 异步电机调速系统的设计方案。 在仿真上采用m a t l a b 语言进行仿真，按模块化设计的原则，把系统分成 几个模块设计，使各个模块相互独立，然后通过接口组成一个大系统。 结合本课题的需要，本论文的各章节内容安排如下： 第一章，绪论。简要论述了本课题的研究背景、现状及发展趋势，并介绍了 作者围绕课题所做的研究工作。 第二章，多电平变换器的拓扑结构及其数学模型建立。介绍了多电平变换器 的拓扑结构，并针对中点钳位型多电平变换器在整流、有源逆变及无源逆变工作 状态下分别建立其数学模型，为以下各节打下理论基础。 第三章，多电平变换器开关调制策略研究。介绍了多电平变换器的多种调制 并进行对比，提出基于几何思想的多电平空间矢量调制算法。 第四章，多电平控制系统仿真。根据拓扑模型分析及调制算法研究，构建多 电平变换器系统仿真模型，对其性能进行仿真、分析和研究。 第五章，多电平异步电机空间矢量调速系统的研究与设计。在上述研究的基 础上构建了多电平空间矢量异步电机调速系统。 第六章，总结与展望。 7 中南大学硕士学位论文第二章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 第二章多电平变换器拓扑结构及其数学模型建立 2 1 多电平变换器拓扑结构 日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在i a s 年会上首次提出三电平 逆变器，又称中点钳位式( n p c ) 逆变器【1 1 1 。它的出现为高压大容量电压型逆 变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上，经过多年的研究开发出了几种主要 的多电平变换器拓扑结构【3 , 1 7 1 9 】，主要分为两种：一种为单一直流电源的钳位 型变换器拓扑，包括二极管钳位型( d i o d ec l a m p e d ) 、电容钳位型( c a p a c i t o r c l a m p e d ) ，以及在此基础上发展出来的通用型拓扑，还有层叠式多单元拓扑 ( s t a c k e dm u l i - c e l l ) ；第二种为独立直流电源的级联型拓扑( c a s c a d e di n v e r t e r 嘶t l ls e p a r a t e d d cs o u r c e ) 。现有的多电平变换器分类如图2 1 所示。 r 二极管钳位型 l 电容钳位型 r 一基本单元串并联混合钳位型 li 通用钳位型 多电平变换器分类，l 层叠式多单元型 ir h 桥串联型 l 基本单元并串联j 三相逆变器串联型 ( 级联型)l 开绕组双端供电型 图2 - 1 现有多电平变换器分类 根据直流电压源的性质和串联方式不同，上述两种拓扑可以用两个电路模型 表示：单一直流电源直接串联分压模型和多个电气独立的直流电源串联模型，见 图2 - 2 和图2 3 。图2 2 中，多电平变换电路可以等效为虚线中的多路开关，现 i j， 薹 毒 i 一一! 竺一一j! j 图2 - 2 单一直流源多电平电路模型图2 - 3 分立直流源多电平电路模型 8 蛩 中南大学硕士学位论文 第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 2 3 中作为直流电源v 0 v 经过变换电路的不同开关状态，可以在输出端组 合出多种电平值。 多电平变换器拓扑结构与普通两电平逆变器相比具有以下优点： 更适合大容量、高压的场合。 ( 1 ) 可产生m 层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形， 谐波含量小。 ( 2 ) 电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻。 ( 3 ) 效率高。 2 1 1 二极管钳位型多电平变换器 一个m 电平的二极管钳位型交流器【1 1 】每相桥臂需要2 ( m - 1 ) 个开关器件， ( m - 1 ) ( m - 2 ) 个钳位二极管，在直流侧由( m - i ) 个电容串联产生m 电平的相电压。 图2 - 4 给出了二极管钳位型三电平三相变换器的电路拓扑【2 0 】。该电路的每个桥 茸p l 图2 - 4 二极管中点钳位型三电平变换器电路拓扑 臂由两个全控型器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。两个串联器件的中 点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接。其中，墨，分别为a , b ，c 三 相上的功率器件；k ，j b 为与其反并联的续流二极管；日。k 为相应各相 的钳位二极管；c ，出为直流母线电压，c l ，c 2 为变换器直流侧分压电容，并假设 其容量均相等；u l 。，【k ，u 。为变换器交流侧三相输出线电压；b 和毛：分别为 9 中南大学硕士学位论文第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 流经分压电容c i ，c 2 的电流。以a 相为例，当墨。和s ：导通时a 相输出电压幅 值为冬；当s ，和s 。导通时，a 相输出电压幅值为一冬；当墨：和导通时， 二 a 相输出电压幅值为0 。b ，c 两相的工作原理与a 相相同，但相位互差1 2 0 。由 此可以看出多电平变换器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压来说有二：孚、0 、 z 一弩三种电平值可供选择，而三电平变换器的输出线电压则有士【k 、牛和 二 0 五种电平，因此通过适当的控制，三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两 电平逆变电路。 二极管钳位多电平变换器的特点如下【52 1 1 ： 优点： ( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 ( 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。 ( 3 ) 可控制无功功率流。 ( 4 ) 背对背连接系统简单。 缺点： ( 1 ) 需要大量钳位二极管。 ( 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 ( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 为解决以上问题，在传统的二极管钳位式多电平结构上出现了几种改进型结 构，如图2 - 5 所示【2 2 】。在两个相邻钳位二极管两端加上钳位电容的改进拓扑结 图2 - 5 改进的背对背式二极管钳位多电平变换器电路拓扑 构不但解决二极管串联问题，而且所加电容对开关器件关断时的过压进行钳位。 1 0 中南大学硕士学位论文第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 由于所加电容充放电的作用，减小了直流侧电容电压的不平衡性，且能实现电流 的双向流动。另一种将两个相同变换器背对背使用的改进结构，左边作为整流器， 右边作为逆变器，直流侧电容相应节点进行连接，可较好的平衡电容电压。 2 1 2 电容钳位型多电平变换器 该拓扑最早是由t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会议上提出的 1 2 3 , 2 5 1 ，最初的目的是减少二极管钳位多电平逆变器中过多的钳位二极管，即采 用悬浮电容器来代替钳位二极管工作，直流侧的电容不变。一个m 电平的电容钳 位型多电平变换器，每相桥臂需要2 ( m 1 ) 个开关器件，在直流侧需要伽一1 ) 个 分压电容器串联，同时需要伽一1 x m 一2 ) 2 个钳位电容来产生m 电平的相电压， 如图2 - 6 所示。其工作原理与二极管钳位电路相似。对比二极管钳位多电平变换 图2 - 6 电容钳位型三电平变换器电路拓扑 器，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。对高压大容量 系统而言，电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。电容的引进使电压合成 的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性，通过在同一电平上进行合适的 不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡，可较好的应用于有功调节和变频 调速系统，但控制方法变的较为复杂，而且开关频率将增高，开关损耗加大，效 率随之降低。 电容钳位型多电平变换器的特点如下： 优点： ( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； ( 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断损耗小，效率高； 0 ) - 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和交频调速； ( 4 ) 大量的开关组合冗余，可用于电压平衡控制； 中南大学硕士学位论文第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 缺点； ( 1 ) 需要大量的钳位电容，体积庞大，可靠性差； ( 2 ) 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大； ( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 因此这种拓扑结构的应用性研究已较少，但该拓扑仍具有一定的理论意义。 2 1 3 级联型多电平变换器 2 0 0 0 年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑 印“”，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，传统的二 极管钳位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来，其电路拓扑如图2 7 所示。高 压大容量多电平电路的一个技术难点就是中点电压控制问题。对于三电平级以上 的电平数的拓扑，如果中点电压控制的不好，是不能有效应用于大容量的电能变 换场合的。这种拓扑结构具有电压白平衡的功能，对于各种逆变器控制策略和负 载情况，都能有效的控制中点电压。该电路是由其基本单元组成的，它的基本单 元是一个两电平的单相电路。由图2 7 可以看到每个独立直流电源给一个单相全 桥逆变器供电，不同电平逆变器的交流电压串联起来，很显然，这种电路不再需 要前两种电路中的大量钳位二极管和电容，但需要多个独立电源。 图2 - 7 级联型五电平变换器电路拓扑 级联型多电平变换器的结构特点是： 优点： ( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； ( 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通、关断损耗小，效率高； ( 3 ) 无需钳位二极管和电容，在三种电路结构中，对于相同电平数所需器件 最少，易于封装； 1 2 中南大学硕士学位论文第二章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 最少，易于封装； ( 4 ) 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适 于7 或9 电平及以上的多电平应用场合； ( 5 ) 不存在电压平衡问题。 缺点： ( 1 ) 需多个独立直流电源。当采用不可控整流得到这些直流电源时，为减小 对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体 积庞大，成本高，设计困难； c ) 不易实现四象限运行。 2 1 4 混合型多电平变换器 混合型多电平变换器t z , j l i 的思想是：在级联型多电平的基础上，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。典型方法 是各个单元的直流电压比为1 ：2 ：2 2 ：2 ”1 ，使得输出端得到2 m 十1 个阶梯波； 与此同时，综合考虑功率器件的开关频率和电压应力，对不同直流电压的单元采 用不同的功率器件，以提高系统的性价比。图2 8 给出了混合型七电平三相 图2 - 8 混合型多电平变换器电路拓扑 变换器电路拓扑结构，每相桥臂由2 个单相全桥构成，直流母线电压为的全 桥采用i g b t 器件，而直流母线电压为2 屹的全桥采用g t o 器件。此外有文献 将直流电压比设为l ：3 ：3 2 ：3 ”1 时，得到最大电平输出。很显然，混合型 多电平电路拓扑的优缺点是其基本组成单元的电路拓扑优缺点的组合。 2 1 5 多电平变换器拓扑结构比较分析 通过对上面的三种多电平变换器电路的描述可以得到：虽然电路结构有所不 中南大学硕士学位论文第二章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 同，但是存在各自的优缺点，如表2 - 1 所示【3 2 1 。本文将基于二极管钳位型多电 平变换器展开研究。 表2 - 1 多电平拓扑结构对比 2 2 多电平变换器数学模型建立 建立研究对象的数学模型，是深入研究和分析对象的工作机理、特性，以及 提高系统控制性能的基础和必要手段。在第一章中已经分析了电容钳位型多电平 变换器由于其自身的原因，实用受到限制；而级联型多电平变换器由于电路结构 与两电平相似，其建模研究已比较深入。因此本节将以最常用的二极管钳位型三 电平变换器为研究对象，建立其整流工作状态、有源逆变工作状态及无源逆变工 作状态下的三相静止坐标系、两相旋转坐标系下的高频数学模型p ”1 。 2 2 1 整流工作状态下三电平变换器数学模型建立 1 三相静止坐标系下的数学模型 图2 - 9 为整流工作状态下二极管钳位型三电平变换器电路拓扑，等效电路如 图2 1 0 所示。 簇 甚 一咱0 翻0 翻( n _ i 1 图2 - 9 整流工作状态下电路韶扑 1 4 一 q 二 q s s -s - 墨ij s h s 。 1 s -7 l t s s - s q 二 q 二 d - - i o 图2 1 0 整流工作状态下等效电路拓扑 中南大学硕士学位论文 第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 = 3 f a , b ，c ， p ，0 ，n 热 岛拨秒连 为方便分析，将开关函数墨。分为三类：，瓦；，； 分别对应a 、b 、c 三相，并且开关函数具有以下约束条件： ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) s ，s 。，s m s 叩+ s + s m = 1 + + = l ( 2 3 ) s 口七s 。七s 。= 1 根据图( 2 - l o ) ，由k i r c h o f 电压定律，可列出交流侧a 、b 、c 三相间的回路电 压方程 t 鲁= 屹一置屯一v ( 疋，。) 一v ( o ，) 。 厶鲁= 一置毛一v ( 磊，口) 一1 ，( d ，) ( 2 - 4 ) 丘鲁= 屹一r ，一v ( 笾，。) 一v ( 。，) 式中，丘为整流器交流输入端的电感；r 。为整流器交流输入端等效电阻；v 口、 、 o 为电网三相电压；乞、o为三相输入电流；v ( 最，d ) 、v ( 墨，d ) 、 ，( 疋，o ) 为整流器三相交流输入端与直流中点之间的电位差；v ( o ，) 为变换器的 共模电压。 整流器三相交流输入端与直流中点之间的电位差可以用开关函数表示 v ( ，d ) = v c l 一瓦2 v ( 岛，d ) = k 广屹2 ( 2 - 5 ) v 慨，o ) = 一匕2 因为乞+ + 之= o ，将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 4 ) ，得到共模电压v ( d ，n ) 的表达式为 v ( o ，) = 一( v ( 配，d ) + 1 ，( s ，d ) + v ( 足，d ) ) 3 + ( v 口+ + 吃) 3 ( 2 - 6 ) 从而得到 v 瓴，) = ( 一( + + ) 3 ) + ( 一+ ( 屯+ + 既) 3 ) ：+ ( + + 心) ，3 v 饵，) = ( 一( + + ) 3 ) + ( 一艮+ ( 屯+ + 艮) ，3 ) + n + + v c ) ，3 ( 2 。7 ) v 侮，) = ( 一( + + ) ，3 ) + ( 瓯+ ( + 瓯+ ) ，3 ) + n + + k ) 3 假设电网电压处于理想平衡状态，故有屹+ + 吃= o ，所以有 1 5 中南大学硕士学位论文第2 章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 v ( d ，) = 一( v ( ，o ) + v ( s ，d ) + v ( 肇，0 ) ) 1 3 ( 2 - 8 ) 故式( 2 7 ) 可简化为 v q ，) = ( 一( + + ) 3 ) 匕。+ ( 一瓯+ ( + + 瓯) 3 ) v 慨，) = 一( + + 岛) 3 ) v c l + ( 叉+ ( + + 氏) ，3 ) ( 2 9 ) v 假，) = ( 一( + + ) 3 ) k 。+ ( + ( + + ) ，3 ) 咋： 对直流侧节点p 应用k i r c h o f 电流定律，得到 = + t ，= s 甲屯+ s 审+ s 中， f c l = c j 丸l d r ： 故得到： q 晚。出= 乇+ 毛+ 鲇一么 ( 2 1 0 ) 对节点r l 有 = 如一缸，= s 。+ 5 h + & 屯，如= ( j 击0 2 d r ； 故得到 - c 2 叱2 d r = 毛+ + 既之+ k ( 2 一1 1 ) 对节点o 有， 一( c l 毋，廊一c ! 丸2 ) 廊= + & + ( 2 1 2 ) 对整个回路用k i r e h o f 电压定律，有： k d 旃= 一屯k + ( 圪l + 屹2 ) ( 2 1 3 ) 上述推导中，c 1 ，c 2 为直流侧分压电容值，假设c = c l = c 2 ；也和乞分别 为直流侧的负载的等效电阻和等效电感值；k 。，屹：为直流分压电容上的电压， t 为直流侧输出电流，毛为中点电流。 设多电平变换器在三相静止坐标系下的状态空间表达式为 a d x i d t = b x + c e 形式，综合上述推导可以得到中点钳位型三电平数学模型为 d i 。i d t l 。d i l1 d t l ，d i , i d t c d v n ，d t c d v 。2 d t l d 。d i 4 ，f d t r 。 0 0 s 一s 。 0 0 一兄 0 s ，p s b 0 2 3 - 1 3 - 1 32 1 3 - 1 3 一i ，3 oo 00 00 0 0 一r 。 s t 一s 靠 0 2 d q 旋转坐标系下的数学模型 1 6 o o qs r l l r 。 屯 l 。 l ： j 如 ( 2 1 4 ) ，。一 一，一一，一，。 崆一 们奶：。 中南大学硕士学位论文第二章多电平换器拓扑结构及其数学模型建立 2 d q 旋转坐标系下的数学模型 为简化模型便于控制，通常将三相静止坐标系下的数学模型变换到d q 两相 旋转坐标系中，一般分为两个步骤：第一步，将三相静止坐标系下的数学模型变 换到二维欧氏空间中；第二步，将二维欧氏空间中的两相静止坐标系模型变换到 d q 两相旋转坐标系中。 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换公式为 阱历黼- 1 ：铡茎i 阱瓜匕c 0 $ 甜s i n w t 帕 r x 4 由上两式可得三相静止到两相旋转坐标系的直接变换公式为【3 4 】 洳e 揭捌圈 协1 7 ) t 或d t l p o d r c d v c l d r 酗0 2 d r 瓦d d r 毛 屹： k ( 2 4