（电力电子与电力传动专业论文）电压型多电平变换器若干关键技术研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i l e v e li n v e r t e r sh a v ed r a w nu e m e n d o u si n t e r e s tr e c e n t l yd u et ot h e i re d v a m a g e sr e g a r d i n g p o w e re x p o r t , h a r m o n i c s ，p o w e rf a c t o r , a n dc o n m o l l m o d ev o l t a g e h o w e v e r , t h ep r e s e n tr e s e a r c h i t st h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n sh a v en o tm a t u r e de n o u g ha n d 舡l 丘打f r o mr e s t r i c to fa p p l i c a t i o ni n w i d e ra r e & t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ls t r l so f tt h o s eu n s o l v e do ri m p o f f ms o l v e dp r o b l e m s t h em a i n c o n t e n t so f t h i sp a p e ra r e 鹄f o l l o w s ： 1 t h i sd i s s e r t a t i o np f - - , n t sar e v i e wo fm u l t i l e v e li n v e r t e rm o d u l a t i o nm e t h o d s h a r m o n i c s u p p r e s s i o n , l o s s e s , e n dc o m r o l 砷喇e g y - t h eb a s i cm u l t i l e v e lt h e o r yi si n t r o d u c e d 矗砌t h ep o l i to f t o p o l o g ys t r u c t u r e , a n dt h et h r e e - l e v e lo n e i ss t a t e de x p l i c i t l y 2 b ya n a l y s i so f t h ep r i n c i p l eo f t h eo p t i m a ls p a c ev t o rs e q u e n c ea n dt h er e l e v a n tm o d u l a t i o n m e t h o d s , t h ev i e w p o i n to ft h en o v e lm o d u l a t i o nm e t h o dp r o d u c e df o rm u l t i l e v e li n v e r t e rs h o u l d c o n s i d e rm o r es y s t e mp e r f i s p r o p o s e d u n d e rt h i sg u i d a n c eo ft h i si d e a , 8p w ms t r a t e g y f o r t h e t h r e e - l e v e l i n v e r t e r w i t h 蚰a b i l i t y t or e d u c e l o s s e s f d i l 唱t o d i f f e r e n t l o a d i s e s t a b l i s h e d 3 t h en o n l i n e a r , h a r m o n i ce l i m i n a t i o ne q u a t i o ms o l v e db yt r a d i t i o n a li t e r a t i v ea l g o r i t h me x i s t s 姗ew e a k n e s s e s a f t e r 删y 五1 1 9t h ee q u a t i o n sd e e p l y , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t s 蛐a p p r o a c ht o e l i m i n a t eh a r m o n i c si nn e u t r a l - p o i n t - c l a m p e di n v e r t e ru s i n gt h et h e o r yo f m u l t i v a r i a b l ep o l y n o m i a l t a k i n gc o m p u t i n g4s w i t c h i n ga n g l e sf o ri n s t a n c e , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e m e n t a r ys y m m e t r i c p o l y n o m i a l sc a l lb ee x p l o i t e dt or e d u c et h ed e g r e eo f t h ep o l y n o m i a l sa n dt h er e s u l t a n tt h e o r y 啪b e u t i l i z e dt oe l i m i n a t ev a r i a b l e s t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h em e t h o dh a sm a n ym e r i t s , s u c ha sh u r d l i n g t h ed i f f i c u l t yo fd e t e r m i n i n gn i n i t i a lv a l u e sw h e ns o l v i n gt h es e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n n o n l i n e a re q u a t i o n s , o b t a i n i n gm ls o l u t i o n sa c c u r a t e l y e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft w o g r o u p so f s o l u t i o n sa i p r e s e n t e dt oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f t h et e c h n i q u e 4 t h es c h e m eo fs t u d yo nm u l t i l e v e li n v e r t e rc o n d u c t i o nl o s s e si sp r o v i d e d c o n d u c t i o nl o s s e x p r e s s i o n sa r ed e r i v e db a s e d 伽t h ek n o w l e d g eo f c o n d u c t i o nd e v i c e s , w h i c hm d e t e r m i n e db yt h e w o r k i n gc o n d i t i o n , a n dt h ec o n d u c t i o nd u t yc y c l e t h el o s sm o d e li s u s e dt oa n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no nt w od i f f e r e n tm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s , s i n u s o i d a lp w m ( s p w m ) a n d t h i r dh a r m o n i c i n j e c t i o np w m ( t h i p w m ) ，f o rn e u t r a l p o i m - c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 5 t h e m u l t i l e v e l i n v e r t e rs w i t c h i n g l o s s e s i ss t u d i e d t h ea i g 曲r a i c e q u a t i o 犯t h a t r e p r e s e n t t h e v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m sd u r i n gt h es w i t c h i n ge v e n ta l d e v e l o p e db a s e do nt h ef a c tt h a tt h e c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m sd u r i n gs w i t c h i n ga r ep r i n c i p a l l yaf u n c t i o no ft h e p r e - a n d p o s t - s w i t c h i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t , t h ed 擒瑚咖p a r a m e t e r s , a n dt h ep h y s i c so fn s w i t c h i n g p r o c e s s t h es w i t c h i n gl o s s e sm o d e lo fu e u t r a l - p o i n t - u l a m p e dg m l e w li n v e r t e rw i t hw i d e l yu s e d i g b ta n df a s tr e c o v e r yd i o d ei sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o na n de x v e r h n e , 恤ir e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h ev a i l d - t i e so f t u r n - o na n d - o 庄m o d e l sa n ds w i t c h i n gl o s s e sm o d e l so f t h es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 6 d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo y r c ) f o ri n d u c t i o nm o t o r - f e db yt h r e e l e v e li n v e r t e ri ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y e s p e e 魄t l l ed e m a g n e t i z a t i o n # e n o m e n o no fs t a t o rf l u xa n dt h et o r q u ep u l s a t i o n s c a u s e db ys p a c ev e d o rv o l t a g ea l ea n a i y z o d t h i sp a p e ra i s el 碍so u ta ni m p r o v e ds w i t c h i n gl o o k u p t a b l ea n dc o m p m a sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s 7t h ed e s i g no f af l m s h p l l a s et h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e rb a s e do i ls v p w mi sa o m p l i s h e di n t h i sp 靴a s p e e d - l o o p - o p e n c o n s t a u tr a t i oo f v o t t n g ea n df r e q u e a c yc o n t r o l l e da c m o t o rd r i v ei s f h l f i t l e d , w h i c he m p l o y st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa sc o n t r o lc o r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st e s t i f yt h e c o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f t h ed 髓i g n e ds o f l w & r ea n dl m r d w a e k e yw o r d s ：m u l t i l e v e li n v e r t e r , m o d u l a t i o nm o t h o d s 。s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n , c o n d u o i o nl o s s e s ，s w i t c h i n gl o s s e s ，n e u n a l - p o i n t - c l a m p e d , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l , a c d r i v e 图1 1 图l - 2 图1 3 图1 4 图l - 5 图1 - 6 图1 7 圈1 8 图1 - 9 图1 1 0 图1 i l 图卜1 2 图i - 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图1 1 7 图1 1 8 图i 1 9 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 - i o 图2 1 l 图2 - 1 2 图2 _ 1 3 插图清单 逆变单元输出电压( a ：三角载波s p w m b ：三次谐波注入法s p w m ) 3 空间矢量图( 影两电平：b 三电平；c ：五电平)4 阶梯形电压波形4 正半周期内7 电平阶梯波( 影高调制指数；b ：中调制指数；c ：低调制指数) 4 二极管箝位型多电平电路拓扑一9 电容箝位型多电平电路拓扑l o 级联型逆变器电路拓扑1 1 具有三相单元的级联型逆变器一1 1 通用多电平变换器单元1 2 由三电平构成的混合多电平1 3 不对称混合多电平单元1 3 单元具有不同开关频率的混合级联多电平1 3 电容籍位型z v $ 逆变电路1 4 三电平变换器单相电路原理图( 钟h o i t z 方案b ：n 曲方案) 1 5 电流流入负载2 一l 切换”，1 6 电流流入变换器2 一i 切换1 6 变换器输出电压波形1 6 三电平变换器输出三相端电压1 7 输出相电压与线电压波形”1 8 多电平变换嚣空间矢量图( 8 ：三电平；b 五电平) 2 4 五电平空问矢量图( 部分) ”2 5 作用序列与磁通轨迹2 6 合成d 区电压矢量所引起的删r r 2 6 基颏开关控制五电平相电压2 8 基频开关控制五电平线电压2 8 五电平变换器p w m 控制信号与输出电压2 9 * 电平变换器开关模型及s v p w m 算法流程( a ：开关模型i b ：算法流程) 凹 三电平变换器空间矢量图“3 0 两电平与三电平空问矢量关系3 1 三电平n p c 逆变器$ v p w m 控制输出电压波形3 4 逆变器单相模型和一个载波周期内最开关损耗计算3 5 三电平逆变器在s l 区空间矢量及输出矢量3 6 图2 一1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图3 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 _ 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图4 - l 围牝 图4 3 图“ 图4 - 5 图4 - 6 图 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 - 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 相电压与相电流相位关系“3 7 三相调制信号与零序信号( 驴；0 4 5 ) 3 8 几种常用调制方法开关损耗比较3 8 不同负载情况下的仿真结果4 0 单相谐波等效电路“躬 说明6 次谐波对转矩的影响柏 七电平载波脉宽调制4 7 七电平改进的载波脉宽调制4 7 三电平逆变器系统结构图4 9 三电平逆变器p w m 波形”4 9 用8 个序列表示的w a l s h 函数”5 2 开关角随调制系数变化情况6 1 n p c 三电平逆变器两组开关角的仿真波形( m = o 7 5 ，= 5 0 h z ) 6 3 三电平逆变器谐波消除实验线电压、电流、谐波分析波形6 4 负载电流流向与开关状态下电流流通路径6 9 载波周期内开通器件与电压、电流之间关系6 9 实际载波周期内器件导通时电流流经关系7 0 载波调制三电平逆变器开关状态确定7 1 两种调制方式下通态损耗( a ： f 变化b ：0 变化) ”7 4 两种调制方式下通态损耗分布( 肘= 0 9 5 ，f = 1 0 0 a ) “7 5 负载电流对通态损耗影响( 村= o 9 5 c o s 0 = o 8 5 ) 7 6 三电平逆变器中通态损耗分布( 肘= 0 9 5 ，s 口= o 8 5 ，。= 1 0 0 a ) 7 6 二极管关断典型波形7 7 i g b t 开关过程典型波形7 9 三电平变换器实验主回路“ i g b t 开关暂态实验波形( 导通电阻与关断电阻均为1 0 【1 ) 8 4 i g b t 开关状态模拟波形8 5 三电平电路开关模型9 l 电压矢量对定子磁通的影响9 1 转矩双滞环控制三电平i y f c 9 2 三电平变换器d t c 退磁现象说明9 3 未经改善d t c 控制时的低速性能9 3 磁通空间1 2 扇区划分9 4 在低速区转矩控制方式9 5 图5 - 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 i 圈5 - 1 2 图5 - 1 3 图5 1 4 圈5 1 5 图6 i 图6 2 圈6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 圈6 - 7 图6 - 8 图6 - 9 图6 - 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 - 1 3 图6 1 4 图6 - 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图每1 8 低速区磁通轨迹对比( a ：改进选择表轨迹b ：传统选择表轨迹) 9 5 低速区磁通幅值、转矩、电流波形( 默改进选择表法；b ：传统方法) 9 6 正常转速下转矩变化率计算9 8 低速时偶数扇区内转矩变化率计算9 8 低速时奇数扇区内转矩变化率计算1 0 0 中点箝位三电平直接转矩控制系统1 0 1 3 额定转速下三电平系统仿真结果( 拭转速b ：定子电流；c ：定子磁链) 1 0 2 正常转速下三电平系统动态情况仿真结果 三电平系统主回路及控制系统结构图 1 0 3 。1 0 5 三电平变频装置1 0 6 主电路结构拓扑1 0 6 m 5 7 9 6 2 a l 内部电路1 0 8 基于m 5 7 9 6 2 双i g b t 驱动原理图1 0 9 部分电量信号检测与处理1 1 0 断相故障检测电路1 1 0 三电平逆变系统控制框图1 1 4 控制系统主程序流程图1 1 5 p w m 驱动信号产生结构图1 1 6 p w m 脉冲发生程序流程图1 1 7 a d 采样子程序流程图1 1 7 采样数据处理流程图1 1 8 串行通信流程图1 1 9 基于d s p 最小系统i w m 脉冲波形1 2 0 3 3 h z 时相电压、线电压及负载电流波形1 2 0 5 0 h z 时相电压、线电压及负载电流波形1 2 1 5 0 i - z 时有无进行中点电位控制的相电压、线电压波形1 2 1 表格清单 表1 一l二极管箝位型五电平拓扑电压输出与开关状态对应关系9 表l - 2电容箝位型五电平拓扑电压输出与开关状态对应关系l o 表l - 3主开关管状态与每相输出电压1 5 表2 1五电平部分区域可能的开关序列2 5 衷2 - 2三电平变换罂的”种开关状态3 0 表2 - 30 嗡j o o 范围内4 个三角区域的电压矢量作用时问表达式3 2 表2 - 4三电平变换器开关序列3 3 表2 - 5开关损耗仿真参数一3 9 表3 - 1多项式中变量最高幂次比较5 8 表3 - 2消除5 ，7 、1 1 次谐波调制系数肌与开关角关系5 9 表4 - l开关器件导通占空比7 l 表牝三电平变换罂电路参数8 4 表4 - 3功率损耗计算值与测量值比较8 5 表5 - l电机正转时开关选择表9 2 表5 - 2改进的电压矢量选择表9 4 表6 1事件管理器及对应引脚1 1 3 表6 - 2三电平变换器控制中的d s p 资源分配1 1 4 表6 3实验系统主要参数1 2 0 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及取得的研究成果据 我所知，除了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 金艇王些去堂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谢 意 学位论文作者签名： 露极 签字日期：知c 1 7 年占月，8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月b 王些友堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月b 王 些太堂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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲1 5 耋权 签字日期：2 。刃年占月偿日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，谨向我的导师王群京教授致以最诚挚的谢意l 在我的课题研究和论 文撰写过程中，始终得到了壬老师的精心指导和热情帮助，从论文选题、提纲制定、实验研 究、及最后的论文定稿无不凝聚着老师的智慧和汗水读博期间，王老师渊博精深的学识， 敏锐的洞察力、严谨求实的科研态度、委婉含蓄的行事风格，宽厚待人的长者风范，使我深 感敬佩，在学习期间影响、以后也必将影响我的学习与工作。博士阶段学习过程中，王老师 经常给我悉心指点，并为课题提供充足的经费和创造自由宽松的科研环境。这不仅使我学位 论文得以顺利完成，更重要的是我的综合能力得到很大提高 衷心感谢博士后姜卫东老师的指点与帮助每次在同他的讨论中总有很大收获和启迪， 并提出许多具有建设性的建议，无形中给我的研究注入了新的活力。 感谢与我同一课题组的师兄弟，没有他们的帮助，课题与论文都不会顺利完成，他们是 胡存刚博士、郑常宝博士，赵涛博士( 已毕业) 、王智硕士( 已毕业) 、吴海岸硕士、史晓锋 硕士、王涛硕士、王红涛硕士同时要感谢新型电气传动所的倪有源博士( 已毕业) 、王安邦 博士、李争博士( 已毕业) 、鲍晓华博士、夏鲲博士、钱矗古博士、任涛硕士，任冰硕士、李智 硕士，感谢他们热情的帮助和有益的启迪感谢同届的王庆龙博士，与他的交流使我明白了 许多事理。 感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院的老师们，在他们刻苦钻研和努力奋斗下，使 得电力电子与电力传动学科具有今天较为坚实的基础和雄厚的实力、浓厚的学术氛围和领先 的学术水平，这些为本论文的完成提供了得天独厚的支撑条件。 感谢我的父母、哥哥、姐姐，是他们给予我温暖和美的家和学习上的鼓励，他们在我求 学期间给予了极大理解、坚定的支持和无私付出我想对他们说一声：你们辛苦了l 我将不 辜负你们的期望，好好做人、做事 作者：陈权 2 0 0 7 年4 月于电机楼 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多电平变换器的发展背景1 1 五3 4 】 工业上的自动化、控制、以及产品的生产越来越依赖于与电力有关的设备，随着对电气、 电力电子设备依赖程度的加深，工业上也希望电网能提供的电压不问断、稳定，且无干扰。 但是，直接从电网或电池汲取的电能一般都不尽如人意。电网是公用的，宏观上有高峰期和 低谷期之分。电网在高峰期和低谷期的电压存在差异；由于不同用户从电网支取电能的时机 和电量的不确定性和偶然性，特别是大型设备的启动和停止，足以给邻近电网造成随机的瞬 时冲击和定式落差；由于雷电、风暴、炎热等自然因素造成电网扰动甚至供电瞬时中断等， 都将给敏感用户带来不利：设备运转失常、系统效率降低、计算机数据丢失、逻辑功能混乱， 严重时还将造成系统硬件损坏，使系统陷于瘫痪为此，需要对从电网取得的电进行整合和 改善。 今天的电网面临的承载非常严酷。由于新型半导体开关器件的涌现、控制日益先进，变 流设备的功率等级提升极快；又由于采用变流举措的负载设备日益增多，其复杂的负载性质 带来的负面影响突出。基于这些因素的电网存在功率因数低下、波形畸变、浪涌、相位丢失 等不良情况因此，电能质量控制刻不容缓。电力补偿、有源滤波、柔性输配电等电能变换 技术在电网和用户之问能起到较佳的缓冲匹配作用 能源问题在本世纪仍占据瞩目位置，人们追求在节约电能方面有卓越贡献的高效能供电 设备和用电方法。当今世界经济的发展主要是建立在化石能源基础之上的，然而，由于这一 经济的资源载体将在2 l 世纪上半叶迅速接近枯竭。我国在能源危机这方面问题也刻不容缓。 与发达国家相比，我国仍是一个能源利用效率较低的国家因此，确立节能在国民经济中的 战略地位，不断提高能源利用效率，是我国经济、能源、环境持续协调发展的重要保证特 别在电力方面，目前我国电机的总装机容量已达4 亿k w 。年耗电量占全国用电量的近6 0 0 4 ， 但我国电机驱动系统的能源利用率非常低，基本上要比国外平均水平低2 t f , 4 。7 0 的电机只相 当于国际2 0 世纪5 0 年代的技术水平，电机驱动系统能效比国外低2 0 左右，节能潜力巨大。 我国运行的风机、水泵、空调类负载在4 2 0 0 万台以上，占全国用电量的l ，3 ，其中的适 合调速，在风机泵类负载中7 0 仍采用风挡或阀门调节流量，这样电机在运行中会长期处于 空载或轻载状态造成能源严重浪费为了将这些浪费掉的非常可观的电能拣回来，莉用现 代电能变换技术对电动机实行变频调速控制，具有很好的节电潜力众所周知，高压电动机 的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力，其消耗的能源占电动机总能耗的7 0 以上， 而且绝大部分都有调速的要求目前，我国的高压电动机的调速和启动方法仍很落后。这种 2 合肥工业大学博士论文 状况，不但浪费了大量的能源而且造成机械寿命降低鉴于此，国家能源节约与资源综 合利用“十五”规划指出：高压变频器技术是重点发展技术之一 生产力越发展，技术越进步。环境问题就越突出。电能的生产、变换、使用在很大程度 上影响到环境电能的生产一般伴随二氧化碳，二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应的 原因之一。后者是酸雨的成因。二者对环境危害都很大。少一点电能生产即能换得环境少一 点恶化生产发展必然要增加电力的需求，要降低成本主要在于节约电力减少电力的浪费 这要求我们的电源装置、电能变换系统提高效率另外。干净的电磁环境也要求电能变换设 备在电磁兼容性方面达标节约电能、电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在必行。 电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，它们以开关阵列的形式应用于电力变流器 中把相同频率( 交流控制器) 或不同频率( 周波变流器) 的电能进行交一直( 整流器) 、直 直( 斩波器) 、直交( 逆变嚣) 和交一交变换这种开关模式的电力电子交换具有较高的效率， 但它们不是理想的开关，它们都具有导通和开关损耗，因此仍需要对变换嚣的性能作进一步 优化今天所应用的电力半导体器件几乎全部是建立在半导体材料的基础上的，一般可归为 晶闸管( s c r ) 、双向晶闸管( 1 。融a c ) 、门极关断晶闸管( g t o ) 、双极结型晶体管( b r r 或 b p t ) ，电力m o s f e t ，静电感应晶体管( s i t ) 、绝缘双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸 管( m c t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 等由于采用高压输配电具有一系列优势，虽然 当前已研制出用于高压的电力半导体器件，但是耐压等级与期望仍有差距- 且耐压越高制造 技术越复杂，相应成本也越商，因此必须在电力电子变换领域寻求新的变换器拓扑结构及 其相关技术研究其中多电平变换器就是一种可解决上述诸多难题的有效方法 1 2 多电平变换器的研究现状 1 2 1多电平变换器的调制方式研究 l 基频j 空问矢量控制( s v c ) 多电平调制方法 ：；耥 换多次。一种在工业中应用非常普遍的方法是基于载波的正弦脉宽调制，它利用相移技术来 降低负载电压的谐波仉q 另一种非常有意义且已经应用于三电平逆变器中的方法是空问矢量 调制( s v m ) 工作于低开关频率下的调制方法一般是在输出电压的每个周期期间功率半导体 第一章绪论3 只进行一两次开关交换，产生阶梯波。这种调制方式具有代表性的方法是指定谐波消除法 ( s h e ) 一o l 和空间矢量控制( s v c ) 法f i i l 。 1 2 i 1 多电平s p w l v l 基于传统三角载波s p w m 构造了几种多载波方法应用于多电平逆变嚣中，其中有些载 波调制方法是利用载波配置来调制，有些是采用多重载波信号相移方法来调翻旧i 图1 i a 是 如图1 7 拓扑一个单元产生的典型电压波形，它是通过正弦参考信号与三角载波信号比较得到 的。 每相有m 个级联单元的多电平变换器，那么它的载波相移角为0 。= 3 酊帆应用同样的 控制来产生的电压具有最小失真度。 在工业应用中，多电平交换器中最普遍的做法是在每个单元中采用三次谐波注入法调制 ( 如图l - l b ) ，这样可提高电压利用率1 7 t “多电平s p f m 的另一个优点是负载电压有效开关 频率是每个单元开关频率的n c 倍，这是由它的载波信号决定的。利用这个特性可以降低每个 单元的开关频率，从而降低开关损耗。 毒 图l - i 逆变单元输出电压( 托三角载波s p w m ；b ：三次谐波注入法s p w m ) 1 2 1 2s v m 两电平s v m 技术可以很容易拓展到多电平变换器中p 4 i 图l - 2 所示为传统两电平、三电 平和五电平逆变器的空间矢量图这些矢量图具有共性，它们不是针对某种多电平变换器的 特定类型，即图i - 2 ( c ) 对五电平二极管箝位型、电容箝位型和级联型均有效可以通过计算相 邻三矢量各自作用时间( 、瓦、艺) 来合成参考电压矢量： 4台肥工业大学博士论文 ( a )( b )( c ) 图l - 2 空间矢量图( 戳两电平；b ：三电平；c ：五电平) v ：丛鼍笙盟 ( 1 1 ) j 空间矢量p w l d 通常具有这些特征：直流电压利用率高；电流纹波小l 通过数字信号处理 器硬件实现相对简单这些特征使得它适合在高压大功率系统中应用 随着电平数的增加，冗余开关状态和选择开关状态的复杂性大大增加有学者将五电平 空间矢量图分解成两个三电平空间矢量图，利用相移方法来减小纹波和简化控制“。另外， 也有一种简化的空阃矢量选择方法 1 2 1 3 指定谐波消除( s h e ) 1 5 l 这种方法不需要计算相邻三矢量的作用时间嘲。 图l - 3 所示的1 4 周期对称阶梯电 压波形是由( 2 i n + 1 ) 电平逆变器输出合成 产生的。这里m 为开关角的数目通过 对波形进行傅立叶分析，任何奇n 次谐 波幅值可由( 1 - 2 ) 式来表达，而偶次项谐 波幅值为0 ：二：二：广1 一。| 。1 j事 缠 啦q 一 l 1广j i l 1r j u 图l - 3 阶梯形电压波形 吃= 三1 1 。t t k s ( n 吼) 0 - 2 ) 这里k 是直流电压的第k 个电平，n 是奇次谐波阶次，m 是开关角数目，吒为第k 个开 关角。根据图l - 3 ，q 、吒、口；必须满足o 喁 吒 口 可2 为了使得谐波干扰最小和基波分量幅值可调，可以从电压波形中消去m - 1 次谐波分量。一 般地，在各种电平变换器中，可通过选择合适的开关角来消除对性能影响明显的低频谐波， 高频谐波分量可以通过附加安装的滤波电路来消除。根据式( 1 - 2 ) ，为了保证所消谐的数目为 一定值，所有的开关角必须小于x 2 。否则，如果开关角不满足这个条件，那么这种策略就毫 无意义，结果是调制策略提供的调制指数变化范围很窄这也是它的主要不足之处。例如。 对于一个七级电平阶梯波形，它的调制指数只能由0 5 变化到1 0 5 当调制指数低于0 5 时。 如果仍采用这种方法，那么可以被消去的谐波分量个数将降低，总谐波干扰( t h d ) 相应增 加。 ( a )( b )( c ) 图1 4 正半周期内7 电平阶梯波( 越高调制指数；b ：中调制指数：c ：低调制指数) 为了获得合成波形在宽调制指数变化范围内具有低t h d ，有人提出了一种通用的选择谐 第一章绪论5 波调制策略【l q 这种方法可以用图1 4 来表示，从七级阶梯波形的正半周波可得到不同调制指 数等级，在这种情况下t 调制指数范围可化分为高、中、低三级高调制指数等级的输出波 形如图l - 4 ( a ) 所示，无论何时只要玛大于啦，那么这样的波形就不存在，因此它被当调制指 数为中级时如i - 4 ( b ) 所示输出波形所代替当图i - 4 ( b ) 中开关角喁至岛在低调制指数时不收 敛，那么将被如i 4 ( c ) 所示的输出波形所替代一般地，由m 个开关角组合而成的阶梯波形可 被分成m 个等级的调制指数 以上介绍的是一种阶梯波逼近法s h e ，当需要进一步提高输出波形质量对，可以选定预 置凹槽p w ms h e 这种方法与s p w m 相似，不同之处只是它需要预先计算好开关切换点位 置这两种s h e 方法开关点切换位置的计算一般采用s h e p v , q v i ( s e l e c t e dh a r m o n i c s e l i m i n a t i o np w m ) 1 2 1 4s v c 根据空间矢量理论，可推导出一种用于多电平变换器中在概念上不同与其他的控制方法， 这种方法被称为s v o 它工作在低开关频率下。且每个开关周期中产生的不是负载电压的理 想值。这个原理同s v m s v c 的主要思想是用与参考矢量有最小化空间误差或距离的矢量来 代替参考矢量送给负载例如，对于l l 电平，产生3 3 1 个不同空间矢量，矢量密度高，这样 所选择的矢量与参考矢量相比误差很小，因此没有必要采用复杂的调制策略来用相邻三矢量 逼近参考值。 这种方法简单，且对于高电平数变换器又很大吸引力。随着电平数的减少，产生矢量与 参考值之间的误差将变得较高，这将增加负载电流纹波。 1 2 2 多电平变换器的谐波抑制研究 由于选择性谐波消除( s h e p w m ) 法具有较好的可控性。并且数字化实现容易，因此当前 对多电平变换器的谐波抑制大多采用这种方法它通过开关时刻的优化选择，消除选定的低 次谐波，具有开关频率小，波形质量好、电压利用率高等显著优点这种方法的逆变器开关 角模型为非线性超越方程组，常用牛顿迭代法求解，但牛顿迭代法对迭代初值敏感，因而工 程上几乎所有该方法的应用都是以离线控制目前。在谐波消除问题上大多沿用h p a t e l 和 i lh o f l 提出的指定谐波消除法i l q 这种方法需要在求解前要提供一组初始角因为初始角的 选择合适与否与迭代过程是否收敛有很大关系，为此很多学者对此进行了卓有成效的研究 1 1 7 1 s l 。文献 1 7 1 采用同伦算法为牛顿法进行预迭代寻找与准确值较为接近的初值；文献【1 8 】针 对用数值求解指定谐波消除p w m 开关角度时，非线性方程组计算初值选择困难的情况给出 了采用解轨迹微分预估初值的计算方法，并总结出了初值公式；文献【1 9 1 考虑到三角载波调制 s p w m 方法也是用来消除谐波的，采用三角载波调制s p w m 法来选取方程组的初值 在考虑到难以求解非线性超越方程的同时，有学者提出了基于w a l s h 函数来分析p w m 6合肥工业大学博士论文 波形产生的方法网文献 2 0 ，2 l 】介绍了w a l s h 函数波形分析技术在双极性逆变器中的应用 可知，利用w a l s h 函数波形分析技术，逆变器开关角是通过求解线性代数方程组而不是通过求 解传统的非线性超越方程组得到的。且其解为关于基波幅值的分段线性方程。所得的分段线 性方程解决了逆变器选择性谐波消除法在线求解开关角的难题。然而，要获得基波幅值整个 变化范围内开关角的全部解，需要大量搜索和确定各种开关角的区间组合，且随着开关角个 数的增多，搜索时间较长，影响了实时性 吴方法阻2 ，l 在数学机械化证明中的成功应用，为非线性方程组的精确求解提供了可能， 为此，国内有学者在探讨吴方法在逆变器选择性消谐法应用可能性的基础上，提出将消谐模 型转换为多项式方程组，再利用吴方法求解该多项式方程组，计算出相应开关角。国外也有 学者进行类似的研究，将特定消谐问题的超越方程组转换为一系列多项式方程，利用数学上 的有关理论求出开关角队2 5 j 1 2 3 多电平变换器系统的损耗研究 现代交流大功率变换器中应用的主要器件是i g b t 、g t o 、i g c t 和快恢复二极管等，在 变换器工作时这些器件要消耗功率无论是设计的