（电力电子与电力传动专业论文）级联型逆变器的spwm控制及开路故障诊断技术的研究.pdf

级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 a b s t r a c t f i r s t l y s o m ec o n t r o lm e t h o d s a b o u tt r a d i t i o n a lc a s c a d e d1 n v e r t e r sw h i c hc e l lh a s t h es a n l ci n p u td cv o l t a g ei sg e n e r a l l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h e n ，t h i sp a p e r p r e s e n t sa c o n t r o lm e t h o da b o u tc a s c a d e di n v e r t e r su t i l i z i n gd i f f e r e n t ( b i n a r yr e l a t i o n ) d ci n p u tv o r a g eo ne a c hc e l l t a k i n gc a s c a d e di n v e r t e r s 、撕t lt w oc e l l sf o re x a m p l e t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p r i s e st h es p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d n a i o n ) m e t h o d s ，o u t r i u tv o l t a g el e v e l sa n dh a r m o n i o u sc h a r a c t e r i s t i co fc a s c a d e di n v e r t e r s u t i l i z i n gs a m ed cv o l t a g ea n db i n a r yr e l a t i o nd cv o l t a g e ，a n dt h e n ，b a s e do uo u t p u t v o l t a g e a n do u t p u tf i l t e ri n d u c t o rc u r r e n tf e e d b a c ks p w mc o n t r o l ，t h ec a s c a d e d i n v e r t e r s p r o t o t y p ei sm a d e a n dt h e p e r f o r m a n c eo f i n v e r t e rs y s t e mi sa n a l y z e dw i t h t h ev a r i a t a t i o no fp a r a m e t e r sw h i l es o m ec o n c l u s i o ni sd r a w ni nt h i s p a p e r t h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t e a d v a n t a g e so ft h ec a s c a d e di n v e r t e r s u t i l i z i n gb i n a r yr e l a t i o nd cv o l t a g ea n dt h ec o n t r o lm e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , s u c ha sm o r eo u t p r a tv o l t a g el e v e l s ，l e s sh a r m o n i o u sc o n t e n t ，a n dw h e no n ei n v e r t e r c e l li s f a u l t ，t h e c o n t r o lm e t h o dc a nm a k ec a s c a d e di n v e r t e r ss t i l l o u t p u tv o l t a g e w h i c h c o r r e s p o n d sw i mr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h ed i a g n o s e so f c a s c a d e di n v e r t e r sw h i c hh a v eas w i t c h so p e nc i r c u i t f a u l ti sr e s e a r c h e d ，a n da d i a g n o s e sm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em e t h o di ss i m p l ea n dc o r r e c t ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o n f o rf a r t h e rr e s e a r c h i n gt h er e d u n d a n c yo f c a s c a d e di n v e r t e r s k e y w o r d s ：c a s c a d e d ，i n v e r t e r s ，s p w m ，o u t p u tv o l t a g el e v e l s ，d i a g n o s e so fo p e n c i r c u i tf a u l t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：坠壶 日期： 2 。l ! ； 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 可关断晶闸管 场效应晶体管 正弦脉宽调制 总谐波含量 数字信号处理 输出滤波电感 输出滤波电容 输出滤波电感电流 级联逆变器输出调制电压 正弦参考波 三角载波1 、2 三角载波1 、2 的幅值 三角载波的频率 输出电压反馈 基准正弦波 基准正弦波的幅值 电流基准信号 电流误差信号 幅度调制比 正弦参考波幅值 三角载波幅值 输出电压基波幅值 级联逆变单元数目 输出电压电平的阶次 陋 m 懈誊|珊卿母g谚蛐 w帆疗v u u咕旬m 。 级联犁逆变器的s p w m 控制及开路敌障诊断技术 电流调节器比例系数 输出电压反馈系数 电压调节器比例系数 电压调节器积分常数 电感电流反馈系数 逆变器的静差 输出电压“。的幅值 电流误差信号e ，的幅值 电感电流屯的幅值 电感电流反馈切的幅值 电流基准信号t 的幅值 负载阻抗角 电感电流 l 与输出电压“。之间的夹角 调制电压翰e 与输出电压“。之间的夹角 电流基准信号毫与电流误差信号e i 之间的夹角 额定输出功率 输出电压有效值 逆变器等效输出阻抗 逆变器等效输出阻抗的实部 逆变器等效输出阻抗的虚部 逆变器阻性负载 滤波前输出电压中第n 次谐波的电压幅值 滤波后输出电压中第n 次谐波的电压幅值 基波频率 输出滤波器的谐振频率 岛b l 磅6 b n面名伊驴d驴 凡z 尼西r 五厶 南京航空肮天大学硕+ 学位论史 i 、v 1 、v 2 i z n f 占 a e q b m 世。 8 1 1 、s j 2 s i 、s i 2 级联逆变单元1 级联逆变单元2 级联逆变单元1 的输入电流 级联逆变单元2 的输入电流 输出滤波电感气隙 磁芯有效面积 磁：矗窗口面积 磁一占最高工作磁密 磁芯窗口系数 逆变器的各个功率管 逆娈器的各个功率管的驱动信号 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 11 高压大功率技术的发展 近年来，高压大功率变换器被广泛地应用在各种电气装置中，如：工业、 医学x 射线成像、雷达、电力、船舶、卫星和运输等l 3 0 1 。随着工业和科学 技术的发展，用户对电能质量的要求将越来越高，所以提高电力电子变流装置 的功率容量，改善其输出性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一。对于 d c a c 变换的逆变器，我们在提高装置的功率容量的同时，迫切希望能减小逆 变器的输出谐波，调节逆变器的输出波形，减小变流装置对电网的谐波污染， 同时实现装置输出的可调节性 4 】。 由于大功率器件的工作频率比较低，如可关断晶闸管g t o 的最大工作频率 在几k h z 左右，这样会使得逆变器输出波形的谐波次数比较低，为得到质量高 的波形，就必须加上较大的输出滤波器，从而增加了逆变器的体积重量，所以 大功率应用场合一般不使用单台逆变器拓扑，而通过多个逆变单元或较低容量 定额的器件串联或并联来实现。具体的实现方法主要有以下几种方式： 1 1 1 1 逆变器的并联技术 多个电源模块并联实现扩容，可大大提高系统的灵活性，使电源系统的体 积重量大为降低，各个模块处于均流运行时，其主开关器件的电流应力也可大 大减少，从根本上提高可靠性、降低成本。并联的原理示意图如图1 1 。目前的 并联控制策略主要有：主从控制、平均值控制、基于有功、无功功率调节、电 压和频率的下垂控制、瞬时调制控制技术等几种方法i5 1 ，这些控制方法多半比较 复杂，而且实现起来通常要借助于数字控制技术，使得可靠性降低，成本提高。 1 1 1 2 多重叠加法与阶梯波合成技术 多重叠加就是把几个输出电压为方波的逆变器，按照一定的相位差叠加起 来，使输出电压所含的某些低次谐波互相抵消，就可以得到更接近于正弦波形 的阶梯波，需要指出的是，这些方波必须频率和波形都相同( 幅值可以不同) 7 1 。 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 原理示意图如图1 2 。多重叠加法可以改善输出波形，方法简单，扩容方便，但 同时存在以下一些问题 6 1 ： ( 1 ) 输出变压器的体积重量较大； ( 2 ) 变压器损耗约占整个系统总损耗的一半； ( 3 ) 采用纯方波叠加导致调压很困难，不能实现闭环控制。 圈1 ，l 逆变器的并联示意图 图1 2 逆变器的多重叠加示意图 1 1 1 3 输出直接串联的级联型逆变器技术 南京航空航天大学硕士学位论文 e e e 图1 ，3 输出直接串联的级联型逆变器的示意图 多重叠加法的特点是扩容方便，但当采用纯方波逆变器叠加时调压很困难： 而正弦脉宽调制s p w m 法调压很方便，但扩容很困难1 7 j 。因此为了使调压和扩 容都很方便，应该选用多个s p w m 逆变器进行多重叠加，即s p w m 和多重叠加 的联合应用。这点在中、大型逆变器中得到了广泛应用。如图1 3 ，当采用具有 独立直流电源的单相全桥逆变器时，就可以不用输出变压器，而采用直接串联 叠加的方式，这样的叠加方式还可以解决高压大功率逆变器开关器件串联应用 时的均压难题。 1 1 2 冗余技术 所谓冗余供电技术指的是供电系统或者供电设备具有一套以上能完成给定 功能的单元，只有当规定的几套单元都发生故障时系统和设备才会丧失功能。 冗余供电技术是供电系统或设备获得高可靠性、高安全性和高生存能力的重要 没计方法之，是实现容错功能的重要手段【3 2 】。 由于级联型逆变器结构和控制的复杂性，增加了器件发生故障的可能性， 降低了电路运行的可靠性。因为级联型逆变器多应用于风机、电力变换等一些 重要场合，一般要求系统能够连续运转，不能随时停机，如果电路中的某个部 分发生故障后得不到及时的处理，将会产生严重的后果。 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 目前，国内外对如何处理级联型逆变器单元故障的研究还很少。有些公司 采用了旁路方法，即把故障的逆变单元脱离主电路。另外一些公司，采用带电 热插拔技术( 1 一l o ts w a p ) ，其目的是为了系统不停机更换故障单元。这些方法 存在以下问题： ( 1 ) 高压大功率变频器级联单元的带电插拔，对操作人员人身安全有一定 的危险。 ( 2 ) 从级联单元出现故障到备用单元的投入，需要一定的时间。这段时间 内，如果不采取相应的控制策略，有可能造成电机不对称运行，增加损耗，也 有可能进一步损坏变频器瞵j 。 而冗余技术的前提是故障诊断，包括故障检测和故障定位，即能根据检测 到的各种故障的故障特征，确定故障源的位置。目前逆变器主电路故障诊断方 法包括：1 仿真分析方法、2 基于知识的故障诊断方法、3 基于模型的故障诊断 原理、4 基于神经网络的故障诊断方法。由于基于仿真分析的方法便于获得各 种故障模式下的输出特征，为实际系统的故障诊断提供先验知识和依据。而后 面的三种诊断方法在一定程度上依赖于仿真分析方法所获得的故障输出特征， 而且由于人们知识或经验所限，未必会把所有故障都包含在知识库里，所以， 仿真分析方法是一种比较好的故障诊断方法【1 2 】【1 3 】。本文将用仿真方法来分析级 联型逆变器中功率管发生开路故障时的故障特征，再根据这些故障特征来定位 具体的故障源。 1 1 3 级联型逆变器的控制技术 级联型逆变器的控制技术主要有两种，即三角载波调制和空间矢量调制技 术，对于载波调制方法，目前研究较多的有a p o d ( a l t e r n a t i v ep h a s eo p p o s i t i o n d i s p o s i t i o n ) 、p d ( p h a s ed i s p o s i t i o n ) 、p o d ( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ) 和 p s ( p h a s es h i f t e d ) 四种实现方法【l 4 1 。这四种载波调制方法的调制图分别如图1 4 所示。为了得到五个电平的输出电压，则需要四个三角载波，对于a p o d ，这四 个三角波相位彼此相差1 8 伊，而p d 中所有的三角载波都同相位，在p o d 中， 位于时间轴上方和下方的两路三角载波同相位，这三种载波调制方法的四路三 角载波都是在纵轴( 幅值轴) 上彼此相连，而p s 是在横轴( 时间轴) 上彼此相 差3 6 0 。( n 1 ) 。当三角载波与正弦参考波的频率比比较高时，这四种载波调制 方法，在降低输出电压谐波程度方面没有实质性的差别【1 1 。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 一。 一： ( a ) a p o d 一、 ：泌弼： ( c ) p o d 一、 一： ( b ) p d 徽冷、 一： ( d ) p s 图1 4 级联型逆变器的载波调制法 对于电压空间矢量调制方法，当级联的单元数目为n 时，文献b 6 提出，把 给定的合成电压矢量分成n 个幅值相同、彼此相差一定角度的小矢量分别进行 实现。这种方法需要进行复杂的计算，并且对于一个合成矢量需经过n 个周期 才能完成输出。文献b s 提出把五电平分成两个三电平的组合，由于三电平已经 有较成熟的控制方法，可以直接利用，但这种方法不具有通用性，对于五电平 以上的系统，分析起来比较复杂 1 4 】。 以上分析的都是级联型逆变器的传统对称结构，即每个级联单元直流侧电 源电压( 或整流桥输出电压) 都相等，这种结构有利于实现模块化，但同时也 限制了输出电压的电平数目。在不对称的级联型逆变器结构中，若每台级联单 元输入电压符合一定的变比( 不等于1 ) ，可以提高输出的电平数，而对于同样 的s p w m 控制方法来说，提高电平数，就可以降低输出电压的谐波，从而可以 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 降低输出滤波器的体积和重量；另一目的是为了考虑某台级联单元发生故障后， 剩下的模块能否输出正常的电压大小和谐波，即级联单元故障后的输出电压品 质问题。对于有多个级联单元串联而成的不对称结构，本文对上面提到的载波 调制方法a p o d 、p d 或p o d ，提出了合适的逻辑控制方法，使得不对称的级联 型逆变器输出电平数比对称结构更多，从而输出电压的谐波更低。 1 2 本文研究内容 本文主要研究了级联型逆变器的级联单元输入电压对输出电平的影响以及 当某一台级联单元出故障后，为了保证正常的输出( 即输出电压基波不变，谐 波变化不大) ，而采用的控制方法。同时还初步研究了级联型逆交器的单个功率 管开路故障的诊断。全文共五章。 第一章介绍了课题的背景，包括高压大功率拓扑的发展、传统级联型逆变 器的控制方法冗余技术的现状，本文的研究内容与意义。 第二章介绍和分析了级联型逆变器的电流s p w m 控制原理，并对系统的输 出阻抗、外特性、多次交截现象和输出滤波器的设计进行了分析。 第三章分析了级联型逆变器输入电压对输出电平的影晌，提出级联型逆变 器在不同输入电压情况下的s p w m 控制方法和参数设计，并分析比较了不同电 压下的输出电压的谐波特性，给出仿真波形和实验波形。最后给出了硬件电路 设计、控制电路和驱动电路的工作原理进行了分析。 第四章初步研究了级联型逆变器的单个功率管开路故障的诊断，即当级联 型逆变器有一功率管发生开路故障时，通过检测相应的故障特征，可以诊断出 发生开路故障的功率管，最后给出了仿真波形。 第五章对本文的研究工作进行了回顾和总结，并提出了进一步的工作设想。 1 3 本文研究意义 为了便于实现模块化，传统的级联型逆变器的每个级联单元的输入电压均 相等，但这样同时也限制了输出电平的数目，当采用不同输入电压时，可以输 出更多的电平，从而减小输出电压谐波。针对级联型逆变器中某一个功率管发 生开路故障的情况，提出了一种故障诊断方法，仿真证明该方法比较容易实现， 诊断结果正确，为实现级联型逆变器的冗余功能打下了基础。 南京航空航天大学硕士学位论文 引言 第二章工作原理 本章介绍了级联型逆变器的拓扑特点，详细说明了级联型逆变器的电流 s p w m 控制原理，建立了s p w m 控制的级联型逆变器系统闭环框图，并对系统 的输出阻抗、外特性、多次交截现象和输出滤波器的设计进行了分析。 2 1 级联型逆变器拓扑 y i n l 图2 1 级联型逆变器拓扑 级联型逆变器是将每个全桥单元的输出串联起来，组成一个功率模块，其 串联方式有两种：一是通过变压器串联，二是直接串联。前者需要多个绕组的 变压器，使系统增加了损耗以及体积和重量；后者则需要独立的输入直流电源， 可以是电池、燃料电池和太阳能电池隔离的d c d c 输出等等。本文主要研究后 者。图2 1 为两台全桥逆变单元串联而成的级联型逆变器，每台全桥逆变单元 都有一个独立的直流电源，设严2 = e ，通过开关器件的开关的组合，每个 全桥逆变单元都可以产生3 个电平( e 、0 、一e ) 的电压，由于每个全桥逆变单 元的输出均串联，从而一起合成了级联型逆变器的输出电压波形，所以在a 、b 两点之间可以输出五个电平的电压，即，2 e 、e 、0 、e2 e ，比传统的三电平 逆变器的输出波形更接近于正弦波，这样只需加上较小的滤波器( 如图2 1 是 由l j , c ，构成的二阶低通滤波器) 就可以得到t h d ( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 很小的输出电压波形。该拓扑有以下特点： ( 1 )输出多电平的电压波形，具有较小的谐波，从而可以降低输出滤波器的 大小。易于封装，易于模块化。无需输出变压器，降低了系统的体积重 量以及损耗。器件应力小，每个单元由一路直流电源单独供电，所以不 存在电容电压不平衡问题。 ( 2 )另外两种多电平拓扑( 二极管箝位型和飞跨电容型) 所需的大量的箝位 二极管和箝位电容，为实现相同的电平数目，级联型多电平拓扑所需的 元件数量最少。 2 2 工作模态 级联型逆变器的工作模态如图2 2 所示。 ( a ) u a b = 2 e ，i l ? o( b ) 蝴矿2 e ，i 巧 o ( c ) u , 4 b = e ，吐户o( d ) u , 4 8 = e ，f 巧 o 南京航空航天大学硕十学位论文 ( e ) 蝴庐o ，赴户0 ( g ) u a z = ：e ，赴户o ( f ) 蝴萨o ，i l j o ( h ) u a b 2 e ，f l j 0f j ) 瑚一2 e ，i z y 0 图2 2 各开关模态的等效电路 根据u a b 的5 种输出电平( 2 e 、e 、0 、e 2 e ) 和电感电流i z f 的方向，每 种开关模态对应了2 种不同的工作状态，也就是说该变换器共有1 0 种工作状态， 如图2 2 所示。当然，其中某些输出电平对应的开关组合不止一种，例如e 和一e ， 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 这里为了下面分析方便，图2 2 中只给出一种丌关组合。 2 3 s p w m 控制 2 3 1 工作原理 对于级联型多电平的实现，本文采取了c a r r a r a 提出的消谐波p w m 控制 ( s u b h a r m o n i cp w m ) ，如图2 3 ，对于一个电平逆变器，有一t 个相同频 率、相同峰峰值的三角载波与一个共同的正弦参考波交截。为了使一1 个三角 载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波带对称分布于 零参考的正负两侧 1 ”。正弦参考波，连续地与三角载波7 川、”m 进行l k , 较，当 正弦参考波比三角载波高时，则开通相应的开关管，反之则关断相应的开关管。 实际中，为了简化电路，采用了相位正好相差1 8 0 度的两路正弦参考波与位于 时间轴上方的三角载波交截，这样就可以节省掉位于时问轴下方的两路三角波 的产生电路，可以看出，这种方法调制效果相当于第一章1 1 3 节中提到的p o d 调制方法。 筮铰娥粼滋游献粼。 蠢：。i 受薹崔誉、：、迫薹囊? x 0 几门几r n ” 一 ：。一。 _ r 几nnnr | 。 一。 。=s + 0 几n n 1 7 0 。 l n 门一几几n r _ 。 1 7 1 一一 几 一 j 一。 7m，1l一_ | 1 1 。： + i - i 一i 1 1 - i i j 。i ，。 知1 - 。 几眇卿h ：! 。 。u 怖1f 1 几一一一 图23 级联型逆变器s p w m 控制原理图 南京航空航天大学硕t 学位论文 图2 3 为级联型逆变器s p w m 控制原理图，图2 4 为电流s p w m 控制的逆 变器框图。输出电压反馈v ，和基准正弦波的瞬时值误差形成调节信号，通过 p ，调节后作为电流基准名，电流基准毛和滤波电感电流；l ，的误差信号再经过p ， 调节产生的电流误差信号e ，与三角载波交截后产生s p w m 开关信号，送入功 率单元形成s p w m 调制电压“朋。电压瞬时值外环可以保证逆变器在各种负载 情况下均具有良好的输出波形，而内环采用电感电流反馈具有良好的抗短路能 力【1 8 】。 图2 4 电流s p w m 控制的逆变器框图 2 3 2 系统传递函数 由文献 9 可知，只要载波比比较大，每周期中的脉波数较多，而调制比 m i ，即p ，则输出电压基波幅值n 。随调制比m 线形变化。改变调制比 地即可成正比地调控输出电压的基波大小，即： 矿 k m2 m 2 尹( 2 1 ) 其中，为输入电压，、k 。分别是参考波和载波的幅值，同理，级联型逆 变器的输出电压基波大小与调制比m 也有类似的关系，设级联单元数为n ，则： k 。= n - m ( 2 2 ) 只是此时的调制比m 与单台逆变器有点不同，是相对于整个级联型逆变器系统 而言的调制比，即： y m = ! l n 。 ( 2 3 ) 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 中，可以得到： vv u m 划蔽2 毒( 2 - - 4 ) 可以发现，s p w m 控制的级联型逆变器的输出电压基波大小和调制比m 的 关系式与单台逆变器s p w m 控制的关系式一样的，即这种关系与所选拓扑本身 并没有关系，而只与采取的s p w m 控制方法有关。 从图2 4 所示的系统控制框图可以看出，脉宽调制环节由p w m 信号形成和 功率电路组成，电流误差信号e ，与三角载波进行交截，生成p w m 信号，控制相 应的功率开关的通断，从而产生所需的输出正弦p w m 调制电压，即对这个脉宽 调制环节而言，输入信号是正弦控制电压，输出信号是等效正弦p w m 调制电压， 所以从电流误差信号到功率开关后面的输出可以直接等效为一个比例环节，比 例系数为： 爿：监：生( 2 - - 5 ) vv 这样，图2 4 的系统控制框图可以简化为图2 5 的传递函数框图，其中， 电压调节器采用的p i 调节，电流调节器采用的是p 调节，是基于使电流闭环后 系统阶次不变，不增加相角迟后，以利于电压环设计的考虑 3 1 1 。滤波器采用的 是l c 二阶低通滤波器，负载选用的是纯阻性负载r 。 图2 5 电流s p w m 控制的传递函数框图 根据图2 5 ，纯阻性负载时系统开环传递函数为： g o ( s ) = 丽k 甄a r k 。葡q 。7 。s4 - 1 s i r c l j s ：k , a k ，r c y + l s + i ( 2 6 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 其中，系统的开环增益为：世= i 西k 葺, a i r k 面v 丽( 2 - - 7 ) 纯阻性负载时系统闭环传递函数为： c 4 s ) = 器 k ! a r 眯，c ，s + 1 、 r v ，q 0 酽+ f ，( 0 + 尺c ，一岛磅) s2 + f 。( r + k , a k j ，+ 酏4 吒b ) s + r k , a ( 2 8 ) 2 3 3 电流误差变化率 电流调节器电路如图2 6 所示： 由图2 6 可以得到 图2 6 电流调节器电路图 口，= 七，( f g i 盯) 仁鲁 所以，基准电流可以表示为： e 1g 2 专q ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 为简化分析，这里忽略了蝴b 的谐波分量，只考虑其基波分量。设负载阻抗 角为0 ，电感电流i t 与输出电压“d 之间的夹角为妒，电流误差信号白与调制电 压u a b 同相，并与h o 的夹角为d ，与e i 之间的夹角为声，这样每个信号之间的 矢量图如图2 7 所示。 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 由图2 7 ，令 图2 7 电流矢量图 “。= u 。s i n c o t e = e is i n ( c o t + 口) i 吁= l vs i n ( o 甜+ i g = ，gs i n ( c o t + 1 8 0 。+ d + 矿) 础， 其中，u o ，e 。、办乓分别为输出电压、电流误差信号毋、反馈电感电流 蚧电流基准名的幅值。 由正弦定理，可以得蓟： 1 4 s i n l 叮 k ，s i n ( c a o 一) s i n ( c p d ) 则： 甜+ 西= a r c t a n k , i l js i n o j + t 厅= y 其中，k = m 1 、2 由式( 2 - 1 0 ) 两边求导可得： 鲁呐百d i g b 堕d t ) = - k f l g c o c o s 洄圳- k , k r n e 。f - b l o k 。s i n s i p n - 庐a ) i g c o s 似+ 川- k , k fn e 。- ，u o - ( 2 1 2 ) 南京航空航天大学硕士学位沦文 ：一女缸s i n ( o - ，a ) 一s ( c o t + y ) 一女k 竺兰 ( 2 1 4 ) s 1 1 3 0 。 l ， 所以， 随a e , ，咄叫s i n 咖( o - 痧a ) ”半| ( 2 - - 1 5 ) 其中， 表示输出电压电平的阶次，取值为：胛= o 、l 、2 由于电流s p w m 控制中，电流误差信号e ，与三角载波进行交截，当电流 误差信号变化率大于三角载波的变化率时，在一个周期内会发生电流误差信号 和三角载波的重复交截现象，从而导致功率管开关频率增高和输出波形畸变。 所以为了保证不发生多次交截现象，必须满足【1 0 ： 随 蚓 ( 2 1 6 ) 即： 一 r，、 一 e l 等产”等i 也鹏 ( 2 _ 1 7 ) 从上式可见，s p w m 控制中的多次交截现象与电流调节器比例系数k i 、电 感电流反馈系数置小输出滤波电感值厶，、三角载波幅值昕等参数都有一定的关 系，所以，这些参数的设计都要考虑这一点，以免发生多次交截现象。 为了验证以上分析的正确性，对几个参数取不同值进行了仿真。仿真参数 为：两台级联单元，每台输入电压e = 9 0 v ，输出为u o = 1 1 5 v 4 0 0 h z ，负载为 阻性负载，额定功率p 。= 5 0 0 w ，凰= 7 5 ，f 。= 1 5 u s ，上严2 6 0 u h ，g = 1 0 u f ， 三角载波幅值叻y = 叻? = 2 5 v ，频率办= 1 8 k h z 。仿真波形如图2 8 所示。其中， 图2 8 c a ) 表示电感电流反馈系数尹0 3 不变，电流调节器比例系数岛从1 变为2 时的仿真波形：图2 8 ( b ) 表示电流调节器比例系数岛= 1 不变，电感电流反馈系数 b 从0 3 变为o5 时的仿真波形。 从图2 8 可以看出，在其它参数均相同的条件下，电流环比例系数k i 、电感 电流反馈系数大到一定程度，就会使系统发生多次交截现象，与公式( 2 - - 1 7 ) 相一致，从而证明了以上理论分析的正确性。 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 k ，= 0 3 k = 2 芷，= o 3 k r = l ( a ) k l 变化对多次交截的影响( b ) 幻变化对多次交截的影响 图2 8 多次交截现象的仿真 2 3 4 系统输出阻抗分析 k f = 0 5 k ：1 k ，= 0 3 k ：i 设逆变器空载时的输出电压为u o ( s ) ，带阻性负载r 时的输出电压和电流分 别为u o l ( s ) 和i o l ( s ) ，定义逆变器等效输出阻抗为z = r + 工磷，则有下式成立： u 。( s ) = u 。( s ) 一，“( s ) z u “( 妁2j “ ) r 则由式( 2 8 ) 、( 2 - - 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 可解得： ，t ，l | s | 七t v a k , j s 6 一f 。c ，0 s3 + f ，c ，a k , k , j s 2 + f ，( 1 她k 。k v ) s 咄a k v 将s = ，珊代入上式，并最终化简得到： 。r 。，2 a k ，( f ，c ，k f 2 一k 4 ) + r ，2 k 。b 国2 ( 1 + a k 。k 。七矿一c j ，2 ) ( a k 。七，一f 。c a k , k 2 ) 2 十r 。2 c 0 2 ( 1 + a k , k ，k 旷一c ：l ，丘，) 2 x = ( 2 一1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 垒竺：堡：堡竺! 二垒里! ! ! 竺：! 尘：圭! 竺：! ! 兰! ! ! ! ! 坚二! ! ! ! 竺! ( a k 。k 矿一f 。c ，a k ，k 2 ) 2 + f 。2 2 ( 1 + a k ，k ，七叫一c ，2 ) 2 ( 2 2 2 ) 带阻性负载r 时的输出电压有效值为 6 南京航空航天大学硕士学位论文 ：f 一丝拿一i ( r + r ，) 2 + 置2 ( 2 2 3 ) 2 35 系统外特性分析 外特性是衡量逆变器性能的一个重要指标，逆变器的外特性越硬，逆变器 输出电压受负载的影响越小，即逆变器从空载到满载过程中输出电压的变化量 越小。 如图2 5 ，当输入量v ，= u ，s i n 耐时，系统输出的稳态分量为 “。= u ，i g ( j o ) l s i n ( 耐+ c r ) ，其中，盯= 1 8 0 0 一口一庐，由公式( 2 - - 8 ) 得到，空载时 瓯( j c o ) i = ( 七，a k ，f ，脚) 2 + ( t 4 ) 2 、q 2 2 ( 1 + _ j ，a k 。k 旷- c j l ，2 ) 2 + ( 七，a k 旷一彳，c ，k , a k 扩瑚2 ) 2 在阻性负载条件下 陋( ，叫= ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 从上式可以看出，系统输出电压的幅值与墨、凰、a 、r 、f 。等参数均有关系 定义逆变器的静差为2 0 1 ： 艿：u o ( o o ) - u o ( r ) u 。( 。) ( 2 2 6 ) 其中，u 。( o o ) 、u 。( r ) 分别为空载时、阻性负载r 时的输出电压。 则，由式( 2 - - 8 ) 可得： j=哗羰产小网gr(jco)小巧(2-27)(jco) g 陬1l 。( ，) l 4 其中， 矿2 一 f v 2 0 3 , 2 ( 1 + 后，爿氏七一c s l o - 2 ) 2 + ( k j a k f f ，( 了七f b 印2 ) 2 f 以1 + 华州一c f l f o ) 2 ) 2 + 刚1 每蚂t 舭：) 】2 ( 2 - - 2 8 ) 级联型逆变器的s p w v l 控制及开路故障诊断技术 为了分析各种参数对外特性的影响，让且、f ，、岛、锄、磅、l i 、c ， 八个参数中某一个发生变化时，其它参数均保持下面参数不变，可以分别得到 系统静差j 随各个参数变化的曲线，如图2 9 所示。其中，各参数如下：r = 2 7 q k v = 7 5 ，r ，21 5 u s ，岛21 ，铲0 0 3 l ，铲0 4 ，l f = 2 6 0 u h , 皆1 0 u f 。 ( a ) 6 随阻性负载r 变化的曲线( b ) 6 随b 变化的曲线 ( c ) 6 随f ，变化的曲线( d ) 占随岛变化的曲线 南京航空航天大学硕士学位论文 蹦 ( e ) 占随拉他的曲线 瞄 ( f )占随t 废化的曲线 ( g )j 随三蓬化的曲线 ( h ) d 随c ，变化的曲线 图2 9 系统静差占随各个参数变化曲线 从上面的曲线图可以看出，阻性负载越大，即r 越小，静差j 越大，输出电 压越低。在相同的负载条件下( 阻性满载5 0 0 w ) ，电流调节器比例系数岛和电压 反馈系数岛触大、电压调节器积分常数f ，和电流反馈系数岛越小，由公式( 2 - - 7 ) 知，系统开环增益越大，系统跟踪误差越小，跟踪精度越高，所以静差占越小， 系统外特性越硬。电压调节器比例系数列遗大，由公式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 可 得，r ，先变大后变小，而x 一直变大，最终导致公式( 2 2 3 ) 中的输出电压有 效值【先变小后变大，所以，静差d 先变大，后变小。滤波电感三，越大、滤波 电容c 脑小，则输出阻抗越小，所以公式( 2 - - 2 3 ) 中的输出电压有效值既。越大， 则静差j 越小，系统外特性越硬。 2 4 输出滤波器设计 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 输出滤波器的设计应该满足以下要求： ( 1 ) 满足要求的输出波形失真度指标： ( 2 ) 为防止发生多次交截现象，必须满足式( 2 - 1 7 ) 的要求： ( 3 ) 减小系统的无功电流容量，避免逆变器功率管的通态损耗增加，整机效 率降低； ( 4 ) 减小逆变器的输出阻抗，提高输出电压的精度； ( 5 ) 限制负载短路时的电流上升率； ( 6 ) 提高滤波器的谐振频率，使滤波器的体积、重量较小。 2 4 1 谐振频率的确定 谐波频率( h z ) 图2 ，1 0 级联型逆变器s p w m 输出波形频谱图 图2 1 0 是两台单元构成的级联型逆变器s p w m 输出波形频谱图，可以看出， 其输出波形主要含有基波、载波、载波的倍数次谐波、载波及载波倍数次谐波 的边频谐波。令u i n 、u o n 分别为滤波前、后输出电压中第挖次谐波的电压幅值， 则它们应该满足【2 2 1 ： 南京航空航天大学硕士学位论文 v o =( 2 2 9 ) 其中，五、兀2 五了专亏分别为基波频率、输出滤波器的谐振频率。 由于载波频率处的谐波幅值最大，所以是滤波器重点要滤除的对象，为了 保证滤波后输出电压t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 比较小，必须让载波处谐 波幅值与基波幅值之比也比较小，比值设为k ，即： u 。 u 。 = k ( 2 - - 3 0 ) 将图2 1 0 中的载波处谐波幅值、基波幅值代入上式，可以得到： f o ：1 尝( 2 - - 3 1 ) 。1 而 为使得t h d 巫互j n e 匦- u o 西( 2 - - 3 2 ) k ，k rs j j l 妒。 同时，滤波电感越大，电感电流的脉动值越小，但电感上的基波压降越大， 系统的动态性能越差；减小滤波电感，可以改善系统的动态性能，减小体积， 但电感电流的脉动增加输出电压的失真度变大，而且同时增加了电容值，增 加了系统的无功电流容量，损耗增加，效率降低【2 3 1 。 综合考虑以上各个方面，通过仿真比较，对于一定的滤波器谐振频率二= 3 1 5 k h z ，选取滤波电感轳0 2 6 u h ，滤波电容c ，= 1 0 u f 。 级联型逆变器的s p w m 控制及开路故障诊断技术 2 5 本章小结 本章首先对电流s p w m 控制的级联型逆变器工作原理进行了分析，然后分 析了各种参数对系统多次交截现象、外特性的影响，最后给出了输出滤波器的 设计方法，得到以下结论： ( 1 )电流误差信号的斜率大于载波斜率时，闭环控制为了维持输出不变，即 占空比不变，于是多交截了几次，这样会导致输出电压的畸变，并且增 加系统的开关频率，使得效率降低，所以系统参数的设计必须遵循一定 的原则，才能避免多次交截现象。 ( 2 ) 外特性是系统重要的性能之一，阻性负载越大，静差j 越大，输出电压越 低。在相同的负载条件下( 阻性满载5 0 0 w ) ，电流调节器比例系数k ：越大、 电压反馈系数墨盛大、电压环积分常数f 。越小、电感电流反馈系数墨，越 小，则静差万越小。系统外特性越硬；电压环比例系数墨越大，则静差j 先变小，后变大；滤波电感礞蕴小、滤波电容c ，越大，则静差6 越大，系 统外特性越软。 ( 3 ) 采用s p w m 控制只能消除系统的低次谐波，仍然存在着大量的高次谐波， 所以必须加上低通滤波器，才能获得正弦度很好的输出波形，本章先分 析确定了滤波器的谐振频率，然后通过仿真比较不同的l s , c ，取值对系统 t h d 、动态性能、多次交截现象的影响，最后选取合适的l t , c 艟。 南京航空航天大学硕士学位论文 引言 第三章级联型逆变器输出电平的研究 由于级联型逆变器输入电压会影响输出电平的数目，所以本章详细分析了 输入电压相等和电压不相等( 成倍数关系) 两种情况下，功率管驱动逻辑信号 的设计和实现，并给出仿真与实验结果，分析比较了两者的优缺点。最后给出 了硬件电路设计。 3 1 级联型逆变器输出电平与输入电压的关系 对于一个由m 个逆变单元级联而成的级联型逆变器而言，如图2 1 所示， 若每台逆变单元的输入直流电压相等，则可以输出电平数为2 m + 1 的电压波形， 就级联型逆变器而言，通过采用每台级联单元输入直流电压不等的方法，可咀 提高输出电平的数目，从而可以大大地提高输出波形的质量。如果每台逆变单 元的输入直流电压之间的变比满足口4 1 ： 旦：业型二! ! r ，一1 、 屹( + i 】”，一1 其中，i = 1 , 2 ，m l ，行，表示第f 个级联单元能够输出的电平数，那么，整个级 联型逆变器的输出电平将达到最大值，即 n = f i h ， ( 3 2 ) 悼1 例如两台级联的逆变器，若满足k l = 3 k 2 ，将输出最多电平为9 的电压波形， 但同时须注意单台输出极性和总输出电压极性相反的级联单元，其电源应具备 能接受灌电流的能力2 5 1 1 2 6 1 ，对于不能接收灌电流的电源装嚣或设备，如燃料电 池等，应降低每台级联单元输入电压的变比，使每台级联单元的输出极性与总 输出电压的极性相一致，这样级联型逆变器的输出电平数会相应地减少，但仍 然具有较好的波形质量。虽然当电感电流与电容电压不同相时，逆变器仍然向 前级回馈能量，但较之输出最多电平时，回馈能量会小很多，而