（电力电子与电力传动专业论文）三电平变换器svpwm关键技术研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ek e yp r o b l e m so fs v p w m f o rn p cc o n v e r t e r s a b s t r a c t t h en e u t r a lp o i n tc l a m pt h r e e - l e v e lc o n v e r t e rh a se m e r g e da sav e r yi m p o r t a n ta l t e m a t i v e i nt h ea r e ao fh i g h p o w e rm e d i u m - v o l t a g ee n e r g yc o n t r 0 1 i th a sm a n ya t t r a c t i v ef e a t u r e s f o rh i g h p o w e re n e r g yc o n t r o l ，s u c h a sl o w e rw i t h s t a n dv o l t a g el e v e lf o rp o w e r s e m i c o n d u c t o r s ，e x t r e m e l yl o w e rd i s t o r t i o no fo u t p u tv o l t a g ec o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l t w o 1 e v e lc o n v e r t e r s b u ti n o r cs w i t c h e sa n dc o n t r o ld e m a n dc a u s ec o m p l i c a t e dc o n t r o l m e t h o d s ot h ep w mc o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h r e e - l e v e lc o n v e r t e r s t h r e ek e yp r o b l e m so fs v p w mf o rt h e e 1 e v e lc o n v e r t e r sa r em a i n l yf o c u s e si n t h i s a r t i c l e ，i n c l u d i n gs i m p l i f y i n gs v p w m ，b a l a n c i n gn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a la n dd e s i g n i n g v e c t o rg e n e r a t i o n t h et r e ep a r t sa r eb a s e do ni n t r o d u c i n go p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h r e e l e v e l c o n v e r t e r s ，a n dt r a d i t i o n a ls v p w ma l g o r i t h m t h ep a p e rp r e s e n t sas i m p l et h r e e - l e v e l s v p w ma l g o r i t h mw i t hr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o rd e c o m p o s i t i o n ，a v o i d i n gc o m p l e xa n d t i m e c o n s u m i n gc a l c u l a t i o n so f t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m s n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lu n b a l a n c e i sa ni n h e r e n tp r o b l e mi nn e u t r a lp o i n tc l a m p e dt h r e e - l e v e lc o n v e r t e r s ad e t a i l e da n a l y s i s b yv e c t o r sa n dn e u t r a lp o i n tc u r r e n ta b o u tt h er e g u l a r i t ya n dp r i n c i p l eo f t h ep r o b l e mi s p r e s e n t e d t h e ns o m ec o n t r o lm e t h o d so ft h en e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l a r es t u d i e d a n da n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gc o n t r o lm e t h o dw i t hb a l a n c i n gf a c t o ri sp r o p o s e di nt h e p a p e r , w h i c hi sa p p l i c a b l ef o rt h es i m p l ep w m a l g o r i t h m i nt h em e t h o d ，t h eb a l a n c ec a l l b ep e r f e c t l yc o n t r o l l e db yt h eb a l a n c i n gf a c t o r o t h e r w i s e ，a ni d e aa b o u tav e c t o rg e n e r a t o r i sd e f i n e df o ri m p l e m e n t i n gs v p w mo ft h r e e - l e v e lc o n v e r t e r s a n dt h e n ，t w os c h e m e so f v e c t o rg e n e r a t i o na r ec o m p a r e df o rs e l e c t i o n t h es i m p l et h r e e l e v e ls v p w ma l g o r i t h ma n dt h es t u d i e db a l a n c i n gm e t h o d sa r ea l l s i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n k t h em a j o rs u b j e c ti sc o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e n tb a l a n c i n g s c h e m e s t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es t r a t e g yb a s e do nt h eb a l a n c i n gf a c t o ri so u t s t a n d i n gi n t h em e t h o d s f o l l o w i n gt h ec o n c l u s i o n ，a l le x a c ta n dm i n u t ea n a l y s i si sp e r f o r m e df o rt h e s t r a t e g yb a s e do nt h eb a l a n c i n g f a c t o ri nt h ep a p e r h lt h ee n d a1 5 k wp r o t o t y p ei sd e s i g n e df o rat h r e e l e v e li n v e r t e r t h ec o n t r o l l e r s e l e c t sav e c t o rg e n e r a t o rb a s e do nd s et h es i m p l ea l g o r i t h ma n db a l a n c i n gm e t h o d sa r e a p p l i e di nt h ee x p e r i m e n t sf o rv e r i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o n t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wi n t h ea r t i c l e ，a n dv e n f yt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e ：c t i v e n e s so ft h eg l o b a la l g o r i t h ma n dt h e c o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：n e u t r a lp o i n tc l a m pt h r e e 1 e v e lc o n v e r t e r s ，s p a c ev e c t o rp w m m o d u l a t i o n ， n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n g ，v e c t o rg e n e r a t o r 插图清单 图1 1 三电平s h e p w m 一2 图2 1 三电平逆变器主电路拓扑结构6 图2 2 三电平逆变器a 相电流流通路径8 图2 3 三电平空间电压矢量分布图9 图2 4 参考电压矢量在空间矢量图中的轨迹1 1 图2 5 、蚝合成诈。f 1 1 图2 6 利用日和lv f l 判断v 托f 所在区域1 2 图2 7 利用、判断碍。f 所在区域1 3 图2 8a 1 区开关状态输出顺序1 6 图2 9 参考矢量所在扇区判断1 7 图2 1 0 传统s v p w m 算法控制时输出波形1 7 图3 1 规则采样法和统一电压调制法的关系2 0 图3 2 三电平空间矢量图的简化2 0 图3 3 六边形区域判断2 l 图3 4 三电平空间矢量分解2 2 图3 5 两电平空间矢量图2 3 图3 6 输出开关状态时序图2 4 图3 7 三电平简化算法示意图2 4 图3 8 载波层叠p w m 原理图2 5 图3 9 载波周期中s p w m 脉冲示意图2 6 图3 1 0 参考电压矢量所在区域判断2 7 图3 1 1 简化s v p w m 算法控制时输出波形2 8 图3 1 2 基波周期内三电平a 相s a l 和s a 2 驱动信号波形2 8 图3 1 3 不同逆变电路输出线电压p w m 波形及其频谱3 0 图4 1 三电平逆变器电流方向定义图3 3 图4 2 不同开关矢量作用时的等效电路图3 4 图4 3 第a 区空间矢量图一3 5 图4 4 基波周期各矢量占空比的变化3 6 图4 5 中矢量的权系数3 8 图4 6 小矢量的权系数3 9 图4 7 中点电位波动的可控区域4 0 图4 8 中点电位平衡控制电路4 1 图4 9 参考电压矢量所在的小六边形4 3 图4 10 n 1 区开关矢量输出时序图4 3 图4 1 l 空间矢量分区图一4 5 图4 1 2 直流侧等效模型4 6 图4 1 3 被动控制法控制结果4 9 图4 1 4 各种控制法控制效果比较5 0 图4 1 5 各种控制法相电压波形和线电压谐波比较5 l 图4 1 6 阻性负载下中点电位平衡控制仿真波形5 2 图4 1 7 阻感性负载下中点电位平衡控制仿真波形5 2 图4 1 8 m = l 时中点电位平衡控制仿真波形5 3 图5 1 矢量发生器模块5 4 图5 2 基于d s p 的矢量发生器硬件构成5 6 图5 3 矢量发生器算法总流程图5 7 图5 4 基于d s p + f p g a 矢量发生器的三电平逆变器系统构成5 9 图5 5d s p 中算法流程图5 9 图5 6 基于d s p + f p g a 的矢量发生器控制系统结构6 0 图6 1 三电平矢量发生的逆变实验系统结构图6 2 图6 2 三电平逆交器实验平台主电路图6 3 图6 3 光耦t l p 2 5 0 驱动电路6 4 图6 4 输出滤波器结构图6 4 图6 5d s p 资源配置图6 6 图6 6 直流电压采样通道6 6 图6 7 交流电流采样通道6 7 图6 8 短路过流保护检测插入位置6 7 图6 9 过流保护检测电路。6 7 图6 10 主程序流程图6 8 图6 1 1 中断程序流程图6 8 图6 1 2s v p w m 主算法程序流程图6 9 图6 1 3 两电平程序流程图6 9 图6 1 4 作用时间排序流程图6 9 图7 1 三电平逆变器实验平台实物图7 0 图7 2 各相驱动信号波形一7 1 图7 3 空载情况下相电压实验与仿真波形比较7 2 图7 4 空载情况下线电压实验与仿真波形比较7 2 图7 5 带负载情况下逆变器输出波形7 2 图7 61 5 k h z 下滤波后波形7 3 图7 7 各种中点电位平衡控制方法比较7 4 图7 8 平衡负载下实验波形7 4 图7 9 平衡控制后驱动信号波形变化一7 5 图7 1 0 不平衡负载下实验波形7 5 图8 1 z 源三电平逆变器7 9 图8 2 z 源三电平逆变器输入电压7 9 表格清单 表2 1 三电平逆变器a 相的有效开关状态7 表2 2 矢量分类表1 0 表2 3 扇区a 空间电压矢量作用时间1 3 表2 4 判断规则和矢量扇区关系表1 4 表2 5 仅声坐标系下扇区a 矢量作用时间计算1 5 表2 6a 区电压矢量输出顺序表1 6 表3 1 六边形中心矢量2 2 表3 2 两电平分矢量扇区位置判断条件2 3 表3 2 不同逆变电路输出线电压谐波含量( m - - 0 8 9 8 1 ) 3 0 表3 3 不同调制系数m 输出线电压谐波总畸变率比较3 0 表4 1 不同开关矢量对应的中点电流3 4 表4 2 中矢量的电流开关函数一3 7 表4 3 小矢量玩。系列的电流开关函数3 7 表4 4 小矢量蚝l 系列的电流开关函数3 7 表4 5 仿真参数4 9 表5 1 p w m x 和主功率电路开关管对应关系5 7 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：1 ：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e 巴王些叁堂 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 签字日期砂诉乃荔佰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 幽：些太堂有关保留、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，允许论文被查阅承l 借阅。本人授权盒罂! ：些厶堂可 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，可以采刚影印、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斤适川本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期7 矿瑶辱月 学位论文作者毕业后玄向： ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：m _ 1 0 壮f 月叫日 电酯： 邮编： 致谢 本论文是在导师张崇巍教授和张兴教授的精心指导下完成的。从课程学习、论文 选题到论文成稿，无不倾注了两位导师的大量心血。导师渊博的知识、开阔的胸怀， 令我高山仰止景行行止；导师宽厚慈爱的师长风范，诲人不倦的敬业精神，使我如沐 春风受益匪浅；导师严谨的治学态度、务实的工作作风，给我言传身教树立榜样。在 我生病期间，导师在繁忙的工作之余，依然给予我感怀亲切的、殷切诚恳的鼓励以及 细致入微的关心，帮助我顺利度过难关，恩师之情将永远铭记于心! 再此向他们致以 我最诚挚的敬意，表示深深的感谢! 衷心祝愿两位老师工作顺利，桃李天下! 另外还要感谢实验室岳胜老师，谢震、杨淑英、王庆龙、汪令祥几位博士，他们 对我学习和研究给予了无私帮助；感谢刘芳、袁祖慧、郭栋、唐杰、魏冬冬、何继光、 刘淳几位师兄弟，我们在一起共同讨论相互帮助，度过了两年多难忘的研究生活；感 谢我的师兄徐剑飞，他是我研究的引路人，带我进入课题的研究，他毫无保留的帮助 为我的工作带来极大方便；感谢师弟曹伟，在多次的讨论中给我启发，助我研究。在 此再次对他们表示由衷的感谢! 十八年多的求学生涯行将结束，也借此机会向十几年来关心过我、支持过我、帮 助过我的亲友、老师、同学和朋友表示诚挚的谢意。 最后，谨以此文献给我亲爱的家人：慈祥的奶奶、辛勤的父母和弟弟! 作者：苑春明 2 0 0 8 年1 月于合肥工业大学 第一章绪论 1 1 三电平变换器p w m 控制技术研究背景 近年来，在工业应用中对大容量功率变换装置的要求日益增加，如电力系 统中以高压直流输电( h v d c ) ，静止无功补偿( s t a t c o m ) 等为代表的柔性交流 输电技术( f a c t s ) ，以及以高压变频器为代表的大功率电机调速和大功率电源 装置等。以大容量调速系统为例，调速技术因为具有节约能源，提高效率，调 速范围大，精度高和动态响应速度快等优点，为工业生产带来了巨大的效益， 在电力、轧钢、造纸、矿山以及船舶和现代化电气机车等工业领域都得到日益 广泛的应用。目前的工业领域大容量传动系统中采用的大多数都是6 k v 和 1 0 k v 的高压电机，对高压大功率的变频调速器有着迫切的需求。高压大功率 变换器是大功率调速技术的一个核心的关键性问题【1 。5 1 。 由于电压和功率等级的提高，传统的两电平变换器已经很难满足这些应用 的要求。一方面由于器件可承受电压和电流能力的限制，使用二电平逆变器难 以直接实现高压大功率化；另一方面在高压应用中，二电平逆变器输出电压的 d u d t ：f i 大，在调速系统中有危害电机的绝缘，加剧轴承电流等问题。 1 9 8 0 年，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上 首次提出了中点箝位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p ) 三电平逆变器 6 】。它的出现为高 压大功率逆变器的研究开辟了一条新的思路，其后在高压大容量变换场合得到 了广泛的应用。通过对三电平逆变器拓扑结构的分析 7 1 ，国内外学者又提出了 各种不同结构l 1 , 7 - 1 2 j 的多电平变换器( m u l t i l e v e lc o n v e n e r ) ，如二极管箝位式 ( d i o d ec l a m p e d ) 、飞跨电容式( f 1 y i n gc a p a c i t o r ) 和具有独立直流电源的级 联式( c a s c a d e di n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e s ) 等。其主要目的是以尽量 多的电平输出来逼近理想的正弦波形，从而减弱输出波形中的谐波影响，在获 得高压同时，也减轻了器件上的高压应力。相对于传统的大容量逆变器结构， 多电平逆变器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合，成为电力电 子研究体系里的一个新的领域和重要分支。 然而，在三电平及多电平电路的研究和应用中，因为开关器件众多以及电 路自身问题，比如中点电位不平衡问题，所以需要对其开关状态进行合理控制。 而脉宽调制( p w m ) 控制技术随着电压型逆变器的应用越来越广泛已经逐渐成 为变换器研究和应用中的一个共性且核心技术，多电平变换器更是如此。 p w m 控制技术就是利用开关器件的开通关断把直流电压变成一定形状的 电压脉冲序列，以实现输出变频、调压并有效地控制和消除谐波的一种技术。 在传统两电平变换器p w m 控制技术中有包括载波调制法、谐波消除法和电压空 间矢量调制法等诸多成熟的p w m 方法【1 3 】。而这些p w m 控制思想也可以推广到 多电平变换器的控制中。 多电平p w m 控制技术是多电平研究的关键核心技术【1 4 , 1 5 】。但是多电平变换 器p w m 控制的目标多、性能指标要求高，其p w m 控制技术较复杂。然而，多 电平变换器是从三电平变换器结构中发展起来的，三电平变换器的研究是多电 平研究的基础，而且三电平变换器的p w m 控制技术相比之于其他更高电平的 p w m 控制技术要简单，但向更高电平拓展却相比两电平更方便。所以，研究和 应用多电平p w m 控制技术首先应先从三电平p w m 控制技术的研究做起。 综合上述介绍，开展对三电平变换器p w m 控制技术的研究具有重要的理论 意义和工程应用价值。 1 2 三电平p w m 控制技术的研究现状 三电平变换器的p w m 控制技术的研究，早期主要是集中在优化p w m 技 术 1 6 - 1 8 】上，典型的如特定谐波消除法该方法可以在有限开关频率下消除特定频 次的谐波，但实时计算困难，通常是用查表方式完成，数据存储量大；随着载 波调制技术在两电平变换器上的成熟，载波调制技术也从两电平逐渐移植到三 电平上，并发展出多种调制方法；上个世纪九十年代研究的中点转向了空间矢 量调制p w m 技术，它不仅改善载波调制中电压利用率低的问题，而且降低了 输出谐波含量，更具有算法灵活，实时性好等优点，故成为国际上最流行的p w m 控制手段，得到了广泛的研究。 ( 1 ) 特定谐波消除法 1 7 , 1 8 】 特定谐波消除法( 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 np w m ，s h e p w m ) 是根 据s p w m 调制后输出的电压波形，预先确定o t l ，a 2 ，a n 这n 个未知量角度， 傅立叶分解后，然后根据要消去的2 k + l ( k - - - 1 ，2 n ) 次谐波，列出n 个非线 性方程组。 用牛顿一拉夫逊迭代法求 解这个非线性方程组，解得a l ， a 2 ，a n 的值。微处理器根据 这n 个角度，发出脉冲去控制功率 管，得到理想的输出波形( 不含 有所消去的谐波) 。这种方法用于 三电平的调制波形如图1 1 。 特定谐波消除法( s h e p w m ) 的特点： 优点：在同样的开关频率下， 产生最优的输出电压波形，从而 减小电流纹波和转矩脉动，提高 整体性能：减小直流侧纹波，使 图1 1 三电平s h e p w m 直流侧滤波器尺寸减小；得到最低开关频率，减少开关损耗，提高转换效率； 2 通过调制得到较高基波电压，提高直流电压利用率。 缺点：用牛顿迭代法解一组非线性方程组，而且选取合适的初值是解法收 敛的必要条件，这就决定了运算要花费较多的时间，不利于在线计算，这是最 大的一个困难；若用“离线式 ( 离线计算后存于计算机) ，采用查表法存储开 关切换时刻，则需要芯片有较大的存储空间。 ( 2 ) 载波调制法【1 , 1 4 , 1 5 】 三电平载波调制( c a r r i e rp w m ) 方法主要是载波层叠法( c a r r i e rd i s p o s i t i o n p w m ) ，它是从两电平载波调制方法中直接扩展而来，是由两组频率和幅值相 同的三角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波，通 过调制波分别与两个载波的比较结果控制开关器件动作。根据三角载波之间相 位关系的排列不同，可以分为： ( 1 ) 同相层叠方式( p h a s ed i s p o s i t i o n ，p d ) ，即所有载波以相同的相位 上下排列叠加。 ( 2 ) 正负反相层叠式( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ，p o d ) ，这种方法是 使零值以上的载波相位和零值以下的载波相位相反。 上述方法推广到n 电平变换器既为n 1 个三角载波分别与调制波进行比较 1 6 1 。此外，多电平的载波调制p w m 技术又发展初交替反向层叠式( a l t e r n a t i v e p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ，a p o d ) 和载波移相法( p h a s es h i f tc a r r i e rp w m ) 。 载波调制法特点： 三电平的载波调制方法调制波为正弦波，实现简单，但是电压利用率低， 而且对于一些控制目标的控制如中点电位平衡的控制没有很好的考虑。 ( 3 ) 空间矢量调制法 2 肌”】 三电平及多电平空间矢量调制( s p a c ev e c t o rp w m ，s v p w m ) 法和两电 平空间矢量方法相同都是建立在空间矢量合成概念上的p w m 方法。它以三相 正弦交流参考电压用一个旋转的电压矢量来代替，通过这个矢量所在位置附近 三个相邻变换器的开关状态矢量，利用伏秒平衡原理对其拟和形成p w m 波形。 空间矢量调制方法在大范围调制比内有很好的性能，具有很小的输出谐波含量 和较高的电压利用率。而且这种方法对各种目标的控制相对容易实现。 从三电平及多电平s v p w m 的研究来看，其在整个多电平的研究中一直是 处于主导地位，研究也呈现出百花齐放的状态。传统的s v p w m 要判断空间矢 量所在的扇区和开关模式，实现起来非常复杂。因此，一些学者在如何简化开 关时间的计算方向进行研究并提出了各种简化算法，对这些算法综合来看，可 以分为两类方法：基于参考电压矢量分解的简化算法【2 5 。2 8 】和一种是基于坐标系 变换的简化算法【2 钆3 4 】。基于参考电压矢量分解的算法将参考电压矢量分解为基 矢量和两电平矢量，然后用类似两电平空间矢量的方法确定构成小三角形三个 顶点的基本矢量，以及计算对应的作用时间，避免了直接在三电平空间矢量中 3 进行选择计算，大大简化计算。坐标系变换的算法是基于一些学者认为参考电 压所选择的a p 正交坐标系是导致s v p w m 计算复杂的根本原因，因此将其坐 标改为非正交坐标系如6 0 。坐标系【2 9 - 3 2 或1 2 0 。坐标系【3 3 , 3 4 1 下进行矢量合成和 作用时间计算，可以避免复杂的三角函数的运算。此外，根据一些其它因素考 虑对空间矢量调制算法的改进，比如为了抑制窄脉冲问题而将三电平空间矢量 图每个扇区作1 5 个区间划分方法1 3 5 ，为了降低开关损耗功率密度而将矢量作用 顺序随机化的随机p w m ( r a n d o m i z e dp w m ) 方法 3 6 】等等。 1 3 三电平s v p w m 控制目标 三电平变换器s v p w m 控制技术算法复杂的一个重要原因是由于它的控制 目标较多，除了需要保证输出电压与参考电压一致，即变换器输出的脉冲序列 在伏秒意义上与目标参考波形等效外，还要对变换器本身的运行状态进行控制， 其主要的控制目标如下： ( 1 ) 开关顺序优化控制【2 3 , 3 8 - 3 9 开关顺序优化是为了优化开关频率，减 小开关动作次数，降低开关损耗。对于三电平s v p w m 调制有2 7 个开关矢量可 供选择，远多于两电平的8 个矢量，这给合成参考矢量提供多种可能性的同时也 给控制带来了复杂性。因为三电平电路大多工作在大功率场合，开关器件动作 造成的损耗与发热是一个非常严重的问题，如何对输出开关状态进行合理的选 择及优化，成为降低开关损耗，使设备有效运行的条件。 ( 2 ) 中点电位平衡控制2 1 ，2 3 - 2 4 ，2 7 2 8 ，3 4 ，4 0 一5 4 1三电平变换器利用直流母线上 的电容等分直流侧电压，同时起着滤波和支撑作用。中点电位的不平衡是三电 平电路的一个固有问题，如果中点电压大幅变化，则会使开关器件承受的电压 超出其耐压范围，造成开关器件损坏，并且输出波形畸变，谐波含量增加。中 点电位平衡将是保证设备可靠运行、确保负载供电质量的一个重要因素。因此， 必须对中点电位进行有效的控制以确保电位平衡。 ( 3 ) 窄脉冲消除 2 1 , 2 7 , 3 5 , 5 5 - 5 7 1当输出开关矢量的作用时间小于最小导通 ( 关断) 时间( 由开关器件的特性决定) ，开关器件的控制信号为窄脉冲( n a r r o w p u l s ew i d t h ) 2 1 , 2 7 , 3 5 , 5 5 】或称最小脉宽( m i n i m u mp u l s ew i d t h ) 5 6 - 5 7 】，则本应该 导通( 关断) 的器件将不能导通( 关断) ，这个问题称为窄脉冲问题。窄脉冲问 题的存在会导致开关器件的损坏，由于丢失输出电压脉冲，会使输出波形畸变 加剧，谐波含量增加，如果负载为电机还会造成启动转矩不足。这要求在 s v p w m 控制中充分考虑对窄脉冲进行消除和补偿。 ( 4 ) 死区补偿【2 7 , 5 7 】为了避免对应互补开关器件在变换过程中出现同时 导通，造成直流侧电容短路，必须在互补开关器件间设置死区时间( d e a dt i m e ) 。 而死区时间的设置对系统输出是有影响的，主要表现在使输出的电压矢量偏离 参考电压矢量，导致输出电压波形发生畸变，增大了输出电压谐波。在驱动系 统中，当调制系数( m o d u l a t i o ni n d e x ) 较低时，电压畸变非常严重，使得电机 4 的转矩发生剧烈波动，甚至损坏电机，在这种情况下死区补偿时必须的。当输 出调制系数较高时，电压的畸变相对较小，影响也较小，但是从提高系统的运 行性能来看，死区补偿也是必要的。 ( 5 ) 共模电压抑制【5 & 5 9 】在驱动系统中，变换器将在机端绕组中产生共 模电压( c o m m o nm o d ev o l t a g e ) 导致电动机和驱动系统出现问题，另一方面 共模电压产生的共模漏电流将产生很大的共模电磁干扰( e m i ) 。对于两电平的 8 个开关矢量均会产生共模电压，不能从控制角度完全消除逆变器的共模电压， 共模电压是两电平逆变器输出电压中存在的必然现象。但是三电平空间矢量的 2 7 个开关矢量中有7 个开关矢量不会产生共模电压，因此可以在s v p w m 中通过 控制这7 个开关矢量最大限度的减小共模电压。 1 4 本文的主要研究内容 本论文主要研究了三电平变换器s v p w m 控制技术的一些关键问题：空间 矢量调制算法的简化、中点电位的平衡控制和矢量发生器的研制等，并将这些 问题的研究结果通过建立的实验平台进行验证。本文的主要内容如下： ( 1 ) 介绍三电平变换器拓扑的换流分析和矢量发生原理，详细介绍三电平 逆变器传统s v p w m 控制算法的实现步骤，并建立了仿真对该算法进行分析。 ( 2 ) 详细介绍了一种三电平空间矢量调制的简化算法，通过简化算法分析 了三电平s p w m 与s v p w m 的统一关系，并建立了简化算法仿真模型。 ( 3 ) 从不同角度分析了开关矢量和中点电流对中点电位平衡问题的影响， 总结了中点电位的影响因素。在分析的基础上介绍了基于不同控制思想的几种 中点电位平衡控制方法。最后，通过仿真对各种平衡控制方法进行了比较。 ( 4 ) 介绍了矢量发生器的概念，并对两种三电平矢量发生器的优缺点进行 了比较分析，最后选择了一种适合的方法做为实现方案。 ( 5 ) 设计了一套以d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的三电平逆变器样机。 介绍了三电平逆变器主电路设计及参数选择，d s p 控制系统的软硬件设计。最 后对简化算法和中点电位平衡控制策略进行了实验验证，给出了实验波形的详 细分析。 5 第二章三电平s v p w m 传统控制算法 2 1 引言 。 二极管箝位式三电平逆变器又称n p c ( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 三电平逆变 器，是最早提出的一种多电平逆变器拓扑结构。这种逆变拓扑由于其自身结构 的优点，在开关器件承受相对两电平结构二分之一压降和更低的开关频率情况 下，得到与两电平相同或者更好的输出波形。三电平拓扑在高压大功率场合中 应用时，一方面降低了器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面 降低了电路运行中的d u d t 、d i d t 和输出波形谐波含量等。因此，三电平变换 器已经在高压大功率变频调速系统、电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域 得到了高泛的研究与应用。 本章中将对三电平变换器主电路的工作过程以及三电平空间矢量p w m 的 传统算法进行介绍。 2 2 三电平逆变器换流分析和矢量发生原理 2 2 1 三电平逆变器换流分析 图2 1 三电平逆变器主电路拓扑结构 图2 1 所示电路结构就是一种三电平的逆变电路。从电路结构中可以看到 直流侧电压通过两个串联的分压电容c l 、q 将电压分为三个等级，将两个电容 串联的中点定义为中性点n 。二极管d 1 、d l 为箝位二极管，这也是与传统两 电平逆变器结构的主要区别。箝位二极管的作用是当开关器件开通时，通过的 二极管的箝位作用将电路的输出电平稳定在一个固定值，从而实现事先设定电 路的输出电平值；当开关器件关断时，同样通过二极管的箝位作用将开关器件 两端承受的电压限制在一定的值之内，避免了过电压损坏开关器件。下面简要 分析其工作原理。 以a 相输出电压n 为例，从一相桥臂的结构来看，四个开关器件可以有 1 6 种开关状态，但有效的使用状态只有三种。具体地，当岛l ，& 2 导通，而足3 ， 足4 关断，则输出端与c 1 正端接通，相对直流侧中点n 点输出电压为虼。2 ；当 6 & 2 ，s 3 导通，& l ，& 4 关断，输出电压通过箝位二极管d 。l ( 或d a 2 ) 将输出电 压箝位在0 ，同时也使功率器件& l ，& 4 承受的电压应力为v d c 2 ；当岛3 ， 导通，墨1 ，& 2 关断，则输出端与电容c 2 负端接通，输出电压为。2 。在表 2 1 列出了a 相的有效开关状态及其电流流通方式。b 相和c 相的工作原理与a 相相同。 表2 1 三电平逆变器a 相的有效开关状态 开关状态v a n 导通器件 流通路径 品1& 2 s 3s a 4 当i 。 o 时，s 1 ，s a 2 主开关器件导通 图2 2 ( a ) 1 loo 玩。2 当屯 o 时，最2 主开关器件和d 。1 导通 图2 2 ( c ) 01 lo 0 当i 。 o 时，叉3 ，& 3 续流二极管导通 图2 2 ( e ) 0oll 一。2 当i 。 0 时，3 ，& 3 主开关器件导通 图2 2 ( f ) 说明：表中开关状态1 为对应开关器件开通，0 为对应开关器件关断。 ( a ) 7 ( d ) 。 蹦 + k f 2c 1d a 】 + ：n - i 喜c 。 一 蹦气 【e )( d 图2 2 三电平逆变器a 相电流流通路径 通过对电路开关状态的分析可以看出，开关器件岛1 和冀3 ，& 2 和岛4 是工作 在对应互补开通状态的，为了防止对应互补的开关器件同时导通而造成直流侧 短路，因此在互补的开关器件控制信号中应该加入死区时间。此外，为防止电 路运行中出现大的电压速变造成较大d u d t ，同时保证每次输出电压变化中动作 的开关器件最少以降低开关损耗，应避免出现电路输出在。2 和2 之间的 直接变化，而通过0 输出状态进行过度。因此，三电平逆变器的基本控制规律 为：每相桥臂四个开关器件函1 和s j 3 , s j 2 和昂4 两两对应互补开通；同一时刻总 是两个相邻开关器件导通，其他两个关断；在输出状态改变过程中只能有一组 互补的开关器件的控制信号变化。 2 2 2 三电平空间矢量原理 三电平逆变器的关键技术之一是p w m 控制信号的发生。而三电平空间矢 量调制( s v p w m ) 算法比之于其他p w m 算法具有较高电压利用率，较小的输 出谐波分量，更易于数字化实现且更适合向多电平应用中拓展等优点，因此三 电平s v p w m 控制算法一直以来都是三电平逆变器研究的热点。以下主要对三 电平s v p w m 控制的基本原理做一些简要介绍。 空间矢量调制的最初目的是使电机获得圆形旋转磁场，现在空间矢量调制 已经发展成为和s p w m 并行的一种变换器p w m 调制技术。因为三相变换器的 负载各式各样，并不一定存在像电机负载那样对称的分布的三相绕组，所以对 于普遍意义上的空间矢量调制方法，空间一词仅具有数学上的意义，无实际物 理意义。普遍意义上的电压空间矢量方法是从数学角度出发，将三相交换器的 各相电压定义在互差1 2 0 。的平面坐标系上，并将三相输出电压沈、洳、眈 转换到复平面上合成空间矢量玩。空间电压矢量可做如下定义： 圪：詈( 虬+ 乩e 毒+ 虬p 。垮) ( 2 - 1 ) 三电平空间矢量与两电平下的空间矢量概念上是一致的。因此三电平逆变 8 器的以图2 1 中的n 为直流侧零电位参考点，则三相瞬时输出相电压可定义为 其中s a 、s b 、s c 为三相输出的开关变量，其具体定义为 f2 当( s x l ，s 。2 ，s 。3 ，s 。4 ) = ( 1 , 1 ，0 ，o ) ，输出电压。2 只= 1 当( s 。l ，s 。2 ，s x 3 ，s 。4 ) = ( 0 , 1 ，1 ，o ) ，输出电压0( 2 3 ) 【0 当( s x l ，s 。2 ，s x 3s 。4 ) = ( 0 , 0 ，1 ，1 ) ，输出电压一2 上式中x = a ，b ，c ，1 为对应开关器件开通，o 为对应开关器件关断 对于三电平逆变器拓扑前己分析每相具有三种开关状态，因此三相三电平 输出电路就可以得到3 3 = 2 7 种开关组合，对应2 7 组不同的开关状态组合，其电 压空间矢量可以根据式2 1 表示为 ，垒i 塾 以= - g ( u 狮+ “b n