（电气工程专业论文）多电平逆变器结构与控制研究.pdf

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。 作者签名：叠纽主1日期：止年月竺日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：j 虹 导师签名爿蚴日期弛生年臼阜日 总结和比较了多电平逆变器各种基本拓扑结构的特点，它们主要 包括了：二极管钳位式、飞跨电容钳位式，电容电压自平衡式和联型 式拓扑，并且分析了它们的优缺点。针对二极管钳位式多电平逆变器， 在无源逆变和有源逆变工作状态下建立了数学模型。 研究了多电平逆变器开关调制策略和中点电位平衡问题。在二极 管钳位式三电平逆变器的基础上详细说明了空间矢量s v p 删i 调制法 的基本原理并且给出了一般性s v p w m 算法的步骤，指出了当给定空 间电压矢量落入的每个小三角的各个矢量时间的计算方法，写出了开 关电压矢量图各区域的开关矢量安排表，进而利用该算法分析研究如 何改进，来保持中点电位的平衡，最后做了仿真实验，仿真结果表明 控制算法能有效保持中点电位平衡。对逆变器死区效应进行了理论分 析，阐述了死区效应对逆变器输出电压的影响。针对三电平死区补偿 问题，提出了一种新的算法，可避免电流过零点问题，推导了多电平 和两电平相互转化的理论公式。 文章最后对多电平逆变器控制系统的硬件和软件进行了设计，构 成异步电机控制系统。 关键词：多电平逆变器；空间电压矢量脉宽调制；死区补偿 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i - l e v e li n v e r t e r sa r ew i d e l yr e c o g n i z e d ，a n dg e ta c e r t a i na p p l i c a t i o n m u l t i 1 e v e li n v e r t e r so u t p u tc a nh a v em o r el e v e l so f o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r m ，h a r m o n i cc o n t e n ti ss m a l l ，c l o s et ot h es i n e w a v e ，i n v e r t e r sp e r f o r m a n c ei sb e t t e r , m o r es u i t a b l ef o rl a r g e - c a p a c i t y h i g h - v o l t a g ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t t h ep a p e rs u m m a r ya n dc o m p a r i s o nav a r i e t yo fb a s i ct o p o l o g yo f m u l t i - l e v e li n v e r t e r sf e a m r e s ，t h e s et o p o l o g i e sc o n t a i n sn p cm u l t i 1 e v e l i n v e r t e r s ，f l y i n g - c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r s ，s e l f - v o l t a g eb a l a n c i n gt y p e m u l t i 1 e v e li n v e r t e r sa n dc a s c a d e dm u l t i 1 e v e li n v e r t e r s 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 ni n v e r t e ri si na c t i v ea n dp a s s i v ei n v e r t i n g s t a t e t h em u l t i - l e v e li n v e r t e r s s w i t c h i n g m o d u l a t i o n s t r a t e g ya n dt h e m i d - p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c ep r o b l e m si st h ek e yp o i n tp o t e n t i a ls t u d y i n t h en p ct h r e e - l e v e li n v e r t e r s ，t h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h es p a c ev e c t o r m o d u l a t i o ns v p w mb a s i c p r i n c i p l ew a ss h o w n ，g i v e naw a yo f c a l c u l a t i n ge a c hv e c t o rt i m ew h e nas e to fs p a c ev o l t a g ev e c t o ri n t oe a c h o ft h es m a l lt r i a n g l e ，w r i t t e no u to ft h et a b l eo fs w i t c h i n gs e q u e n c e ，t h e n a n a l y z e du s i n gt h ea l g o r i t h mo nh o wt oi m p r o v ea n dk e e pt h en e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c e ，f i n a l l ym a d eas i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h mc a nm a i n t a i nan e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c e an o v e ld e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nm e t h o do ft h e i n v e r t e rb a s eo ns v p w mi sp r e s e n t e d ，t h i sm e t h o dc a na v o i dt h ec u r r e n t z e r o - c r o s s i n gp r o b l e m s ，d e r i v e dat h e o r e t i c a lf o r m u l a ，p r o v et h a tt h e yc a i l b ei n t e r c h a n g e a b l eb e t w e e nt w o - l e v e la n dm u l t i l e v e l f i n a l l yh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em u l t i l e v e li n v e r t e rc o n t r o l s y s t e m w e r ed e s i g n ，f o r mi n d u c t i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：m u l t i - l e v e li n v e r t e r s ，s v p w m ，d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 第一章绪论1 1 1高压大功率电力电子技术的发展1 1 2 多电平技术的产生背景2 1 2 1 功率器件的串并联技术2 1 2 2 多重化技术2 1 2 3 组合变换器技术2 1 2 4 多电平变流器3 1 3 高压变频器现状及发展趋势3 1 4 多电平技术研究热点难点4 1 5 本文的主要研究内容及结构4 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型建立6 2 1 多电平逆变器拓扑结构。6 2 1 1 二极管钳位式多电平逆变器6 2 1 2 飞跨电容钳位式多电平逆变器8 2 1 3 电容钳位自平衡式多电平逆变器8 2 1 4 级联式多电平逆变器9 2 2 多电平变换器数学模型建立1 0 2 3 本章小结1 4 第三章三电平调制策略与中点电位平衡问题15 3 1 特定消谐法( s h e p w m ) 。1 5 3 2 阶梯波调制15 3 3 载波p w m 调制1 6 3 4 空间矢量调n ( s v p w m ) 1 6 3 5s v p w m 调制策略和中点电压平衡研究1 7 3 5 1 三电平电压空间矢量定义。1 7 3 5 2 一般性s v p w m 控制原理1 9 3 5 3 中点电位平衡问题研究2 3 3 5 4 中点电位平衡的控制策略。2 4 3 5 5实验仿真2 6 3 6 本章小结2 7 i i i 第四章三电平逆变器死区补偿方法研究2 9 4 1 死区效应分析2 9 4 2 死区时间的补偿策略3l 4 2 1 电压参考模型自适应控制法3 2 4 2 2 电压反馈补偿法3 2 4 2 3 脉冲技术补偿法3 2 4 2 4 电流反馈型3 2 4 3 三电平逆变器死区补偿原理3 3 4 4 三电平死区补偿方案3 6 4 4 1 基于三角载波和s v p w m 调制的补偿方案3 6 4 4 2 新的死区补偿方案3 6 4 5 本章小结4 1 第五章控制系统软硬件设计。4 2 5 1 硬件电路设计4 2 5 1 1d s p 的选择4 2 5 1 2 电流、电压采样电路4 4 5 1 3 转速采样电路的设计4 5 5 1 4 过压保护电路4 6 5 1 5 主电路功率器件设计4 7 5 2 系统软件设计4 7 5 3 本章小结4 8 第六章总结和展望4 9 6 1 论文研究工作总结4 9 6 2 今后工作展望5 0 参考文献51 致谢5 5 攻读学位期间发表的论文。5 6 i v 中南大学硕七论文第一章绪论 第一章绪论 1 1高压大功率电力电子技术的发展 所谓电力电子技术就是用电力半导体开关器件和电路对电能进行变换( 如电 压、电流、频率、相数、和波形的变换等) 、控制( 如稳压稳频和变压变频的控 制等) 、优化( 如效率优化、波形优化等) 和利用( 如在各个领域当中的应用) 的一门技术，该技术广泛应用于电动机调速系统、电力系统及各种电源系统等工 业生产和民用的各个部门【l 】【2 1 。电力电子技术产生于2 0 世纪5 0 年代，自上世纪8 0 年代以g t r 、g t o 等为代表的大功率开关器件问世以来，电力电子装置的工业市 场和应用领域不断扩大，应用越来越广泛，也得到了国内外的普遍重视和广泛研 究，在功率器件、电路拓扑、控制方法设计等各方面都获得了巨大成就儿钔疆1 。 近年来，大功率电力电子技术发展迅速。在电力系统中，随着统一潮流控制 器( u p f c ) 、高压直流输电( h v d c ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、静止无功补偿器 ( s t a t c o m ) 、等各种技术的发展与更新，高压大功率电力电子器件的研究变成 了热点儿7 1 。在高压大功率传动机械，或高压大功率感应电动机变频调速系统中 作为整流器与逆变器使用，如应用于工业风机或泵类的变频调速系统以及铁道交 通系统的牵引动力，不但可以减少电能消耗，而且可以明显改善传动系统的运行 性能。 微电子学中的超大规模集成电路技术在电力电子装置中得到更广泛的应用， 电力电子器件的发展日新月异，容量和工作频率提高、通态压降和驱动功率减小， 大功率电力电子技术展现出前所未有的广阔前景，主要表现在几个方面陋1 ：一， 高频化，使电力电子装置重量和体积减小，降低能量损耗；二，模块化与集成化， 用分立元件制造电力电子装置，设计周期长，加工劳动强度大，可靠性差，成本 高，因此电力电子产品逐步向模块化发展，其目的是尺寸紧凑，实现电力电子系 统小型化，缩短设计周期，减小寄生参数。电力电子模块化和集成化，经历了功 率模块，单片集成式模块，现在朝智能模块( 口m ) 发展。三，数字化，模拟控 制电路存在精度低、动态响应慢、参数调整不方便、温漂严重、老化快等缺点，用 数字化方法代替模拟控制，可以消除温漂等一般模拟调节器固有缺点，同时可减 少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现自 动储存数据和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化；四，绿色 化，绿色化有两层含义：首先是节电明显，这意味着发电容量的节约，而发电是 造成环境污染的重要方面，所以节电就可以减少对环境的污染；其次电力电子产 品不能( 或少) 对电网产生污染。 中南大学硕上论文 第一章绪论 1 2 多电平技术的产生背景 高压大功率变频器电力电子领域一个重要分支，它不仅涉及大功率交流电 动机的各种负载的调速和节能，也与其它一些关系到国计民生的重点行业的技术 发展与进步密切相关。从它使用情况来看，平均节电可达3 0 ，因而，无论是在 新建或技改项目中，高压变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段，若在 政府有关部门和行业的支持下，每年有计划的改造5 0 0 - 6 0 0 万k w 的低效风机、 水泵，每年年投入七八十亿元左右，当年即可产生直接节电效益约为5 0 6 0 亿元 嘲。在高压大功率变流技术领域，要求大容量的电力电子装置工作开关频率高， 以减少输出电压谐波含量，改善输出波形质量，同时对控制精度、可靠性等方面 也提出了更严高的要求。随着技术的进步，各种新型功率器件如i g c t ，i e g t ， m c t 纷纷出现，频率和容量都有较大提高。因此为了实现高压大功率的要求， 人们需要寻找新的办法来实现，怎样利用有限容量的开关器件获得大容量高电压 电力变换器件，成了热点问题。通过对电路拓扑和控制策略的研究与发展，产生 了许多新的变流技术，主要包括以下几种方法。 1 2 1 功率器件的串并联技术伽 其原理是用低压小容量的开关器件实现大功率变换，将器件串联以提高电压、 等级，将器件并联后以提高电流等级。由于开关元件参数不完全相同( 例如开启 或关断时间不同) ，因此需要附加的动、静态均压和均流电路，对功率器件驱动 电路的要求也相应提高，同时均衡电路会导致系统控制复杂，损耗增加，另外不 能改善输出波形，因此应用范围有限。 ” 1 2 2 多重化技术m 1 多重化方式，即由多个低压功率单元串联叠加使输出电压成为多电平阶梯波 电压，各个变流器以同频率不同相方式工作，从而达到系统的高功率运行和改善 输入输出波形的目的。多重化技术主要特征包括：( 1 ) 开关器件频率是基波频率， 开关功率损耗低，；( 2 ) 整体输出效率高；( 3 ) 各装置输入输出波形要错开相位， 达到减小谐波的目的，但是势必造成输出的基波迭加，从而基波损失：( 4 ) 系统 动态响应差、系统设计复杂、体积变大、成本较高；而且由于变压器饱和以及冲 击电流等原因增加了控制难度 1 2 3 组合变换器技术嘲n 3 1 所谓组合变换技术是指由多个基本单元来合成输出，每个单元所采用的调制 2 中南人学硕士论文第一章绪论 波相同，但是相位不同，使得输出的脉冲在相位上错开，最终提高了等效开关频 率。组合变流器技术的特点是易于实现大功率低频率开关器件的使用、输出谐 波含量小、开关损耗小、动态响应快。但是由于要使用工频变压器，系统整个成 本和损耗都增加了，开关器件的电压应力没有减少。 1 2 4 多电平变流器5 1 所谓多电平变流器是指这种变流器输出电压波形中的电平数等于或者大于三的 变换器。日本著名学者南波江章( a k i r an a b a e ) 于1 9 8 0 年对德国学者h o l t z 提出 了一种三电平逆变器进行了改进与发展，提出一种新的二极管钳位式三电平逆变 器主电路结构，这标志着多电平逆变器的研究新时代的到来。这个电路由两个直 流分压电容，4 个主开关管、4 个续流二极管和两个钳位二极管组成。1 9 8 3 年， p m b h a g w m 等人将三电平扩展到五电平、七电平逆变器。1 9 9 2 年，t a m e y n a r d 和h f o c h ，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。1 9 9 9 年，x i a o m i n g y u a n 提出 了二极管自钳位多电平逆变器。2 0 0 0 年彭方正在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上， 提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。与传统的两电平变流器相比， 多电平变流器具有许多特点：( 1 ) 开关管可以工作在低频或工频，开关损耗小， 效率高，适合于高压大功率场合应用；( 2 ) 电压跳变小，即d u l d t 小，可以降 低对开关管的耐压要求，还可以减小对电动机绝缘的损害，降低了电磁干扰 ( e m i ) ；( 3 ) 可以直接实现大功率高压输出，不需要笨重、昂贵和耗电的变 压器，不存在静态和动态均压问题；( 4 ) 在三相系统中输出的共模电压小，避 免对电动机的轴承造成损害。 1 3 高压变频器现状及发展趋势 目前我国在高压变频调速领域落后于发达国家，市场上的高压变频器主要还 是国外的产品，限于采用目前电压耐量的功率器件，高压变频器生产厂家的主电 路结构不像低压变频器那么成熟，基本都不尽一致，但都较为成功地解决了高电 压大容量这一难题。比较著名的研究大功率变频器的公司主要有德国西门子( s i e m e n s ) 、英国西枝莱克( c e g e l e c ) 、美国艾伦一布拉德( a b ) 、美国洛宾康限0 b i n e o n ) 、日本东芝( t o s h i b a ) 、日本明电舍( m e i d e n ) 、瑞典a b b 等，美国洛克韦 尔( a b ) 公司生产的b u l l e t i o n l 5 5 7 和p o w e rf l c x 7 0 0 0 系列变频器b u l l e f i o n l 5 5 7 采用的电路结构为交一直一交电流源型，采用功率器件g t o 串联是一种两电平逆 变器，p o w e rf l e x7 0 0 0 系列，用新型功率器件一对称门极换流晶闸管s g c t 代 替原先的g t o ，6 k v 系列每个桥臂采用三只耐压为6 5 0 0 v 的s g c t 串联，简化了 驱动和吸收电路，提高了系统效率。美国r o b i c o n 公司的“完美无谐波 系列 3 中南大学硕上论文 第一章绪论 高压变频器采用单元级联型三电平结构，功率为3 1 5 k w 一1 0 0 0 k w ，直接3 3 k v 或6 k v 高压输出，谐波污染很小，效率高n 引。我国变频器市场潜力约为1 0 1 8 0 亿元，高压变频器大概占4 0 9 6 左右，一些生产研究单位看到了它的潜在的市场和 发展前景在多电平方面，虽然技术上与国外相比还有差距，但仍有产品陆续推出。 其生产厂商主要有北京凯奇、先行、利德华福以及成都的佳灵和森兰。比如，北 京利德华福技术有限公司研制出的高压变频器，属于功率单元串联多电平方式， 佳灵公司研制出的高压变频器，属于i g b t 直接串联形。 1 4 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 多电平变换器基本结构分为三种：二极管中点钳位型、飞跨电容型、级联型。 建立其拓扑结构对应的数学模型将很大促进多电平变换器的研究。 2 多电平变换器p 1 】l 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( s h e p w m ) 、基于 三角载波比较的p w m 法和空间矢量p w m 法( s v p w m ) 。在这些方法中，空间电压 矢量法( s v p w m ) 是应用较为广泛的一种，优点主要是电压利用率高，对于二极 管中点钳位的变换电路可以通过正确选择电压矢量来实现直流侧电容电压的平 衡。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。 3 中点电位波动问题 在二极管钳位多电平逆变器中，因为有电流通过中点流过两个直流母线电 容，会导致两个电容电压出现不均衡的现象，中点电位控制不好，会造成输出电 压中含偶次谐波。目前解决电容电压不均衡的方法都是基于s v p w m 方法，但是 这些方法都难以应用到三电平以上。 4 死区补偿和窄脉冲问题 功率器件存在开关延迟，同一桥臂会出现直通现象。为了防止桥臂的直通， 造成器件损坏，必须在同一桥臂互补的触发信号中加入死区。在死区时间内会造 成输出电压的畸变。目前关于多电平死区补偿问题研究并不多。同时存在最小脉 宽问题，如果处理不好，会使低频输出电压谐波大，影响电机低速性能。 1 5 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，深入研究了多电平逆变器控制的基 本理论，然后着重关于二极管三电平逆变器的电路结构做了比较深入的研究，指 出了它的难点，并且详细讨论利用s v p i 釉! 调制策略怎么制定去克服这些问题，提 出了关于三电平逆变器死区补偿的新方法，设计多电平异步电机调速系统的结构 4 中南大学硕上论文第一章绪论 方案。 本论文的各章节内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍了多电平逆变器的研究背景和现实意义。 第二章，多电平逆变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逆变器在工作状态下分别建立其数学模 型，打下理论基础。 第三章，三电平调制策略与中点电位平衡问题研究。介绍了多电平逆变器的 多种调制策略，提出解决中点电位平衡问题的s v p w m 方案，并做了仿真，结果 表明算法能有效控制住中点电位的平衡。 第四章，三电平逆变器死区补偿研究，提出一种新的与电流过零点无关的三 电平死区补偿方法。推导了多电平和两电平电压空间矢量可以互相转化的理论公 式。 第五章，多电平逆变器的软硬件设计。在上述研究的基础上构建了多电平调 速系统。 第六章，总结与展望，包括对研究工作的总结和今后工作的展望。 5 中南大学硕士论文 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型建立 2 1 多电平逆变器拓扑结构 多电平逆变器具有输出容量大、电压电流谐波含量小以及适用于高压大功率 场合等优点，在电力系统治理无功与谐波污、高压大功率交流电动机传动系统节 省能源的要求促使，在过去二三十年内，各国学者对多电平变流器的电路拓扑和 控制策略进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。采用多电平逆变器的主要目的 之一，就是为了利用低耐压开关器件实现高电压输出。为了达到这个目的，当前 有两个解决办法：一是采用电力电子开关器件串联的半桥式逆变结构，即钳位式 多电平逆变器；二是采用功率单元串联叠加的级联式逆变结构，即级联式多电平 逆变器。两者的直流供电电源不同，电路的结构形式也不同，因此它们的特点也 不相同。现有的多电平逆变器分类如下： 多电 一鬻钳雠 【混式多电一器 l 贿粒直流蝴黻多愀姗 黼 电平逆变器 混合级联式多电平逆变器 i 开绕组双端供电式级联 i 三相半桥式s p 、m 逆变器的级联 实际上目前多电平逆变器的发展日新月异，新的电路拓扑层次不穷，但是 基本都是由以上几种发展或改进而来，下面以几种基础电路拓扑进行介绍分析， 比较它们优劣之处。 2 1 1 二极管钳位式多电平逆变器1 7 。2 订 二极管钳位式多电平逆变器是开发最早的一种多电平逆变器，这种逆变器的 特点是主电路和控制电路比较简单，控制方式也比较简单，便于双向功率流动的 控制，功率因数控制也方便。一个m 电平逆变器，每相桥臂钳位二极管个数为 ( m 一1 ) , ( m - 2 ) 。图2 - 1 给出三相三电平逆变器的电路由于三相工作原理一样，那 么就以a 相分析。它由两个直流分压电容c 1 = c 2 ，4 个开关管，4 个续流二极管和 6 中南人学硕士论文第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 两个钳位二极管v d a l 和v d a 2 组成。当开关管s a l 和s a 2 同时导通时，a 点对o 点 的电压为2 ，开关管状态不同输出电压不同，具体关系如表所示( 1 代表开，0 代表关) 。由于b ，c 和a 三相相位互差1 2 0 0 ，因此线电压可以五种电平，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。 图2 - 1 三相二极管钳位式三电平逆变器原理电路结构 表2 - 1 相输出电压与开关状态的关系 该电路拓扑的优点是：输出功率大，电平数越多，输出电压谐波含量越少。 阶梯波调制时，器件在基频下工作，功率器件损耗小，输出功率大，动态响应好， 传输带宽较宽。 该电路拓扑的缺点是：m 电平逆变器每相需要耐压等级相同的二极管数量为 ( 朋_ 1 ) 木( m - 2 ) ，使得制造成本增加，线路安装困难。开关器件通过的额定电流不 相同，直流电容分压不均衡。同时要求钳位二极管的耐压指数高，并且数量多。 7 中南大学硕士论文 第二章多电甲逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 2 1 2 飞跨电容钳位式多电平逆变器陋嗡1 由于是采用悬浮电容器来代替钳位二极管工作，飞跨电容钳位式多电平逆变 器也叫悬浮电容多电平逆变器，最先由法国学者h f o c h 和t h m e y n a r d 提出来的。 一个m 电平的飞跨电容钳位式多电平逆变器，每相桥臂钳位电容的个数为 ( m 一1 ) 术( ，圹2 ) 2 。图2 2 给出了飞跨电容钳位式三电平单相逆变器的电路拓扑。 与二极管钳位三电平相比较，只是用钳位电容取代了钳位二极管，电容c 的作用 主要是将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容的电压上，从而实现三电平 输出。 图2 - 2 飞跨电容钳位式三电平单相逆变器电路拓扑 该电路拓扑的优点：电平数容易扩展，有多种开关组合来合成输出电平，控 制比较灵活。电源断电时，大容量电容器存储的能量可作为电源。能控制有功和 无功功率，可用于高压直流输电。 该电路拓扑的缺点：需要大量的钳位电容，为了使电容的充放电保持平衡，需 要采用不同的开关组合，使得系统控制复杂，器件开关损耗增大。 2 1 3 电容钳位自平衡式多电平逆变器硼嘲 彭方正在综合了多种钳位式多电平逆变器电路的特点后，于2 0 0 0 年提出的一 种电路拓扑结构，如图2 - 3 所示。一个m 电平电容钳位自平衡式多电平逆变器， 每相桥臂钳位电容的个数为( m + 1 ) * ( m - 1 ) 4 ，这种逆变器电路是以电容钳位的半 桥式逆变电路为基本单元，按照金字塔的结构形式构成的多级电路，其中每个基 本单元的电压等级相同。由于控制的开关器件较多，所以这种电路形式的多电点 平逆变电路开关模式极其灵活，不需要接触附加的电路来抑制直流侧的电容电压 偏移问题，在理论上能够实现电容钳位的自平衡。另外这种电路拓扑具有通用的 意义。前面介绍的二极管钳位，电容钳位，其他各种衍生的多电平电路结构，都 可以看作是这种电路的一种特例，因此具有很高的研究与应用价值。 这种电路拓扑的优点是：很容易实现直流侧母线电容电压自平衡不需要附加 中南大学硕士论文第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 电路来抑制。其他各种电路都可以通过这种电路衍生出来。 该电路拓扑的缺点是：由于存在很多冗余状态，所以控制策略比较复杂，同 时开关损耗比较大。 k e 正k 一1 e 点k 一2 杰 l 乜 e 2 e l 第四缓 图2 - 3 电容钳位自平衡式多电平逆变器电路 2 1 4 级联式多电平逆变器艄1 1 级联式多电平逆变器是用h 桥直接串联叠加组成的一种级联式电路结构。这 种逆变器需要独立的直流电压源。图2 4 是级联式五电平三相逆变器主电路结构， 从图上可以知道2 个两电平的h 桥直接串联叠加组成每相桥臂，每相输出电压是各 个单元输出的叠加。级联型五电平变流器的输出电压及其对应的开关状态如表 2 2 所示。 这种电路拓扑的优点是：独立的直流电源，无须进行电容均压控制。容易模 块化，易于扩展。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。容易实现软开关技术，不用阻容吸收电路。 该电路拓扑的缺点是：需要独立直流电源多，不易实现四象限运。 9 中南入学硕士论文 第二章多电平逆变器的拓扑结构及】数学模型的建立 讹；讹 抛 蚶、万：岛 岛i 六：蛛 s c l 了 1 、o l j 丕 t e 篙 e - 一 s a 3 、丕 韪i 、z 二 淬 i 淬 s c z 么 i - 篑l s b 。l 桌b s c 5 - 7 l卜本卜本 一 l 、j 拳, - - 一- - l ；e 锄、歪拯 e i - 、聋r i 叭j 哆一；s 叭歪淬 s c 7 么3 、厶 i ：；1 图2 - 4 级联式五电平三相逆变器电路拓扑 表2 - 2 级联型五电平变流器输出电压及其开关状态 以上详细总结了目前多电平变流器的电路拓扑，对各自的优缺点进行了分 析、比较，三种结构各有优劣，但在实现工程应用当中需要考虑多种因数，比如 简单性的主电路结构，实现的容易性以及成本高低等多方面来考虑，飞跨电容钳 位式需要大量的钳位电容，但是由于高压应用场合中电容体积势必增大，这样就 限制了它的应用。级联式逆变器需要多个独立直流供电电源，实际上就需要多个 变压器，也使体积和损耗增大。相对来说，二极管箱位式多电平逆变器由于不需 要相互独立的直流电源来维持每个电平电压，因而研究的比较多，应用领域更广 泛，所以本课题选择三电平二极管钳位式作为研究对象。 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，是对对象的工作机理、特性，以及提高系统控制 l o 中南大学硕上论文 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 性能的深入研究和分析的一种重要方法。下面就二极管钳位三电平逆变器的等效 电路拓扑分析工作在无源和有源逆变情况下的三相静止坐标系和旋转坐标系下 的数学模型啪3 ，图2 5 为三电平逆变器等效电路拓扑图 图2 - 5 三电平逆趸器有源逆变等效电路拓扑图 首先定义开关函数s k , j s = 3 ( 2 1 ) k 口，b ，c ) ，j p ，d ，刀) s 杉= ：? 霎善j 相连 ( 2 - 2 ) 为了方便分析将开关函数跚划为三类：s a n 、跏，鼢，s b o 、跏；鼢， 跏、s o p ；并且它们存在以下关系 屯+ + 屯= 1 + + & = 1 ( 2 - 3 ) + + 屯= l 交流侧三相回路方程： 鲁= - v 4 一r i w ( s o 。) + 地加 ( 2 - 4 ) 哮= 飞一心+ y ( 咒，。) 州。，忉 ( 2 - 5 ) 哮一匕一r i , + v ( 疋，。) + 地忉 ( 2 6 ) 由基尔霍夫定律可知： f 4 + + f c = 0 ( 2 7 ) 将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 相加，可得 中南火学硕士论文第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 v ( o ，) = 一( y ( ，d ) + v ( & ，d ) + 1 ，( 疋，o ) ) 3 + ( 屹+ v b + v o ) 1 3 在电网电压平衡下有v 。+ v b + 屹= o ，从而可以得到： l ，( 疋) = ( 一( + + ) 3 ) 屹。+ ( 一+ ( 疋。+ + ) 3 ) 心： v ( 咒，) = 【一( + + ) 3 ) 屹。+ ( 一+ ( 屯+ + ) 3 ) 心： 1 ，【，) = 【一( + + ) 3 ) 屹。+ ( 一屯+ ( 屯+ 屯+ 屯) 3 ) 心： 由图2 - 5 ，可以知道对于节点p 会有 2 t + i p = s 叩i 4 + s b p i b + s c 口i c ，1 l 2 q 以i 从而 q p k 。= 么一( 5 叩屯+ + 之) 由图2 - 5 ，可以知道对于节点n 会有 k2 - - i c 2 一l i 。= s 弧i d + s o b + s c 2 = 一c 2 以： 从而 一c ：夕匕：= 一屯一( 墨。乞+ 墨h + 之) 并且有 圪。+ 圪：= 屹 由图2 5 ，可以知道对于节点n 会有 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) l o 2 2t 2 。 ( 2 1 9 ) i o = 瓯之+ + 屯之 、 从而 q p 咋i c ：p 吃2 = 每。之+ s 厶毛+ 墨， ( 2 2 0 ) 将上面各式综合起来，我们可以得到在三相静止坐标系下的状态空间模型， 并以微分算子p 代替微分符号d d t 。 l i 三毛 以 吼。 吼： 一roo 2 s v - s b v - s q , 兰是 33 oro 2 5 q p - s b p - $ v 兰是曼是 33 o o一尺三垒二垒二垒二兰是曼 33 一s 叩一s b p s c p 00 s 。 s b i ls铺0 0 1 2 o 0 o 1 - 1 t + 中南大学硕十论文 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 一2 31 3l 30 l 3_ 2 31 3o 1 31 3_ 2 3 o oool 0o01 屹 蟮 匕 ( 2 - 2 1 ) 为了简化模型，可以将其到两相旋转坐标系下，下面为三相静止坐标转换到 两相旋转坐标系的转换矩阵 3 订 c 1 。：厍i s 研c o s ( c o t 一2 州引，c o s ( 研+ 2 州3 ) l ( 2 2 2 ) 。3 “2 ，一v3i s i n c o t s i n ( c o t 一2 ，r 3 ) 一s i n ( c o t + 2 z t 3 ) i 、。7 最终得到三电平有源逆变情况下的旋转坐标系的状态空间模型。 上 弛 c 屹l c 屹2 一rc o l s 如一s d n 一l r s q p s q n s 印一s 印0 0 s d s q 。0 0 圪。 k ： + 一loo ol0 oo1 oo一1 屹 剀 q - 2 3 无源逆变工作状态下的状态空间数学模型与有源逆变状态的下情况分析类 似，不过不同的是它的负载是无源元件，图2 - 6 为三电平逆变器无源逆变的等效 电路拓扑 缸1 g c l 卜- - c i s a p 。 s b ps c pl 一，s a w v 一几1 一 + s a o ， o s b 0 ，js b 诫o l s c o ：s c 默r 1 1 v v v ? r 殆砧= ，、) s a ns b n s e n i 一，厶 缸2 t 2 - 6 三电平逆变器无源逆变的等效电路拓扑 下面是无源逆变下三相静止坐标系下的状态空间数学模型。 中南大学硕士论文 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其数学模型的建立 + 比 吼。 c 匕2 o o 0 1 - i 一只o0 33 o一只。 兰垒二垒二曼二兰 3 3 oo一尺兰坠二垒二垒二兰是 33 一s 叩一s b p s = p 00 s 。s hs m 00 最后求得无源逆变下在两相旋转坐标下的状态空间数学模型。 一rr a l s 印一s d 一r a l r s 弹一s 即 一s d p s 瞻0 0 s 4 。 s q n 00 2 3 本章小结 屹。 屹： + o o 1 - i t k 。 屹： ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 本章主要对多电平逆变器拓扑结构和数学建模的相关问题进行了探讨和研 究。多电平逆变器主要分为两类，包括钳位式多电平逆变器和级联式多电平逆变 器，然后对钳位式的几种电路拓扑( 包括二极管钳位，电容钳位，自平衡式等) 进行比较详细的分析与总结，比较发现各有优缺点。然后就二极管钳位三电平逆 变器的等效电路拓扑分析，得出了工作在无源和有源逆变情况下的三相静止坐标 系和旋转坐标系下的数学模型。 1 4 中南大学硕士论文第三章三电平调制策略与中点电位平衡问题 第三章三电平调制策略与中点电位平衡问题 多电平逆变器要想高效率、高性能运行，不仅需要优良的电路拓扑，而且必 须采用的好的控制策略。多电平变流器控制策略的主要控制目标为：( 1 ) 控制逆 变器本身工作状态，其中包括直流母线电容电压平衡控制、开关损耗控制、输出 波形质量控制等。( 2 ) 控制电压输出，使逆变器输出的脉冲序列与参考电压波形 等效。 根据开关频率的高低，可以将多电平逆变器的控制策略分概况为两个类别： ( 1 ) 开关器件工作在低频方式中，在输出电压或电流一个周期中，开关器件只 进行一次或两次动作。主要有选择性谐波消除调制( s h e p w m ) 和阶梯波调制； 2 ) 开关器件工作在高频方式中，在输出电压或电流一个周期中，开关器件要进行 多次动作，主要有载波p w m 调制和空间矢量调制( s v p w m ) 。 3 1 特定消谐法陋蚓( s h e p w m ) 特定消谐p w m 技术，& ps h e ( 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 nt e c h n i q u e ) ，是 密苏里大学的h s p a t d 和r g h o l t 于七十年代首先提出来的。多电平逆变器的 s h e p w m 方法与传统的两电平选择性谐波消除调制方法类似，就是在阶梯波上 通过预制适当的“凹槽 信息来选择性的消除特定次谐波。s h e p w m 技术具有 以下主要特点是功率开关管的开关频率下降约三分之一，降低了开关损耗，同时 具有消除谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利用率高等优点。主要缺点 是需要求