（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器关键技术及实验研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ek e yp r o b l e m sa n d e x p e r i m e n t a l f o rt hr e e 1 e v e li n v e r t e r 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 sb e e no n eo ft h er e s e a r c hf o c u s t o p i c si nt h ef i e l do fh i g h v o l t a g ea n dc a p a c i t ye l e c t r i c a le n e r g y t h r o u g hd i f f e r e n t c o m b i n a t i o n so fs w i t c h e s ，m u l t i 一1e v e ll a d d e rw a v eo u t p u tv o l t a g ec a ne f f e c t i v e l y i m p r o v ec a p a c i t ya n dv o l t a g ep r e s s u r el e v e l so fi n v e r t e r s ，r e d u c et h eo u t p u tv o l t a g e h a r m o n i ca n ds w i t c h i n gl o s s e s b u tm o r es w i t c h e sa n dc o n t r o ld e m a n dc a u s e c o m p l i c a t e dc o n t r o lm e t h o d s ot h es p a c e - v e c t o rp w m ( s v p w m ) i sa n a l y z e di n t h r e e 1 e v e lc o n v e r t e r s t h er e l e v a n tt h e o r yo ft h r e e l e v e lc o n v e r t e r s ，i nt u r nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd i o d e c l a m p - t y p et h r e e - l e v e li n v e r t e r , s v p w mm o d u l m i o na l g o r i t h m ，t h ep r o b l e m sa n dt h e i r s o l u t i o n sa p p r o a c ha b o u tn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li m b a l a n c ea r ep r e s e n t e df i r s t l y b a s e do na s i m p l i f i e ds p w ma l g o r i t h r mf o rd e c o m p o s i t i o no fr e f e r e n c ev o l t a g e ，a ni m p r o v e dp w m m o d u l m i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d 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 dc o m m o n m o d e v o l m g er e d u c i n gm e t h o d sa r es t u d i e di nt h ep a p e r 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 ei sa l l i 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 sb y v 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 ft h ep r o b l e mi s p r e s e n t e d n e u t r a lp o i n tb a l a n c i n gm e t h o d sb a s e do nm i d p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c i n gf a c t o r w h i c hu s e dt os p w ms i m p l i f ya 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 nb ep e r f e c t l y c 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 t h e s i s c o m m o n m o d ev o l t a g eg e n e r a t e db yv o l t a g e s o u r c ep w mi n v e r t e ra n dt h ee s s e n c e so fi t sa d v e r s ee f f e c t sa l ei n v e s t i g a t e d ，a n d c o m m o n m o d ev o l t a g er e d u c i n gm e t h o d sa r ea l s op r e s e n t e d o t h e r w i s e ，a ni d e aa b o u ta v e c t o rg e n e r a t o ri 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 fv 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 r e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h ei m p r o v e dp w mm o d u l a t i o nm e t h o d t h ei m p r o v e dm e t h o do fc a r r i e rm o d u l a t i o nw h i c hb a s e do ns 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 ma n dt h en e u t r a lp o i n tb a l a n c i n gm e t h o d sa n dc o m m o n - m o d ev o l t a g e r e d u c i n gm e t h o d sa r ea l ls i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n k t h ec o n t r o le f f e c t so fn e u t r a lp o i n t p o t e n t i a la n dc o m m o n - m o d ev o l t a g er e d u c i n ga r ev e r yo b v i o u s t h r o u g h t h e o r e t i c a l s t u d y a n ds i m u l a t i o nac o n t r o l s y s t e m w h i c hh a sa d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 8 12 ) a st h ec o n t r o lc e n t e ro ft h es y s t e mh a sb e e nc o n s t r u c t e d t h e i m p r o v e dm e t h o do fc a r d e rm o d u l a t i o nw h i c hb a s e do ns i m p l et h r e e l e v e ls v p w m a l g o r i t h ma n dt h en e u t r a lp o i n tb a l a n c i n gm e t h o d sa n dc o m m o n - m o d ev o l t a g er e d u c i n g m e t h o d sa r ea p p l i e di nt h ee x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h e f e a s i b i l i t y a 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 ec 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 - l e v e l c 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 ，c o m m o n m o d ev o l t a g e r e d u c i n g 插图清单 图1 1 半桥结构中点箝位三电平逆变器一2 图1 2 单相二极管箝位三电平全桥拓扑结构2 图1 3 单相二极管箝位三电平全桥逆变器输出波形：2 图1 4 飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构3 图1 5 单相串联三电平逆变器主电路拓扑结构4 图1 6 单相串联三电平逆变器输出波形4 图2 1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构7 图2 2 三电平逆变器a 相p 状态电流流通路径7 图2 3 三电平逆变器a 相o 状态电流流通路径8 图2 4 三电平逆变器a 相n 状态电流流通路径8 图2 5 三电平逆变器电流正向p 状态切换0 状态换相过程9 图2 6 三电平逆变器电流负向p 状态切换0 状态换相过程1 0 图2 7 三电平逆变器电流正向0 状态切换p 状态换相过程一1 0 图2 8 三电平逆变器电流负向0 状态切换p 状态换相过程1 l 图2 9 反相载波调制12 图2 1 0 同相载波调制一1 3 图2 1 l 改进载波调制1 4 图3 1 两电平三相全桥逆变器主电路拓扑1 5 图3 2 两电平三相桥逆变器空间电压开关状态1 7 图3 3 第一扇区矢量组合1 8 图3 4 三相三电平逆变器拓扑结构图：2 0 图3 5 三相三电平的空间矢量分布2 l 图3 6 空间矢量第一扇区2 2 图3 7 三电平空间矢量图简化2 4 图3 8 小六边形判断区域2 5 图3 9 三电平空间矢量分解2 6 图3 1 0 对称规则采样2 7 图3 1 1 规则采样法和统一电压调制法的关系一2 8 图3 1 2 输出开关状态时序图2 9 图3 1 3 三电平简化算法示意图3 0 图4 1 交流负载连接等效示意图3 3 图4 2 中点电压与电流示意图3 3 图4 3 中点电荷与电位关系3 6 图4 4 平衡因子控制法相电压波形和线电压谐波比较3 7 图4 5 阻性负载下中点电位平衡控制仿真波形3 8 图4 6 阻感性负载下中点电位平衡控制仿真波形3 8 图4 7m 1 时中点电位平衡控制仿真波形3 8 图5 1 单相逆变器3 9 图5 2 三电平变频器拓扑结构4 2 图5 3 三电平变频器共模电压一4 3 图5 ，4 三电平空间电压矢量分布4 3 图5 5 滤波器抑制共模电压结构图4 4 图5 6 滤波器对共模电压抑制4 4 图5 7 同相载波调制与共模电压关系分析一4 7 图5 8 反相载波调制与共模电压关系分析一4 7 图5 9 反相载波调制共模电压仿真波形一4 7 图5 1 0 同相与反相载波调制共模电压仿真比较4 8 图6 1 基于d s p 的矢量发生模块硬件构成4 9 图6 2 矢量发生器算法流程图5 0 图6 3d s p + c p l d 方案三电平逆变器系统的构成5 l 图6 4d s p 中的简略流程图5l 图7 1 三电平实验平台系统结构图5 3 图7 2 驱动电路5 5 图7 3 直流电压电流采样通道一5 6 图7 4 过压过流保护采样通道5 7 图7 5m 5 7 9 5 9 l 5 7 图7 6 主程序流程图5 9 图7 7 大中断序流程图5 9 图7 8 小中断序流程图6 0 图8 1 三电平逆变器实验平台6 l 图8 2 三相驱动波形一6 2 图8 3 空载情况下相电压实验与仿真波形比较6 2 图8 4 空载情况下线电压实验与仿真波形比较6 2 图8 5 带负载情况下逆变器输出波形6 3 图8 6 平衡负载下实验波形6 3 图8 7 不平衡负载下实验波形一6 3 图8 8 同相载波调制下的共模电压实验波形6 4 图8 9 反相载波调制下的共模电压实验波形6 4 图8 1 0 并网实验波形6 4 表格清单 表1 1 单相二极管箝位三电平全桥逆变器开关状态表3 表2 1 三电平逆变器的开关状态与输出电压关系一8 表3 1 三相全桥逆变器的空间电压矢量1 7 表3 2 六边形中心矢量2 6 表4 4 仿真参数3 7 独创性声明 本人卢明所譬交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i ：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 金目坠! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或t l e 峙而使用过的 材料。与我一同：r 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：2 乃香 签字日期：妊年亡月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨：i 些厶堂有关保留、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什和磁盘，允许论文被杏i ) 1 年a w 借阅。本人授权业 ! ：些厶堂可以将学何论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采州影印、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 _ 5 ) 学位论文作者签名： 弘 签字日期：爿毒年f 月矛 学位论文作者毕业后去向： l ：作单位： 通讯地址： 荫 导师签名： 签字日期：衫勿年仁月磐e l 电话： 邮编： 致谢 本论文能够最终完成，得到了老师和师兄弟们的热心关怀和帮助，我对那 些曾经或正在帮助我、支持我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 首先我衷心地感谢我的导师张崇巍教授和张兴教授。导师博大的胸怀、严 谨的治学态度、活跃的学术思想、务实的工作作风，给我言传身教树立榜样， 丰富的实践经验及对知识不倦的追求精神不仅让我在学业上跃上了一个新的台 阶，更加让我懂得了人生的许多道理，将让我受益终生。 本论文是在导师张崇巍教授和张兴教授及王付胜老师的精心指导下完成 的。从课程学习、论文选题到论文成稿，无不倾注了三位老师的大量心血。在 此向他们致以我最诚挚的敬意，表示深深的感谢! 衷心祝愿三位老师工作顺利， 桃李天下! 另外还要特别感谢王付胜老师，在整个课题研究中给予我的无私指导和帮 助! 感谢实验室岳胜；谢震、杨淑英几位老师，他们对我学习和研究给予了很 大帮助；感谢刘芳师姐、曹伟师兄、邵章平师弟，我们在一起共同讨论相互帮 助，度过了许多难忘的研究生活，在多次的讨论中给我启发帮助我研究。在此 再次对他们表示由衷的感谢! 还要特别感谢刘萍师妹对我论文的细心修改! 感谢黎芹、童诚、戚振彪、曾凡超、谭理华、蒲道杰、陈欢、廖军、李少 林、朱波等在学习及生活上给予我的热心帮助和鼓励，大家勤奋好学和乐于助 人的精神值得我学习，为我树立了榜样，时刻激励着我不断奋斗! 感谢我的父母多年来对我含辛茹苦的养育之恩。他们爱子情深，为我付出 了太多的心血和汗水! 感谢我的妹妹对我的支持和鼓励! 感谢合肥工业大学这一培养人才的沃土，赋予我知识，赐给我荣誉，铸造 我人格，指引我道路。深深感谢电气学院的各位恩师的教诲和关心! 还要感谢所有关心我、帮助我、支持我，但这里还没有提及的人们，谢谢 你 们! 作者：江涛 2 0 1 0 年3 月于合肥工业大学 第一章绪论 1 1 多电平逆变器研究背景 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。近年来， 风力发电技术成为增长最快的新能源技术，而且各种因素表明，这种增长还要 继续持续。风力发电中的的风机趋向于越来越大的容量。m w 级的风机发电单元 已经调试。风机容量的增加意味着相应的电力电子装置和功率变换器都要工作 在更高的电压等级，以实现最大的效率。 两电平逆变器由于工作开关频率较高( 一般为几十k h z ) 会产生较高的开关 损耗，也会产生e m i ，同时由于开关器件工作时承受整个直流母线电压，所以会 产生很大的d u d t 和d i d t 。由于两电平逆变器存在以上缺点所以不适合在高电 压、大容量应用场合应用。 两电平变频器在高压大功率场合应用时，般采用多重化技术提高变频器 的电压等级或者在变频器的输入端与输出端通过变压器进行电压变换。显然在 上述过程中会降低整个系统的效率。多电平变频器通过增加输出电压的合成电 平数减小了输出电压的d u d t 提高输出电压的正弦度。多电平变频器相对于传统 的大容量变频器结构而言具有自身的优点：( 1 ) 适合高压大容量的场合。每一 个功率器件承受的关断电压仅为直流母线电压的一半，这样在相同情况下直流 电压可以提高一倍，容量提高一倍。( 2 ) 谐波含量少。对于n 电平的逆变器， 可产生n 层的阶梯性输出电压，可以使输出电压波形更接近正弦波，所以谐波 含量很小，提高了输出电压波形质量。( 4 ) 输出电平数的增加使得三电平逆变器 可以在较低的开关频率下输出正弦都较好的波形。开关器件一次动作的d v d t 只有两电平的1 ( n - 1 ) ，所以电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻。( 4 ) 效率高。消除 同样的谐波，二电平采用p w m 控制法，开关频率高，损耗大，而多电平逆变器 可用较低频率进行开关动作，损耗小，效率高。( 5 ) 相对两电平逆变器三电平 逆变器可以减小共模电压输出，降低电机绕组的电压力。 1 2 三电平逆变器拓扑结构i _ 三电平逆变器是多电平逆变器中应用最为普遍的一种拓扑，目前关于三电 平逆变器拓扑研究主要包括几种： 1 ) 二极管筘位型三电平逆变器( d i o d e c 1 a m p e dt h r e e l e v e l i n v e r t e r ) 二极管箝位型三电平逆变器又称n p c ( n e u t r a l p o i n t - c 1 a m p e d ) 是三电平 逆变器拓扑结构中发展最早，也是目前应用最普遍的一种拓扑结构。电路中每 一相由4 个功率器件串联构成，对4 个功率管按一定的开关逻辑进行驱动输出所 需要的电平数，合成相应的正弦波形。单相半桥结构二极管筘位型三电平逆变 电路如图1 1 所示。 c 1 图1 1 单相半桥结构二极管箝位型三电平逆变电路 在图1 1 中，电容c l 、c 2 为电路提供2 个相同的直流电压，d 1 、d 是两个 筘位二极管。当& ，、最：同时开通，配，、。同时关断时，逆变器输出正电压； 当疋：、疋，同时开通， s o 。、s o 。同时关断时，输出0 电压；当，、。同时开通， 。、：同时关断，输出负电压。按照一定逻辑控制s o 。四个开关器件的通 断，就可以在输出端合成三电平波形。将三个半桥结构的二极管箝位型三电平 逆变电路并联使用就可以得到三相三电平逆变电路拓扑结构。其中箝位二极管 的作用是：在中间两个开关管导通时把电平箝在零电位，同时把每个功率器件 承受的关断电压筘位在直流母线的电压的一半。 图1 2 所示的是一个单相二极管箝位型三电平全桥逆变器主电路结构图，按 照表1 1 所示的调制策略进行控制，就可以得到预期的输出三电平波形，如图1 3 所示。将三电平拓扑扩展到多电平变频电路只需增加分压电容和箝位二极管的 个数。在m 电平电路中，直流侧需要( m 一1 ) 个稳压电容，每一相桥路需要2 ( m 一1 ) 个开关管和( m 一1 ) ( m - 2 ) 个箝位二极管。 n 图1 2 单相二极管箝位式三电平全桥 逆变器拓扑结构 2 t 图1 3 单相二极管箝位式三电平全 桥逆变器输出波形 表1 1 单相二极管箝位三电平全桥逆变器开关状态表 v a o s a ls a 2s a 3s a 4 v d d 21100 0 0 110 - v d d 2 0011 2 ) 飞跨电容式多电平逆变器( f l y i n gc a p a c i f o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ， f c m i ) 图1 4 所示为飞跨电容式三电平全桥逆变器的拓扑结构图，直流侧电容不 变，用飞跨电容取代箝位二极管。比较箝位型拓扑可以看出，该拓扑结构需要 大量的辅助电容代替筘位二极管，m 电平逆变器，直流侧需要( m 一1 ) 个稳压电容， 每一相桥臂需要( 聊一1 ) ( m 一2 ) 2 个辅助电容器。在高压系统中需要大容量电容 增加了电容体积，提高了成本。 n 图1 4 飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构 3 ) 多单元串联多电平逆变器( m u l t im o d u l e c a s c a d e di n v e r t e r ，m m c i ) 多单元串联逆变器在单元间直流侧电压相等的情况下，串联单元数和输出 电平数之间满足“电平数= 2 k + i ”的关系，其中k 是每相的串联单元数。图1 5 为多单元串联多电平逆变器的拓扑结构图。 u a u b 几 l _ j i _ i 图1 5 单相串联三电平逆变器主电路图1 6 单相串联三电平逆变器输出波形 拓扑结构 如图1 5 所示，两个单相桥电路串联构成该逆变电路，每个单相全桥逆变器 有自己独立的直流供电电源。如图1 6 所示总的输出电压由两个串联单元输出电 压的叠加得到。 由于省去了箝位二极管或辅助电容所以提高了系统的效率。由于低压小容 量变换器级联技术成熟所以在模块化操作方面比较简单。由于是多个独立模块 的级联所以该拓扑中不存在中点电位不平衡问题。但是由于每一个独立单元都 需要一独立的直流供电电源，所以会增加系统成本。 1 3 多电平逆变器的控制策略 多电平脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n = p w m ) 控制技术是多电平逆变器 研究的核心技术。常用的多电平逆变器的p w m 控制算法主要有：载波调制法，特 定谐波消除法，空间电压矢量调制法等”j 。 1 、载波调制法p j 载波调制法是通过正弦调制信号与三角载波信号进行比较得到所需的p w m 脉冲信号的调制方法。常用的载波调制方法主要有两种：一种是单个正弦调制 信号与多个三角载波信号进行比较，另一种是多个正弦调制信号和三角载波进 行比较得到需要的p w m 脉冲信号。两种调制方法都可适用与三电平变频器控制。 2 、特定谐波消除法( s h e p w m ) 州 特定谐波消除法也是通过调制信号与三角载波信号进行比较得到需要的 p w m 脉冲信号，唯一不同点是，比较调制时所用的调制信号不再是标准正弦信号， 而是在正信息号的基础上叠加一定的零序分量得到的。为了产生预期的p w m 调制 效果必须在特定的开关时刻对开关器件进行控制。由于是在正弦信号的基础上 叠加一零序信号，通常是叠加一三倍频的基波信号所以可以提案高线电压利用 率，同时由于采取特定时刻控制p w m 信号发生所以可以对塔顶的谐波进行有效消 除。 4 3 、空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 【1 1 】 空间电压矢量脉宽调制起源于电机的控制，进而发展产生了空间电压矢量 的概念。根据使用空间电压矢量方式的不同，空间电压矢量法可以分为最近矢 量法和比较判断式空间电压矢量法两类。由于最近矢量法模型简单、实现方便， 得到了较为广泛的应用。空间电压矢量调制算法的基本原理是利用与参考电压 最接近的3 个开关矢量组合，并控制其作用时间，使一个控制周期内开关矢量输 出的平均效果与参考矢量相同。应用于多电平逆变器时，所用的开关矢量更密 集，控制更精确，输出电压更接近正弦波。但是对于多电平逆变器，关键问题 要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之内，还要考虑矢量 选择对中点电位的影响，同一种电压输出有不同的开关模式，不同的开关状态 的组合对筘位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的 开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。 这就是优化空间电压矢量的基本原理。 1 4 本文的主要研究内容 本文以二极管箝位型三电平逆变器为研究对象，深入地研究了其s p w m 和 s v p w m 算法以及控制策略。系统的对三电平逆变器实际应用中存在的问题进行研 究。对三电平乃至多电平技术的工程应用具有重要的指导意义。课题的研究内 容主要有以下几点： ( 1 ) 对多电平逆变器的研究现状和发展概况进行了综述，对比两电平叙述了多 电平技术在高压大功率领域中的优点。 ( 2 ) 介绍了三电平逆变器的主电路拓扑结构，并分析了其稳态和动态换相工作 过程。分析了常用三电平逆变器s p w m 调制原理。 ( 3 ) 在对两电平s v p w m 分析基础上，对三电平逆变器s v p w m 调制原理进行深入研 究。三电平逆变器共有2 7 个开关矢量，需要合理安排这些开关矢量的动作顺序 和矢量作用时间。 ( 4 ) 对二极管箝位三电平逆变器固有的中点电位平衡问题进行研究。分析了中 点电位不平衡的影响因素，并给出中点电位平衡控制方法。通过仿真和实验验 证了该中点电位平衡控制方法的有效性。 ( 5 ) 分析了三电平逆变器的共模电压问题。深入分析了共模电压的的产生原 因，并给出了抑制三电平逆变器共模电压的方法。通过仿真和实验验证了该共 模电压抑制控制方法的有效性。 ( 6 ) 对s v p w m 矢量发生的两种方法：基于d s p 的矢量发生和基于d s p + c p l d 的矢量 发生，进行了分析比较。 ( 7 ) 对主回路参数计算和控制回路的硬件结构进行了阐述。 ( 8 ) 设计并搭建了基于d s p 2 8 1 2 的i o k w 二极管箝位型三电平逆变器实验平台。 第二章三电平逆变器s p w m 控制 2 1 引言 三电平概念首先是由德国学者h o l t z 在1 9 7 7 年提出的，通过两个二极管进行 中点箝位形成了最初的三电平拓扑雏形。在其基础上，1 9 8 0 年由日本长冈科技 大学学者在i e e e - v 业应用( i a s ) 年会上首次提出了三电平拓扑结构，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。s v p w m 源于交流电机变频传 动控制的电压空间矢量控制技术，现在己被应用于电压型三相逆变器的控制中。 本章主要介绍的是三电平逆变器工作原理及常用的s p w m 控制策略。 2 2 三电平逆变器基本工作原理 在多电平逆变器所有拓扑结构中三电平逆变器是结构最简单实用性最强的 一种拓扑。所谓三电平是指逆变器交流侧每相相对于直流侧电位中点的输出电 压有三种可能的取值，即：正端电压、负端电压和中点零电位。前面提到，三 电平逆变器有多种拓扑结构形式，本文仅讨论二极管箝位型三电平逆变器，如 图2 1 所示。二极管箝位式三电平逆变器每一相需要4 个功率开关管，4 个续流二 极管，两个箝位二极管。箝位二极管能在中间两个功率开关管导通时把电平箝 在零电位，也能在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。如图2 1 所示，当 把筘位二极管见，换为一导线后，在功率开关管& ，导通时电容c l 将被短接。其 中每一个功率开关管承受正向阻断电压为2 。 与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器具有如下优点： ( 1 ) 适合高压大容量的场合。每一个功率器件承受的关断电压仅为直流母 线电压的一半，这样在相同情况下直流电压可以提高一倍，容量提高 一倍。 ( 2 ) 提高输出电压质量。n 电平逆变器的输出电压由n 阶电平数合成得到， 所以输出电压波形更加接近正弦波形，较高的正弦读提高了输出电压 波形质量降低谐波含量。 ( 3 ) 开关频率降低。由于输出电平数的增加使得三电平逆变器可以在较低 的开关频率下输出正弦都较好的波形。每次开关动作的电压变化率 d v d t 只有两电平的1 ( n - 1 ) ，有效降低了电磁干扰( e m i ) 问题。 ( 4 ) 效率高。传统两电平逆变器由于工作在较高的开关频率下所一会造成 较高的开关损耗，多电平逆变器由于工作在较低的开关频率下可以减 小开关损耗提高系统效率。 ( 5 ) 相对两电平逆变器三电平逆变器可以减小共模电压输出，降低电机绕 组的电压力。 6 图2 1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构 2 2 1 三电平逆变器稳态工作状态 三电平逆变器的每一相桥臂有4 个开关元件，以a 相为例，为最。、砖，、鼠：、 疋。有三种正常的开关模式，当r 。、配：导通时，a 相输出为正电压；当& ：、咒， 导通时，a 相输出为零电平；当豌，、& 。导通时，a 相输出为负电压。 以a 相为例，设器件为理想器件，不计导通时的管压降，来分析三电平逆变 器稳态工作状态。如图2 1 所示，定义电流由逆变器流向负载为正方向。整个工 作过程可分为以下三种工作状态。 ( 1 ) p 状态，即咒，、咒：导通，而& 。、咒。关断，数学运算时以“1 表示。当 a 电流为正时，如图2 2 ( a ) 所示电流从c l 正极流经只，、最，到输出端；当a 相电 流为负时，如图2 2 ( b ) 所示电流流经开关管的反并二极管到c l 正极。无论电流 正负输出电压均为垆。2 。 图2 2 ( a )图2 2 ( b ) ( 2 ) o 状态，即：、& ，导通，而疋。、疋。关断。数学运算时以“0 表示。当 a 相电流为正时，如图2 3 ( a ) 所示电流从c 2 正极流经箝位二极管d 口。、配：到输出 端；当a 相电流为负时，如图2 3 ( b ) 所示电流流经，、见：到c 2 正极。无论电 7 流正负输出电压均为0 v 。 图2 3 ( a )图2 3 ( b ) ( 3 ) n 状态，即，、最。导通，而、：关断。数学运算时以“一1 ”表示。 当a 相电流为正时，如图2 4 ( a ) 电流从c 2 负极流经，、疋。的反并联二极管到输 出端：当a 相电流为负时，如图2 4 ( b ) 所示电流经配，、疋。到c 2 负极。无论电流 正负输出电压均为一2 。 图2 4 ( a )图2 4 ( b ) 由此可见，每相桥臂的四个主开关功率管有三种不同的通断组合，对应三 种不同的输出电位。三电平逆变器的开关状态与输出电压关系如表2 1 示。 表2 1 三电平逆变器的开关状态与输出电压关系 开关状态v a n 导通器件流通路径 s a ls a 2 34 当乞 o 时，岛i ，岛2 主开关器件导通 图2 2 ( a ) l10o 甄。2 图2 2 ( b ) 当f 。 o 时，s a 2 主开关器件和d 。i 导通 图2 3 ( a ) 01100 图2 3 ( b ) 当屯 o 时，3 主开关器件和d 。2 导通 8 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。 2 2 2 三电平逆变器动态换相工作过程 为了深刻理解三电平逆变器的运行机理，有必要搞清楚其动态换相工作过 程。下面将对三电平逆变器p 、o 状态之间动态换相过程进行分析。 1 p 状态到0 状态的换相过程 ( 1 ) 负载电流为正方向 a 初始p 状态时主功率管s d i 、e ：导通，输出端电位与p 点电位相同。如图 2 5 ( a ) 所示电流路径为：pe g 位一只。既：一输出端。 b 主功率管& 。关断瞬间，由于此时喝也处于导通状态，这样导致隅、s o 。 瞬间短路，形成短路电流，其流通路径为：o 电位一陶一s o 。一p 电位一c l 一0 电位。 其大小由甓，的反向恢复电流决定。当蜕。的电流降为o 时，配截止，筘位二极管 阮流过全部负载电流，换相过程结束，如图2 5 ( b ) 所示。 c 换相过程结束后瓯，的触发导通，不会影响前面的工作状态，如图2 5 ( c ) 所示。 d 最后状态电流路径为：0 电位一喝一s o ：一负载。通过箝位二极管r d , 筘位 作用输出端得到一0 电位，如图2 5 ( d ) 所示。 c 图2 5 ( a ) 图2 5 ( b ) 图2 5 ( c )图2 5 ( d ) ( 2 ) 负载电流为负方向 a 从p 状态切换到o 状态前，虽然给s o 。、2 触发信号，但是由于电流反向， 所以初始状态为续流二极管q 、岛导通，p 电位输出到负载端。电流路径：负 载一职一口一p 电位，如图2 6 ( a ) 所示。 b 功率管最。关断对之前的状态没有影响，如图2 6 ( b ) 所示。 c 主功率管，导通瞬间，由于此时v d 2 也处于导通状态，这样导致v d 2 、s o ， 瞬间短路，形成短路电流，其流通路径为：0 电位一c 1 一p 电位一b d 2 一s o ，一v d 2 0 9 电位。当续流二极管d 1 、d 2 的电流降为0 时，箝位二极管v d 2 流过全部负载电流， 换相过度过程结束。电流完全从主功率管s o 。切换到箝位二极管v d 2 。如图2 6 ( c ) 所示。 d 最后的状态电流路径为：负载一s o ，一v d 2 一o 电位。直流回路的0 电位通过箝 位二极管v d 2 、主管，输出到负载端，如图2 6 ( d ) 所示。 图2 6 ( a )图2 6 ( b )图2 6 ( c )图2 6 ( d ) 2 三电平逆变器从0 状态切换到p 状态换相过程 ( 1 ) 负载电流为正方向 a 从o 电位切换到p 状态前，初始状态为主功率管最，、瓯，导通，0 电位输出 到负载端。电流路径为：0 电位一v d , 一s o ，负载。如图2 7 ( a ) 所示。 b 主功率管& ，关断，对之前的状态没有影响，如图2 7 ( b ) 所示。 c 主功率管触发导通瞬间，由于旧也处于导通状态，这样导致旧、s o ， 瞬间短路，形成短路电流，其流通路径为：0 电位一c 1 一p 电位一s o ，一v d i 一0 电位。 短路电流的大小有箝位二极管的反向恢复电流大小决定。当短路电流达到v d , 的反向截止电流时，短路电流开始减小，当v d , 的反向恢复电流降为o 时v d , 截 止，此时最管流过全部的负载电流，换相过度过程结束，如图2 7 ( c ) 所示。 d 最后的状态电流路径为：p 电位一墨，一e ，一负载。直流侧的p 电位通过主 功率管子s 。、最，输出到负载端，如图2 7 ( d ) 所示。 n 图2 7 ( a )图2 7 ( b ) 图2 7 ( c )图2 7 ( d ) 1 0 ( 2 ) 负载电流为负方向 a 从0 电位切换到p 状态前，初始状态为主功率管：、，导通，0 电位输出 到负载端。电流路径为：负载一s o ，一嗡一0 电位。如图2 8 ( a ) 所示。 b 主功率管配，关断，此时q 、d 2 导通形成环路短路电流，电流流通路径为： 负载一s o ，一哆一0 电位一c l p 电位一q 一砬一负载。短路电流大小由v d 2 的反向恢 复电流决定。当回路电流达到峨的反向截止电流时，短路电流开始减小，当v d 2 的反向恢复电流降为o 时v d 2 截止。此时d 1 、d 2 管流过全部的负载电流。换相 过度过程结束，如图2 8 ( b ) 所示。 c 主功率管配导通，对之前状态没有影响，如图2 8 ( c ) 所示。 d 最后的状态，电流流通路径：负载一d 一d l p 电位，如图2 8 ( d ) 所示。 图2 8 ( a )图2 8 ( b )图2 8 ( c )图2 8 ( d ) 2 3 三电平逆变器的控制要求 从上面分析的中点箝位型三电平逆变器动态工作过程可以看出：开关状态p 和0 、0 和n 可以相 互自由过渡，但p 和n 不能直接过渡，必须通过中间状态0 来过渡，不允许p 和n 间直接跳变；对 主开关器件控制脉冲是有严格要求的，为了防止同一桥臂短路，每一相总是相邻的两个开关器件 导通，其它两个器件关断。即：鼠l 与鼠3 ，配2 与s a 4 的驱动脉冲都要求是互补的，同时每一对 主开关器件要遵循先断后通的原则，即在脉冲中必须加入死区时间：为了确保开关管工作 在安全状态模式，必须严格限制脉冲信号的最小脉宽和最小间歇宽度。要保证 在最小脉冲宽度范围内开关器件处于导通状念，在最小脉冲间歇宽度内开关器 件处于关断状态。 2 4 三电平逆变器s p w m 控制 p w m 控制是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行 调制，来等效的获取所需要的波形。多电平逆变器正弦脉宽调制技术 ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o i l ，s p w m ) 是以正弦波作为调制波，以等 腰三角波作为载波进行调制的。因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成 线性正比例关系且左右对称，当它与任何一个缓慢变化的调制波信号相交时， 在交点时刻控制开关器件的导通与关断，就可以得到宽度正比与信号波幅值的 脉冲，这也正好符合p w m 调制的要求。正弦脉宽调制技术，即s p w m ( s i n u s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a r i