（电机与电器专业论文）二极管钳位式三电平逆变器pwm控制的研究.pdf

r e s e a r c ho nd i o d e c l a m p e dp w m t h r e e 1 e v e li n v e r t e r a b s t r a c t r 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 rh a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e re l e c t r o n i c s ， t h e r ei sm o r ea a dm o r es t u d yo ni t sc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h et o p o l o g yo fi t sp o w e r c i r c u i t i nc o m p a r i s o nt ot w o l e v e li n v e r t e r ，i th a ss o m ea d v a n t a g e sa sf o l l o w i n g ： 1 m u t i l l e v e li n v e r t e rr e d u c et h ed i d ta n dt h ed v d to ns w i t c h e s ；2 a tas a m e f r e q u e n c y ，am u l t i l e v e li n v e r t e r so u t p u t h a sab e t t e rw a v e f o r mt h a nt h a to fa t w o 1 e v e lo n e ；3 m u t i l l e v e li n v e r t e rc a nh a v eh i g h e rv o l t a g ew i t ht h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e ro fi t sl e v e l s ， i ta l s oh a v ei t sd i s a d v a n t a g e sa sf o l l o w i n g ：1 m u t i l l e v e li n v e r t e r sc o n t r o l s t r a t e g i e sa r em o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h a to fat w o l e v e li n v e r t e r ；2 c u r r e n tc o n t r o l i sm o r ed i 饿c u l ti nam u l t i l e v e li n v e r t e r ；3 s o m en e wp r o b l e m sa r i s e sl i k et h e f l u c t u a t i o n so ft h en e u t r a l p o i n t t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do ns v p w mm o d u l a t i o ns t r a t e g yu s e di nt h r e e - l e v e l i n v e r t e r t h r e eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h r e e l e v e li n v e r t e ra r ea n a l y z e d m a t l a bs i m u l i n ki su s e dt os i m u l a t es p w ma n ds v p w mm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s i nt h r e e l e v e li n v e r t e r a n dt h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fat h r e e l e v e li n v e r t e r b a s e do ni g b ta r ei n t r o d u c e d aa r i t h m e t i ci sa p p l i e dt oc o m p e n s a t et h et h do fi n v e r t e ro u t p u tr e s u l tf r o m t h ef l u c t u a t i o n so ft h en e u t r a l - p o i n t ，a n dt h e nc o n f o r m e dw i t h s i m u l a t i o ni n s i m u l i n k s o m ew a v e f o r m sf r o ms i m u l a t i o na n df r o me x p e r i m e n t a t i o n sa r ep r e s e n t e da t t h ee n do ft h i 8t h e s i s k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r p w ms i m u l a t ei g b t 插图清单 图l 一1三相多电平二极管钳位式逆变器主电路一2 - 图1 2 新型二极管钳位式多电平逆变器结构图- 2 一 图l 一3 三相三电平飞跨电容式逆变器- 3 一 图l 一4 单相级联型三电平逆变器一3 - 圈】一5 三电平多载波$ p w m 调制一5 - 图1 6 三电平s f o p w m 调制5 - 图2 1 二极管钳位式三电平逆变器主电路结构图一7 - 图2 2 三电平逆变器的统一电路结构中的一相一8 一 图2 3 三电平多正弦波调制一1 0 一 图2 4 三电平电路几种可能的丌关状态一1 1 - 图2 5 三相三电平逆变器空间矢量图一1 2 - 图2 6 第一大扇区内电压矢量图1 2 图2 7 s v p w m 最近三矢量法驱动波形一1 7 - 图2 8 当偏移度占= - + 1 0 时a 区的矢量图1 9 - 图2 9 三电平逆变器输出矢量模长误差与角度误差曲线2 1 图2 1 0 改进的空间矢量分区算法2 1 图2 1 1 传统s v p w m 控制算法和改进的s v p w m 控制算法输出电压波形及其频谱 j 析2 2 图2 1 2 传统s v p w m 控制算法和改进的s v p w m 控制算法中点电位波形2 3 图2 13 传统s v p w m 控制算法和改进的s v p w m 控制算法电机定子电流波形2 3 图2 一1 4 传统s v p w m 控制算法和改进的s v p w m 控制算法电机转矩波形2 3 图3 1三角载波的生成2 4 图3 2 基于m a t l a b 的三相三电平逆变器s p w m 控制方式p w m 发生器2 5 图3 3 三相三电平s p w m 仿真平台2 5 图3 4 基于m a t l a b 的s p w m 调制三电平逆变器各个丌关管驱动信号2 6 图3 5 基于m a t l a b 的s p 怫调制三电平逆变器的线电压及三相相电压一2 7 图3 6s v p w m 仿真的矢量分区信息模块2 7 图3 7 目标矢量旋转一个周期内的分区信息2 8 图3 8s v p w m 控制策略仿真多路p w m 通道选择开关2 9 一 图3 9 利用触发子系统的多个小区域的p w m 发生模块2 9 一 图3 1 0 第1 小区p w m 发生模块3 0 图3 11 三电平逆变器s v p w m 仿真系统。3 0 图3 一1 2s v p w m 仿真结果3 1 圈4 1t l p 2 5 0 原理及部分特性说明一3 3 图4 2采用t l p 2 5 0 的单桥臂m o s f e t 驱动原理图 图4 3 基于m o s f e t 的三电平系统结构图 图4 4 为实际基于m o s f e t 的二极管钳位式三电平逆变器系统 图4 5 为带电阻性负载的试验相电压和线电压波形 图4 6 为带电机性负载的相电压和线电压试验波形 图4 7 基于i g b t 三电平控制系统结构图 图4 8 基于i g b t 的三电平逆变器试验平台 图4 9 实际所设计的三电平低压变频装置 图4 一l0m 5 7 9 6 2 a l 结构图 图4 1lm 5 7 9 6 2 a l 外围应用电路 图4 一l2 双i g b t 驱动原理图一 凰4 一 37 4 l v x c 3 2 4 5 的电平转换电路 图4 一1 4 减法电路原理图 图5 一l主程序流程图 图5 2a d 启动流程图 图5 3c m p r x 时间计算的流程图 图5 4 矢量作用时问计算的流程图 图5 5p w m 启动子程序流程图 图5 6t 1 下溢中断服务子程序流程图 图5 7串口通信流程图 图6 一l 线电压波形( 纵坐标是电压值，单位v ；横坐标是时间， 4 9 一 图6 2相电压波形( 纵坐标是电压值， 4 9 图6 3 中点电压波形 图6 4线电压频谱分析 图6 一j 转子电流波形 图6 6 定子电流波形 图6 7 转速波形 图6 8 转矩波形 图6 9 中点电压波形 图6 一1 0 逆变器输出的p w m 线电压图 图6 一l l 带电机性负载电流波形 一3 4 一 3 5 一 3 6 - 3 6 一 - 3 7 一3 7 一 3 7 一 3 8 3 9 一 一3 9 一4 1 一 4 2 一 一4 3 一4 4 一 4 5 一 ，一4 6 一 一4 6 - 4 7 一 一4 7 单位p s ) 一 单位v ；横坐标是时阿，单位茚) 一 5 0 一 一5 0 ，5 0 5 1 一 ，5l 一 一5 1 一 一5 1 - 、一5 2 一 5 2 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表格清单 箱一大区内各小二角区剥应的空间矢量作用时间 三电平逆变器的a 相开关状态 最近三矢量法调制 = 电平逆变器空间矢量的分类 时间训算和矢量选择关系 1 3 1 3 一1 3 一 一1 7 ， 一2 2 独创性声明 本人声明所基交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成 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 盒胆点些厶堂 或其他教育机构的学位或 证一阽而使用过的材料。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 z 劈 签字日期v 獬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆些去堂有关保留、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 权盒日bl ：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 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1 1 i ) ：论文作者签名 学位论文作 工作单位： 通讯地址： 胎多“司 导师签名 签字日期：”品年占月 电话 邮编 日荫 ，犷 日 夸氍 致谢 本论文是在王群京老师、姜卫东老师等的悉心指导和亲切关怀下完成的， 王群京老师渊博的学识、严谨的治学态度、对科学研究孜孜不倦的追求以及高 尚的人格使我受益匪浅，成为促使我前进和学习的楷模! 王老师不仅在学业上 给我以启迪和教诲，而且在生活上给我以关心和支持，在此我要向王老师表示 衷心的感谢。 姜卫东老师孜孜不倦的探索精神、敏锐的学术洞察力使我终身难忘。在近 三年攻读硕士研究生期间，我得到姜老师的悉心指导和大力帮助，我向其表示 衷心感谢， 在硕士论文完成期间，得到了新型传动实验室很多老师和同学的指导和帮 助。特别感谢胡存刚老师、赵涛老师，他们在日常的生活和学习中给我很多的 帮助和支持。此外，还要感谢陈权、李争、王安邦、夏鲲、吴海岸等同学，他 们也对研究工作提出了很好的建议和意见。 最后我要感谢我的父母和兄弟。有了他们的鼓励和支持我才能够安心的完 成学业，他们是我前进的动力和支柱。 作者：王智 2 0 0 6 年4 月 1 1 多电平功率变换技术简介 第一章绪论 电力电子器件在过去的几十年里经历了晶闸管( s c r ) 、门极可关断( o t o ) 、 电力双极型晶体管( g t r 或b 3 t ) 和场控器件( i g b t 或k t o s f e t ) 三个阶段， 以及近年出现的各种新型开关器件如i g c t 、i e g t 等，电力电子器件的单管容量 与频率得到极大提高，但是在中高压大功率场合，两电平变换器靠单管仍达不 到耐压要求。为了实现中高压领域的变频调速，研究者们提出了功率开关器件 的串并联方式| 2 】、多重化方式、降压一普通变频升压方式、组合变换器相移 s p w m 技术等等来解决单管容量问题，但是均存在严重不足而不能很难应用于中 高压变频场合。日本长冈科技大学a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出的多 电平变换器思想很好的解决了该问题。该拓扑的直流侧串联两个电容分压实现 三个电平，每个桥臂用4 个功率开关串联，用两个串联的二极管和内部的功率 开关并联，二极管的中心和电容的中心连接，实现钳位，即中点钳位变换器。 该拓扑中，各功率开关在断开的时候承受直流侧电压的一半，因此适合用于高 压大功率场合。且该电路可推广到任意的n 电平。 多电平变换器具有很多优点： ( 1 ) 每个功率开关承受的电压为l ( n 1 ) 的直流侧电压( n 电平) ；( 2 ) 理论上电平数的增加可改善输出电压波形；( 3 ) 在相同的直流侧电压情况下， 比传统的两电平变换器，d r d r 减小，电磁干扰( e m i ) 大大减轻 3 1 ；( 4 ) 不需 要变压器，减少了系统的体积。 因此多电平变换器得到了广泛关注并大量应用于大功率中高压逆变场合。 1 2 多电平逆变器拓扑研究与现状 多电平逆变器从电路拓扑上主要分为：1 二极管钳位式( d i o d e c l a m p e d ) ： 2 飞跨电容式( f l y in g c a p a c i t 0 f s ) ；3 带独立直流源的级联的多电平逆变器。 1 2 1 二极管钳位式 对于一个n 电平的二极管钳位式逆变器，直流侧需要r l 一1 个分压电容，每 相( 1 ) 2 个开关器件，( 一1 ) 2 个反馈二极管和 一1 ) 一2 ) 个钳位二极管。 图l 一1 给出了三相多电平中性点钳位逆变器的结构。在其直流侧含有n 个 电容分别为c 一，c ：c 。若直流侧的总电压为e 。，那么每个电容上分得的电 压为e d ( n 一1 ) ，并且通过钳位二极管的钳位作用，每个开关器件上的电压应力就 限制在一个电容的电压电平e 。( n 一1 ) 上，这样逆变器合成的输出电压就可以相 对的提高了。 j - l d 雌i i 十 l 。 l 。 r f 阳 l t 。 ， i 嵋 0 。 + l - 二 r - 0 一 普 。j。 幽1 一l = 相多电平二极管钳伉式逆变器主电路 x i a o m i n gy u a n 提出了一种新型多电平逆变器电路拓扑1 4 - 6 1 ，如图1 2 所 口髑 ( 】) 传统的五电平逆变器( 2 ) 新结构的五电平逆变器 图l 一2 新型二极管钳位式多电平逆变器结构图 该新型结构图将二极管钳制于单个电容内，省去了二极管串联的副作用 使逆变器的控制更为简单。 二极管钳位式多电平逆变器优点： ( 1 ) 单个功率丌关承受的电压小，输出电平的d v d t 也大大减少： ( 2 ) 电平数越多输出波形更接近正弦，电压失真度( t h d ) 小； ( 3 ) 对开关频率的约束小； ( 4 ) 可控制无功功率流。 其缺点： ( 1 ) 需要大量钳位二极管； ( 2 ) 直流侧电压分布不均问题； ( 3 ) 随着电平数增加，控制越来越复杂。 1 2 2 飞跨电容式 为了简化二极管钳位式多电平逆变器拓扑，t a m e y n a ：r d 等提出了飞跨电 容式多电平逆变器拓扑，该电路采用串联的电容实现钳位。如图l 一3 所示 图1 3 二相二电平e 跨电容式逆变器 对于一个n 电平飞跨电容式逆变器，直流侧需要r l 1 个电容；每相桥臂需 要2 ( n 一1 ) 个功率丌关，一1 ) 一2 ) 2 个钳位电容器，因此钳位用电容比相同情 况下的二极管钳位式中钳位用二极管少很多。 7 - 9 1 该电路结构的优点： ( 】) 电平数增加，输出更接近正弦： ( 2 ) 对某以输出电压具有不同的组合： ( 3 ) 可控无功和有功功率流，可应用范围广。 其缺点： ( 1 ) 需要较多的电容钳位，开关损耗大： ( 2 ) 控制算法过于复杂，存在电容电压分布不均问题。 1 2 3 带独立直流源的级联的多电平逆变器 3 1 1 6 ” 图l 一4 为一个单相级联型三电平逆变器拓扑，由2 个单相全桥电路级联而 成，一个单项全桥逆变器由一个独立直流源供电，然后串联起来形成交流电压。 对于一个1 2 电平单相电路，需要( 7 1 ) 2 个独立直流源，2 ( n 一1 ) 个功率开关。 该电路不再需要大量的钳位二极管，但是电路中需要大量的独立电源，因此本 电路输出可采用星型和三角形连接。 该电路的优点 v d v d 图1 4 单相级联型三电平逆变器 ( 1 ) 无钳位二极管和分压用电容器，各分立模块间相对独立，易实现模块 化封装和维护： ( 2 ) 电平数越多，输出波形越好； ( 3 ) 利用直流源分压，降低了对直流电容容量的要求，而且可降低d v d t 和t h d ： 其缺点： 需要大量独立直流源。 以上三种主要的拓扑各有优点和缺点，飞跨电容式虽然不需要钳位二极管， 但是该拓扑引入了大量的钳位电容，影响了系统的可靠性，造价高，而且抑制 电容电位漂移的冗余矢量选择也使得控制算法尤为复杂；类似的级联型逆变器 引入了独立直流源，造成逆变器本身不适合四象限运行；而二极管钳位式逆变 器可以实现b a c k t o b a c k 连接，因此得到高度重视。 最近有很多学者提出了二极管钳位式逆变器的改进拓扑以及级联型逆变器 的改进拓扑等，提高了各拓扑的性能以及降低了成本。同时，许多学者专攻多 电平逆变器拓扑的统一，也取得了很多成果。 1 3 二极管钳位式多电平逆变器控制技术方法 目前多电平变换器的主要控制方法有：阶梯波调制、正弦三角载波调制、 目标代价函数最小p w m 、指定谐波消去p w m 、优化开关频率p w m 和空间矢量p w m 等。就不一一介绍，本文主要介绍二极管钳位式多电平逆变器的几个基本控制 策略”1 。二极管钳位式多电平逆变器具有控制和结构相对简单，支持能量的双 向流动，适合电机的控制。先简单介绍级联型多电平逆变器的控制方法。 1 3 1 级联型多电平逆变器的控制 级联型多电平逆变器产品主要问题是如何提高可靠性，这种逆变器控制一 般采用恒压频比控制，目前的问题是寻求较好的控制方式降低谐波，一般采用 多电平逆变器相移p w m 方法或基于谐波消去原理的单脉冲法和多电平最优空间 矢量控制方法等。u 4 1 3 2 二极管钳位式多电平逆变器的控制 二极管钳位式多电平逆变器的控制主要分为：1 ) 基于载波的p w m 技术( s h p w m ) ； 2 ) 指定谐波消去法( s h e p w i ) ；3 ) 空间矢量法( s v p w m ) 三种，还有针对 具体问题而产生的一些控制策略，如：由s a n d o rh a l a s z 等提出的谐波损耗最 小化最优p w m ( h a r m o n icl o s s m in i m i z e do p t i m a lp w m ) 等【1 5 】。 l 基于载波的p w m 技术( s h p w m ) o ”1 7 】 ( 1 ) 正弦波p w m 技术，由两电平s p w 技术直接拓展而来，是一种常用的 控制方式，利用正弦波与= ；= 角载波相比较得到的开关信号控制逆变器，根据载 波和正弦波数量的不同可分为多载波p w m 和多调制波p w m 。 ( 2 ) 开关频率优化p w m 技术( s f o p w k l ) ，是一种改进的s p w m 技术，在传统 的多电平s p w m 基础上注入零序电压z s v i ( z e r os e q k l e l c ev o lr a g ei n j e c t i o r ) 的窄脉冲补偿方法可大大减小输出电压的t h i ) ，提高直流侧电压利用率。 图1 5 三电平多载波s ? w i t 调制 图l 一6 - 2 电平s f o p w m 调制 2 指定谐波消去法ts h e p w t ) 【_ “”1 该控制方式通过开关时刻优化选择，消去选定的低次谐波，具有波形质量 高，效率高、滤波器设计尺寸小等优点，但是因为计算量过大，需要离线计算 保存大量数据。对控制芯片要求离，一般在对输出有很高要求时候使用。 3 空问矢量法( s v p w m ) 1 1 9 - 2 2 空间矢量p w m 调制原理是利用一个旋转的电压矢量替代三相正弦交流电压， 而矢量可实现的轨迹形成一个正六边形，将该正六边形划分为多个扇区，每个 扇区内的点都可用该六边形的若干顶点台戚得到，后面讲座具体描述。 空问矢量算法调制范围较大，直流侧电压利用率高；而多电平空间矢量控 制方式可认为其控制思想与两电平s v p w m 是一致的，但是具有电压矢量更“密 集”，合成时候“过渡”更自然，所台成磁链更接近圆形碰场等优点，且可平衡 直流侧分压电容电位等优点而得到广泛重视。但是其缺点有控制算法复杂等， 很难推广到5 电平以上，为此很多学者提出了一些s v p w m 简化算法，还有一些 学者为处理一些实际问题提出的s v p w m 控制算法的改进等。 1 4 本文的研究内容 基于以上分析，二极管钳位式多电平逆变器的s v p w m 控制具有很多优势， 将大量应用于电气传动中，所以，本文主要研究二极管钳位式多电平逆变器的 s v p w m 控制以及其实现。 本文的主要内容： 第一章以多电平逆变器为主综述了多电平变换器的拓扑结构的研究现状， 分析了三种主要拓扑电路的优缺点，以及一些重要的控制策略的研究现状和各 自的优缺点。 第二章详细介绍了以二极管钳位式三电平逆变器的三种主要控制策略为主 的该拓扑的几种控制方案，根据中点电位偏移原理提出了基于减少输出t h d 的 一种丌关调制策略。 第三章介绍了二极管钳位式三电平逆变器的s p w l i l 与s v p w m 的m a t l a b 仿真 平台的搭建。 第四章介绍了基于i g b t 的二极管钳位式三电平逆变器装置的硬件部分，包 括主电路的器件的选择以及无缓冲电路的实现，驱动电路，a d 采样板、一些保 护电路等的设计。 第五章介绍了该装置的软件控制部分，采用d s p 2 4 0 7 a 评估板实现包含无电 流采样的中点电位平衡治理的三电平空间矢量算法控制，并根据电机变频调速 的软启动等控制方案的实现。 第六章对仿真与实验波形进行了分析，验证了控制策略和控制方案的正确 性，分析了实验中发现的一些问题，最后展望了将来的研究方向。 第二章三电平逆变器的p w m 控制策略分析 2 1 极管钳位式三电平逆变器结构特点 2 1 1 二极管钳位式三电平逆变器结构拓扑图 如图2 1 为一个三相三电平二极管钳位式逆变器的主电路结构图， 一 = 书卑 一 zl i 培 培 一 一 2 ： 一 j 一一 蝎：j n 一 z、埘2 5 一 z 3z 一二 n _ 培增 一 图2 一l 二极管钳位式三电平逆变器主电路结构图 主要分为： 整流部分，如图2 1 左部分，作用是将交流电压转换成直流电压； 逆变部分，如图2 一l 中l 刈部分，是交一直一交逆变电路的核心部分，利用不 同的控制实现输出频率可变的交流电压； 中间直流环节，向被控电机提供无功功率： 主控制部分，包括信息处理电路，驱动电路，数据采样电路，输出电路等， 高性能的变频装置多采用高性能微处理器实现数字控制，主要靠软件实现多种 功能，完成对逆变电路的开关控制、过电压过电流等许多保护控制以及整流部 分的功率因数校正( 部分变频器具有该功能) ，增加装置的可靠性以及减少硬件 成本； 输出滤波环节，逆变器输出的p w m 波形经过l c 滤波器滤去高次谐波，降低被 控电机的转矩脉动等。 2 1 2 该拓扑的一些控制难点和相应解决方案简介 制约该电路运行的主要因素有：【2 4 1 ) 中点电位偏移问题，引起中点电位偏移的三个主要原因：电容参数不匹配； 开关延迟造成的电容负载不平衡；负载偶次谐波电流。中点电位偏移的治 理也是一个研究热点，主要分为硬件方法和软件方法。 ( 1 ) 、硬件方法有：【6 1 在直流电源和电容之间并入换流器，使中性点电流不经过电容而直接流入换 流器，或采用大电阻并在电容两端进行强行分压：西门子s i m o v e r l lm v 系列主 电路采用该模式。 由美国学者f a n g z h e n gp e n g 提出的多电平逆变器统一电路结构，具有电容 电压自均衡能力，其原理图如图2 2 所示，但是该电路元件使用过多，成本过 高 剀2 2 二电3 f 逆变器的统一电路结构中的一相 因而实用性不高。 ( 2 ) 、软件方法有：1 2 6 】 a ) 基于载波的s p w m 控制中可利用调整共模电压实现中点电位的治理； b ) s v p w m 控制实现中点电位偏移治理的策略主要有： 一种自平衡的空间矢量调制算法，通过将中心点的概念引入开关模式的选择 中，该方法实现了最小开关损耗、中点电位平衡、最小开关时间的限制等； 基一种n p c 三电平逆变器的滞环中点电位平衡控制方法。按照中点电压的状 态和中点电流的方向，通过p w m 控制来平衡中点电位，该方法可以用于任意 p w m 控制策略中。 选择多余的小矢量来控制中点电位波动，无电流传感器的中点电位偏移治理。 2 ) 窄脉冲问题，有关窄脉冲问题的研究报道的不多，窄脉冲的处理一般要结合 特定的p w m 方法解决，主要有： 零序电压注入z s v i ( z e r o s e q u e n c ev o lt a g ei n j e c t i o n ) 窄脉冲方法1 1 6 1 这种方法是我国学者薄保中等提出的基于三电平s p w m 控制方法的窄脉冲补 偿方法，通过在三相参考电压中注入零序电压分量补偿窄了脉冲。这种补偿方法 仅对三相参考电压今年性修正而不影响中点电位波动的控制，避免了传统的三 电平s v p w m 控制方法中两者之间的矛盾，通过增加最大、最小窄脉冲宽度提高了 系统的可靠性，而系统的性能却保持不变。 而目前研究较多的是基于三电平s v p w m 方法，主要有：【2 8 1 非最近三矢量( n 2 r 矿) 法则 2 9 1 ：韩国学者h y ol l i u 等对三电平逆变器s v p w m 进行研究，针对g t o 三电平逆变器出现的窄脉冲问题，提出了不同于传统三电平 逆变器s v p w m 控制方法一非最近三矢量2 7 1 y ( n o tn e a r e s tt h r e ev e c t o r ) 等方 法，虽然解决了窄脉冲问题，但是顾此失彼，又出现了谐波较大的问题；1 4 个小 区域控制方案1 3 0 1 ：韩国学者y o h a r tl e e 等对此进行了探讨，同时考虑窄脉冲问题 和降低元件开关频率提出了一种新的$ v p w m 实现方案，这种方法将6 0o 大三角形 区域再细分为1 4 个形状不同的小区域，研究每个小区的矢量作用顺序，这种方法 的缺点是小区划分主观性强，小区划分与脉冲宽度关系不清楚；小区划分数目过 多，微机在进行空间电压矢量控制，判断矢量位置时，运算量大，既费时又费事， 不方便实用：改变矢量作用次序的方法( 3 h ：g e 公司的j p l y o n s 等基于传统的 $ v p w m 实现方法，针对窄脉冲问题和中点电位波动问题，对于6 0 个区间内四个不 同的三角形区域，提出了各自的矢量作用方案。这种方法不能根除窄脉冲，只能 将其削减为一半。 3 ) 在交流输入侧会产生高次谐波，因为交流输入多为电网输入，易污染电网， 针对该问题采取的控制策略主要有采用晶闸管可控整流以及采用双p w m 控制等 来实现功率因素校正( p f c ) ； 4 ) 直流侧电压波动，可利用隔离变压器实现多脉波整流和在直流源后端串联上 平波电抗器等方法来降低直流侧电压波动； 5 ) 能量双向流动问题，为了使被控电机可实现四象限运行而必须实现电路中能 量的双向流动，一般采用双p w m 控制二极管钳位式三电平逆变的b a c k t o b a c k 电路。 从上面可以看到，基于s v p w m 技术和载波的s p w m 技术因为开关点在线计算， 所以可以进行中点电位偏移治理和窄脉冲补偿处理等，而基于开关点预置的 s h e p w m 技术一般不容易实现中点电位偏移治理和窄脉冲补偿，但是其也有其独 特的优点：输出不含低次谐波等。 2 3 1 2 2 二极管钳位式三电平逆变器三种基本控制方式 2 2 1 三电平正弦波p | l | m 技术( s p w m ) 分为多载波调制和多正弦波调制，利用三角载波与正弦波相比较得到的开关信 号来控制逆变器，多载波调制方式见图1 5 ；三电平多正弦波调制原理如图2 3 所示，西门子公司的产品就采用这种调制模式。基于载波的p w f l 技术可以 通过调整共模电压来控制中点电位，其控制算法相对简单，因此得到广泛应用。 1 2 5 1 13 2 】 圈2 3 三电平多正弦波调制 2 2 2 二电平指定谐波消击p w m 技术( s h e p w m ) $ h e p w m 调制方法就是将输出的p w m 波形进行傅立叶变换，将输出p w m 波分解为 基波和各次谐波，再通过一定的算法计算出特殊位置的开关角，从而消去指定 的低次谐波。该策略需要求解一组非线性方程，因为该方程中大量存在正弦函 数t 其导数很容易获得，所以 般采用牛顿迭代法求解，而迭代法对初始值的 选取1 f 常敏感，不合适的初始值将不能收敛得到结果，可采用以三角载波法生 成非线性方程组初始值的办法加快求解方稃组的速度，随着高速计算技术和廉 价大容量存储器的发展，该技术必将得到大量推广。1 3 3 2 2 3 二电平空问矢量p w m 技术( s v p w m ) 1 3 4 - 3 7 1 该控制思想与两电平空间矢量p w m 样，将a b e 三相电压转换为在平面坐标轴 上一个原点位于坐标轴原点旋转的电压矢量，三相电压u 。、u 。、u c 有： u = x 2 us i nc o t = u ，s i n m t u 。= 压渊n ( “一姿) ：，一t n ( 删一孥) j j u 。= j 。vs i n ( 叫一之马：u 。s i n ( 耐一孥) j j 对应的参考空间电压矢量i ，： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 矿= + 鹏+ = 瞄一：+ 吖害一：i 缈。一。， 2 2 3 1 单相桥臂状态分析 在三电平逆变电路中，某| 午目桥臂可能会出现三种开关状态。如图2 一日所示 a 1 ) “2 ”状态2 ) “l ”状态 3 ) “o ”状态 图2 4 三电平电路几种可能的开关状态 1 ) s 。状态，如图2 4 a 所示，也定义为2 状态，一种形式是上桥臂s 与s ：导通， 下桥臂s ，与s 。关闭，电流从直流源正极经过s ，与s ，流向输出a ，此时a 点电压 u 。= e ；在开关状态切换时刻以及由于感性负载的无功分量等原因引起的另一 种形式是下桥臂s ，与s 。关闭，电流由a 经过s 与s ：的续流二极管流入直流源正 极，此时也有a 点电压u 。= e 。 2 ) s 。状态，如图2 4 b 所示，也定义为l 状态，- , e e 形式是电流由中点0 经过 钳位二极管d 。和上桥臂的开关管s ，流向输出a ，此时a 点电压u 。= e 2 ；另 一种形式是电流由a 经过下桥臂的s ，和钳位二极管d ，流入中点0 ，此时也有a 点电压u 。= e 2 ； 3 ) s ，状念，如图2 ，4 c 所示，也定义为0 状态，一种形式是电流由直流源负极 经过下桥臂s 与s 。的续流二极管流向输出a ，此时a 点电压u 。= 0 ；另- , e e 形 式是电流由a 经过下桥臂的s 与& 流入直流源负极，此时也有a 点电压u 。= 0 ； 引入丌关函数s a 、s b 、s c 来代替( 2 4 ) 中的u a 、u b 、u c 则有： v = 兰( sd + s r 女e j 2 47 3 + 昂+ p 4 4 7 3 ) ( 2 5 ) 2 “一 2 2 3 2 三相三电平逆变器空间矢量图 三相三电平逆变器共有33 = 2 7 种开关状态定义为( s 。，s 。，s ，) 对应有1 9 个 空间电压矢量，其中有些不同的开关状态对应了同一个空间电压矢量，比如( 0 ， 0 ，0 ) 、( 1 ，1 ，1 ) 、( 2 ，2 ，2 ) 三个开关状态对应的三相电压u 。= u 。= u c ， 称为零矢量，这些开关状态在空间上形成一个如图2 5 所示多边形的各个顶 点，在利用最近三矢量合成目标矢量v ，按照所选择开关状态的不同将该正多 边形分成2 4 个小三角形：目标矢量v 是一个具有均匀角度步长、模长i 矿l 的旋 转矢量，其旋转角速度= 2 n f 。 v 1 3 幽2 5 三相三电平逆变器空l 司矢量图 2 2 3 3 三电平逆变器s v p w m 控制的最近三矢量法的实现步骤 三电平逆变器s v p w m 控制的最近三矢量法的实现步骤： 目标矢量的大小和角度确定其所在的小区域； 首先根据目标矢量的角度确定其所在大扇区，然后确定其所在小扇区。 根据其所在小区域按照最近三矢量法选择相应的三个矢量 计算三个矢量的作用时间 以第一大扇区为例，如图2 6 所示，为0 6 0 ”的情况 图2 6 第一大扇区内电压矢量图 假设目标矢量v 落在a 3 小三角形内，根据最近三矢量法知选择的合成矢量 为：k ( k 。或k ，) 、( 。或，) 、，根据矢量运算规则有： k 瓦+ 瓦+ k 瓦= y t ( 2 6 ) l + 瓦+ 瓦= t ( 2 7 ) 式中：k = 1 2 ；k = l ；巧= 3 p 。“6 2 ；巧= p ”2 ；v = v o e j 8 。 解方程( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可得到各矢量作用时间，表2 1 为第一大区内各 小三角形区各矢量作用时间，其他大区内均和该区对称。 小三角区 瓦 疋 a l 2 k t s i n ( z r 3 一口、 r 一2 k ts i n ( ：, r 3 + 臼) 2 足r s i n 0 a 2 2 t 一2 k t s i n q r 3 + 目1 2 k ts i n 0 2 k t s i n ( x 3 0 、一r a 3 ，一2 k ts i n 0 2 k t s i n q r 3 + 曰、一tt 一2 k t s i n ( 玎3 0 ) a 42 k r s i n 0 一t 2 k t s i n ( n - 3 一们2 t 一2 k t s i n ( x 3 + 0 ) 一 注：k = 4 3 ，0 k 1 确定矢量的作用顺序以及每个矢量的作用时间并利用硬件p w m 实现 三电平逆变器的s v p w m 控制基本原则如下：对应于a ( b ，c ) 相的三种状态， 为了保证每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，不能有状态“2 ”和状 态“0 ”的直接变换，而应通过状态“1 ”过渡，其通态特点是：每一相总是相 邻的两个开关器件导通，从而得到不同开关状态组合及相应的输出电压，s ，与 s ，不能同时导通，在稳态它们是逻辑非的关系，其驱动信号是互补的，同理， s ，与s ，。在稳态也是逻辑非的关系。表2 2 给出了a 相电位发生变化时，功率 开关器件的工作状态。无论采用何种控制方式生成的p w m ，其硬件及软件设计 应遵循表2 2 规律( “一”表示关断，“p 表示导通) 。 表2 2 三电平逆变器的a 相开关状态 a 相状态变换前功率器件状态变换后功率器件状态 变化 s 】1s 1 2s 1 3s 1 4s 1 1s 12s 1 3s 】4 “1 ”一“2 ” “2 ”一1 + 1 一0 “o ”一“l ” 基于以上的原则，张贤等提出了三电平逆变器s v p w m 控制的最近三矢量法 在各个小区内开关状态切换具体如表2 3 所示： 表2 3 最近三矢量法调制 表2 3 ( a ) 最近三矢量法内部6 个三角形的调制 d 11 11221ll 1ooo o001 v 0 v 1v 2v 0v 0v 2 v lv ov ov 2 v 1 v 0 v 0v 1v 2v 0 ll 2222 11】l0o oo11 l222 2 2 2llllo 0ll1 d 5ll12 2 1 1l1oo0 0oo1 v 0v 3v 2v 0 v 0v 2v 3v 0v o v 2v 3v 0v 0v 3 v 2v 0 l1 l22l 1 1 100ooo 0l 122222 21lll001 11 d 91l22 2 2 l1l1o0 0o1l v 0v 3 v 4 v 0 v 0v 4v 3v 0v 0v 4 v 3v 0v 0v 3v 4v o 】1l22lll 1000oo01 ll22221l llooool1 d 1 3l222 2 2 2llll00ll1 v 0v 5v 4v 0v 0v 4 v 5 v 0v 0 v 4v 5v 0v ov 5v 4v 0 1122 2 2 ll1loooo11 d 1 7l112 2 1 lll000ooo1 1 22222111 1 o 011l v ov 5v 6v 0v 0v 6v 5v 0 v 0v 6v 5 v 0 v 0v 5v 6v o 】 22222lll1ool l1 d 2 1 1 11 2 21l110oooo o 1 1 l22221ll1oo00 1l v 0v lv 6v 0v 0v 6v lv 0v 0v 6v lv 0v 0v l v 6v 0 瓦2r 。2 瓦2l 2 表2 3 ( b ) 最近三矢量法外部三角形的调制( 不含大矢量) 外部三角形的调制 n o 1n o 2 瓦正疋t瓦瓦毛瓦疋瓦正瓦瓦墨互瓦 112222222111l222 ol1l 1 22lll001122 d 3o0