（电力电子与电力传动专业论文）npc三电平逆变器svpwm控制策略的研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v e b e e n w i d e l yu s e d i nh i g h v o l t a g ea n d h i g h - p o w e ra p p l i c a t i o nf i e l d s a m o n gm a n yo fi t sm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s ，s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nh a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hp o i n t s t h em a i na d v a n t a g e so f t h es t r a t e g ya r et h ef o l l o w i n g ：i tp r o v i d e sl a r g e ru n d e rm o d u l a t i o nr a n g ea n do f f e r s s i g n i f i c a n tf l e x i b i l i t yt oo p t i m i z es w i t c h i n gw a v e f o r m s ；i ti s w e l ls u i t e df o r i m p l e m e n t a t i o no n ad i g i t a lc o m p u t e r ；i th a sh i g h e rd cv o l t a g eu t i l i z a t i o nr a d i o t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n db a s i cc o m p o n e n t so ft h r e e 1 e v e li n v e r t e rs y s t e n la r e s t u d i e da sf o l l o w i n gp o i n t s ： 1 t h i st h e s i sh a v er e s e a r c h e dt h et o p o l o g yo f t h r e e - l e v e l - i n v e r t e r , a n dd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo ft h et h r e e - l e v e l - i n v e r t e r 2 t h ep r i n c i p l eo ft h ev o l t a g ev e c t o rm o d u l a t i n gt e c h n i q u ei ss t u d i e db a s e d0 nt h e p r i n c i p l eo ft w o - l e v e li n v e r t e r as p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db y u s i n gt h en e a r e s tt h r e ev e c t o r sa sr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o r t h ej u d g i n gr u l e so ft h e s m a l ls e c t o r sa n dt h eo u tv o l t a g ev e c t o rs e q u e n c ea n dt i m ea l e p r e s e n t e da sw e l la st h e p r o d u c i n go ft h es i g n a l sf o rs v p w m t h em a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e sn e u t r a l p o i n t v o l t a g eb a l a n c eo f t h r e e - l e v e li n v e r t e ri sd e e p l ys t u d i e d a f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tv e c t o rt o n e u t r a l - p o i n tv o l t a g e , at h e o r yw h i c hc a nr e a l i z et h eb a l a n c eo f n e u t r a l - p o i n tv o l t a g ei si n t r o d u c e d 3 am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e - l e v e li n v e r t e rw a ss e tu p b a s e do l lt h es t a t e f e e d b a c kd e c o u p l i n g , t h ed u a l - c l o s e - - l o o pc o n t r o lo fd c m o t o ri sa p p l i e dt ot h r e e - l e v e l i n v e r t e r a sar e s u l lt h et h r e e l e v e li n v e r t e rh a sf a v o r a b l ed y n a m i ca n ds t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c e , s i n u s o i d a lo u t p u tc u r r e n ta n du n i t yp o w e rf a c t o r 4 t h i st h e s i ss i m u l a t e sa l g o r i t h mp r o p o s e dw i t hm a t l a b t m s 3 2 0 f 2 8 12d s pi s c h o s ea st h em a i nc o n t r o l l e rt o c o m p l e t es y s t e ms o f t w a r e w i t ht h ea l g o r i t h m ， w a v e f o r m s ，w h i c hv e r i f yt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，w e r ea c h i e v e do nt h r e e 1 e v e li n v e r t e r k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e li n v e r t e r , s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；n e u t r a l p o i n t - b a l a n c e ； d u a l c l o s e - l o o pc o n t r o l ；d s p c l a s s n o ：t m 4 6 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：善7 2 旦，堵 签字日期：2 研年7 月弓日 导师签名：己主 鲁 签字日期：加哆年7 月岁e t ， 独创性声明 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工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：荐坦i 垣 签字日期：d c 7 年7 月j 日 致谢 本论文是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严谨的治 学态度、勤勉的工作作风和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心 感谢两年来王立德老师对我的关心和指导。 童亦斌副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向童亦斌副教授表示衷心的谢意。 在实验室科研工作和撰写论文期间，金新民教授，刘金斗老师都给予我极大 的鼓励和帮助，在此向他们表示感谢! 张禄、谢路耀、王天亮、施韵等同学对我 论文和研究工作都给予热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 绪论 1 绪论 1 1多电平逆变器的研究现状和发展前景【1 捌 多电平逆变器是在1 9 8 1 年由n a b a e 等人提出的“中点箝位p w m 逆变器( n e u t r a l p o i n t c l a m p e dp w mi n v e r t e r ) 的基础上发展起来的【3 】，其后在高压大功率变频 调速器方面得到了广泛的应用。 多电平逆变器的一般结构是有几个电平台阶成阶梯波以逼近正弦输出电压。 在过去两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并联方式 【4 5 1 ，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件的开关 特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低，使这种方 案非常麻烦甚至很难实现。许多情况下也采用交一直一交变频方式，在这种方式 中，或是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大功率，或是在交流输久 侧和交流输出侧分别采用低压变换器【6 ”。很明显，以上两种方法均采用了笨重、 昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现中间环节电流过大，系统效率 下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多缺点，人们希望采用直接的高压 变换器方式，这就对变换器所用器件提出了更高的要求，特别是需要承受很高的 电压应力，因此，人们提出了一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需 升降压变压器，又无须均压电路的多电平变换器。 多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统逆 变器较高的d v d t ，d i d t 所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路拓扑结 构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善输出波形 的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角度，它更适 合于大功率场合。 多电平逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频 谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，且无需均压电路，开关器件在输出电 压基频以下开关损耗小，可避免大的d v d t 所导致的各种问题。尤其是八十年代以 来，以g t o ，i g b t 为代表的第三代电力电子器件，以及以d s p 为代表的智能控制 新片的迅速普及，为多电平变换器的研究和实际应用提供了必要的物质基础。 目前为止，三电平逆变电路已进入实用化阶段【8 】，对其进行研究和分析很有实 际意义。一般认为多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上，按照类似的拓 扑结构拓展而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正 北京交通大学硕士学位论文 弦波，谐波成分越少。但这种理论上可达到任意n 电平的多电平逆变器，在实际 应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下， 并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。国外也有对七电平及更高电平的 研究，但都还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。 目前三电平逆变器的主要控制方法有正弦波p w m 法，低次谐波消去调制法和 空间矢量p w m 法等。在这些方法中，空间电压矢量法是较为优越和应用广泛的一 种，其优越性表现在：在大范围的调制比内有很好的性能，无须其它控制方法所 需的大量角度数据，母线电压利用率高【9 】等。控制方法的研究是三电平逆变器研究 的一个热点问题。 三电平逆变技术在国外已逐步进入实用阶段，但国内还处于萌芽状态，有大 量的工作需国内研究者去做，且市场需求旺盛。随着新型电力电子器件及d s p 智 能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显身手。i g c t 和高压 i g b t 等新型器件近来的发展使p w m 逆变器在工业及牵引应用中成本降低的同时 性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电g t o 逆变器正逐渐被使 用i g c t 及i g b t 的两电平或三电平p w m 逆变器所取代【l o 】，随着减少电磁和噪声 等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。 1 2三电平逆变器的拓扑结构 三电平逆变器的拓扑结构在两电平逆变器的主电路基础上进行改进，改进后 得到的新拓扑结构具有降低了开关器件的工作频率、减小了开关器件应力、降低 输出电压谐波含量等优点。三电平变流器的主电路拓扑结构，主要可分为三种f 1 1 , 1 2 】： 飞跨电容箝位型三电平逆变器( f l yc a p a c i t o r s ) 、级联型三电平逆变器( c a s c a d e d ) 和二极管箝位型三电平逆变器( d i o d ec l a m p e d ) 。 1 2 1飞跨电容箝位型三电平逆变器 飞跨电容箝位式逆变器【1 3 1 是1 9 9 2 年由t a m e y n a r d 和h f o c h 提出来的，其拓 扑如图1 1 所示。和二极管箝位式相比，用电容取代了箝位二极管，即通过电容来 进行箝位。 2 绪论 图1 1e 跨电容箝位型三电平逆变器 f i g1 1f l y i n g - c a p a c i t o r - c l a m pt h r e e - l e v e li n v e r t e r 与二极管箝位式逆变器相比，它的开关选择更为灵活。在合成同一空间电压 矢量时有较多的选择，以使直流侧电容电压保持均衡，从而对该种拓扑的逆变器 控制策略进行优化。但同时，在省去大量二极管的同时又引入了大量电容，使得 系统的体积和成本增加。其次因为在输出同一电平时有不同的开关组合，使得系 统的控制变得复杂。 1 2 2级联型三电平逆变器 级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器【1 4 , 1 5 】，是多电平逆变器家族中出 现最早的一种。1 9 7 5 年e h a m m o n d 提出了采用隔离的直流电源作输入，多个h 逆 变桥输出端相串联的结构。通过几个独立直流电源合成一个期望的电压，拓扑结 构如图1 2 所示( 图中只画了一相，其余两相与之相同) 。级联型三电平逆变器不 需要额外的箝位二极管或者电容，通过每级四个开关器件的任意组合输出三种不 同的电压值，这种拓扑结构存在以下优点： ( 1 ) 器件在基频下开通和关断，损耗小，效率高； ( 2 ) 不需要额外的箝位二极管或者电容，易于封装和模块化设计； ( 3 ) 无直流侧电压不均衡的问题； ( 4 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越小。 但是它也存在着需要多个独立直流电源和不易四象限运行的缺点。 3 北京交通大学硕士学位论文 图1 2 级联型三电平逆变器 f i g1 2c a s c a d e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 1 2 3二极管箝位型三电平逆变器 二极管箝位型逆变器又称中性点箝位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d - n p c ) 逆变器 b 6 , 1 7 】。电路结构由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年j a s 年会上提出，以两电平逆变器为基 础，直流侧电容数量增加到两个，每相桥臂开关管数量由两电平的两个变为四个， 并在每相桥臂上增加箝位二极管。从而在正、负两种电平的基础上，加入了一个0 电平，变成三电平，使得输出电压波形的正弦度提高，波形质量有一定改善。具 体拓扑结构图如图1 3 所示。 二极管箝位式逆变器特点有： ( 1 ) 每个开关器件承受的直流侧电压值降低为直流侧电压值的一半；波形质 量得到改善的同时降低了开关频率； ( 2 ) 电压上升率d v d t 降低为两电平变流器的一半； ( 3 ) 输出电压电平数的增多，每个电平相对幅值降低，电压变化减小，电流 脉动降低，降低了电磁干扰； ( 4 ) 三相中某项输出电压为零时有电流流入或流出直流侧电容中点，当流入 与流出电流不相等时造成上下电容电压不等，中点电位漂移，影响输出电压波形 质量； 4 绪论 ( 5 ) 同一桥臂上的功率器件的开关频率不同，桥臂中部的功率开关和靠近直 流母线侧的功率开关相比，前者的导通时间远大于后者，所承担的负荷也较重。 造成开关器件的利用率不同。 图1 3 二极管箝位型三电平逆变器 f i g1 3d i o d e - c l a m pt h r e e - l e v e li n v e r t e r 1 3三电平逆变器的控制策略 p w m 控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它不仅决定了多。 电平逆变的实现与否，而且对多电平逆变器的电压输出波形质量，电路中有源和 无源器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。 三电平变流器主要的控制算法主要有：正弦波p w m 调制、低次谐波消去调制 和空间电压矢量( s ? 调制l l 引。 正弦波p w m 调制：s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 法是一种比较成熟的、目前使用 较广泛的p w m 法。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。s p w m 法就是以该结论为理论基 础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形即s p w m 波形控制 逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波 在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可调节逆变电路输 出电压的频率和幅值。 低次谐波消去调制：低次谐波消去法是以消去p w m 波形中某些主要的低次谐 波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u ( c o t ) = a n s i n ( c o t ) ，首先确定基波分量a 1 的值，再令两个不同的a n = o ，就可以建立三个 5 北京交通大学硕士学位论文 方程，联立求解得a 1 、a 2 及a 3 ，这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然 可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能 会相当大，而目同样存在计算复杂的缺点。 空间电压矢量( s w w m ) 调制：空间电压矢量控制p w m ( s w w m ) 也叫磁通正 弦p w m 法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转 磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通， 由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成p w m 波形。此法从电动机的角度出发， 把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获 得幅值恒定的圆形磁场( 正弦磁通) 。 1 4本论文研究目的及主要内容 三电平逆变器是目前大容量、中高压电机调速的主要实现方式之一，较之传 统的两电平逆变器，主要优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。同时，由 于其逆变状态比传统两电平多若干倍，加之前端三线整流所带来的中点电压浮动， 使波形算法的复杂程度也随之剧增。电压空间矢量脉宽调带t j ( s v p w m ) 方式本质上 是依赖于开关矢量的选择以及开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降 低开关频率，减少了交流侧电流的总谐波畸变率，提高了母线电压利用率，目前 三电平逆变器多采用s v p w m 控制方式。本文选择二极管箝位型三电平逆变器作 为主要的研究对象。 本文的主要的内容如下： ( 1 ) 对三电平逆变器的发展前景进行了综述，研究了三电平逆变器的工作 原理，详细分析了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构以及控制要求。 ( 2 ) 分析了空间电压矢量调制算法相对于其它方法的优点。对三电平逆变 器空间电压矢量调制算法的计算公式进行详细推导，分析了三电平逆变器直流侧 电容电压不平衡问题的产生，对开关矢量作了有利于中点电压控制的优化，结合 中点电位控制来确定开关矢量的作用顺序，使仿真和实验都比较容易实现。 ( 3 ) 在三电平逆变器的并网控制方式上，采用电压外环与电流内环双闭环 控制系统，实现了直流侧电压与网侧电流的控制，并且实现了单位功率因数正弦 波电流控制。 - ( 4 ) 通过m a t l a b 仿真软件以及i g b t 三电平实验台对三电平逆变器 s v p w m 控制方法进行了仿真和实验，证明了该方法的正确性和可行性。 6 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构的研究 2 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构的研究 2 1二极管箝位式逆变电路的拓扑结构 对于两电平的逆变电路来说，电路输出的相电压有：u a c 和u d c 2 。( u d c 为直 流侧输出电压) 两种电平。如果能使逆变电路的相电压输出更多的电平，就可以使 其波形更接近正弦波。这种电路也称为中点箝位型( n e u 锄lp o i n tc l 锄p e d ) 逆变电路 1 1 9 ，图2 1 是中点箝位三电平逆变电路图。 图2 1n p c 三电平逆变器主电路 f i g2 1m a i nc i r c u i to f n p ct h r e e - l e v e li n v e r t e r 该电路的每一相桥臂有四个开关元件、4 个续流二极管和两个箝位二极管。两 个串联器件的中点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接。箝位二极管的作 用是在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。 在图2 1 所示的三电平逆变器主电路结构中。其中，平均每个主管承受正向阻 断电压为直流侧母线电压的一半。与传统的两电平拓扑结构相比较，中点箝位式 三电平逆变器主要优点是：器件具有2 倍的正向阻断电压能力。i 能减少谐波和有 效地降低开关频率，从而使系统损耗小，如从开关频率达到同样输出性能指标来 衡量，三电平的开关频率将是两电平的1 5 ；且其电压上升率( d v d t ) l ：l 两电平通用 逆变器降低一半，污染电气性能的电流上升率( d i d t ) 也随之减少，能明显降低损害 电机的绝缘性能而延长其工作寿命；随着电平数增加，每个电平幅值相对降低， 电压变化减少，主电路电流含有的脉动成分小，转矩脉动和电磁噪声降低；若三 电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星形负载，则负载中将不会有3 的倍数次 谐波电流流过。 7 北京交通大学硕士学位论文 从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，四个开关器件开关状态共有 1 6 种，但由于t 1 与t 3 是逻辑非的关系( 同样t 2 与t 4 也是逻辑非的关系) 因此有 效状态只有3 种情况。下面以a 相为例，来描述相电压的三种输出状态。 ( 2 ) o 状态lu o - = 0 图2 2 三电平逆变器a 相输出状态 f i g2 2t h eo u t p u ts t a t eo f ap h a s ei nt h r e e - l e v e li n v e r t e r ( 1 ) 给t l 、t 2 导通触发脉冲，t 3 、t 4 关断时：如负载电流为正方向( 假设负载 电流由逆变器流入负载方向为正，反之为负) ，电流流过t 1 、t 2 ，忽略管压降，a 相输出电压u = u d c 2 ；如负载电流为负方向，电流流过d 1 、d 2 ，a 相输出电压是 u = u d c 2 。 ( 2 ) 给t 2 、t 3 导通触发脉冲，t l 、t 4 关断时：如负载电流为正方向，电流流 过d 5 、t 2 ，a 相输出电压u = 0 ；如负载电流为负方向，电流流过t 3 、d 6 ，a 相 输出电压u - - 0 。 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构的研究 ( 3 ) 给t 3 、t 4 导通触发脉冲，t 1 、t 2 关断时：如负载电流为正方向，电流流 过t 3 、t 4 ，a 相输出电压u = - u r r 2 如负载电流为负方向，电流流过d 3 、d 4 ， a 相输出电压u = - u o c 2 。 2 2二极管箝位式逆变电路的控制要求 三电平逆变器的驱动控制基本原则下：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，应使每相电位不在u d c 2 和 - u a c 2 之间直接变化，而应通过中性点电位过渡，其通态特点是：每一相总是相邻 的两个开关器件导通，其它两个器件关断，从而得到不同开关状态组合及相应的 输出电压，表2 1 给出了a 相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态。在设 计时，无论采用何种方式生成p w m 波形，其硬件及软件设计应遵循表2 1 规律r 表示关断，“+ ”表示导通) 。 表2 1 三电平逆变器a 相开关状态 t a b2 1t h es w i c hs t a t eo f ap h a s ei nt h r e e - l e v e li n v e r t e r 变换前功率器件状态变换后功率器件状态 a 相状态变化 t l t 2t 3t 4t 1t 2 t 3 t 4 o l + 1 一o + o 一一1 + 1 - o + 9 三电平逆变器s v p w m 控制策略 3 三电平逆变器s v p w m 控制策略 交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转 磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转 磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制 ，磁链轨迹 的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量 p w m ( s v p w m ，s p a c e v e c t o rp w m ) 控制”。 用空间电压矢量脉宽调制( s p a e ev o l t a g ev e c t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) 的方法 控制三相逆变器，与s p w m 控制相比，其直流电压利用率要高一些，在调节输出 电压基波大小的同时也可以减少输出电压中的谐波。并且通过合理地选择开关状 态的动作顺序可以减少逆变器状态转换时功率开关的动作次数，因此在获得相同 的输出电压波形质量的情况下，功率开关的工作频率可以降低一些。 三电平s v p w m 逆变器与两电平s v p w m 逆变器在s v p w m 调制的原理上是 一致的，但由于三电平逆变器需控制的矢量比两电平的多得多，算法也复杂得多。 三电平逆变器s v p w m 算法主要包括参考矢量所在扇区的判断及工作模式判断、 开关矢量的选择优化、开关矢量作用时间计算、及所选矢量作用顺序的确定。本 章通过介绍两电平s v p w m 调制策略的基本原理，引出三电平s v p w m 的调制策 略f 2 0 1 。 3 1两电平空间电压矢量脉宽调韦i ( s v p w m ) 的基本原理 3 1 1两电平逆变器工作原理 图3 1 两电平逆变器主电路图 f i g3 im a i nc i r c u i to f t w o - l e v e li n v e r t e r 传统的两电平逆变器主电路如图3 1 所示。可看出，逆变器共有三个桥臂，每 北京交通大学硕士学位论文 相桥臂有2 个开关元件和2 个续流二极管。各相都有相同的两种正常的开关模式， 以a 相为例：当t l 导通，t 4 关断时，a 相输出正电平；当t 4 导通，t l 关断时， a 相输出负电平。所以称之为两电平逆变器。因此，逆变器输出端点a 电压波形 是两电平的阶梯波。b 、c 相电压波形同样是两电平的阶梯波。另外，该电路每相 桥臂上的两个开关器件的驱动信号应满足互补条件。 3 1 2三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换【2 1 】 s v p w m 源于交流电机变频控制的空间电压矢量p w m 控制技术，后被应用于 电压型三相逆变器控制。根据电压空间矢量的定义，当电动机端电压为三相对称 的正弦波电压时，其合成电压空间矢量端点轨迹是一个与电压幅值有关的圆。 s v p w m 技术就是从这个角度出发，以该圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产 生的实际电压空间矢量去合成一个理想的等效n ( t g 称磁链圆) ，形成s v p w m 波 形。 图3 2 三相静止坐标系到网相静j 卜坐标系的变换 f i 9 3 2t h et r a n s f o r mf r o mt h r e e p h a s e ss t a t i o n a r yc o o r d i n a t e st ot w o - p h a s e ss t a t i o n a r yc o o r d i n a t e s 首先介绍三相静止坐标系与两相静止坐标系的变换，如图3 2 所示，要将三相 静止参考坐标系( a b c ) 变量变换成两相静止参考坐标系( d q ) 变量，坐标变 换原则是：空间矢量u 在a 、b 、c 三个轴上的投影正好为三相静止坐标系中a 、 b 、c 三相的瞬时量。假设d 轴与a 轴重合，忽略零序分量，设三相交流系统各 相电压为： iu = udc o s ( c o t ) _ 2 = c o s ( c o t - 1 2 0 。) ( 3 1 ) 【“c = c o s ( c o t + 1 2 0 。) 又因为： 1 2 三电平逆变器s v p w m 控制策略 所 l 屹= c o s ( c o t ) 1 - - - u ds i n ( c o t ) ( 3 2 ) 综合式3 1 ，3 2 ，得到三相静止坐标系与两相静止坐标系的变换关系如式3 3 = ：一圭+ 孚 ：一三一譬 ( 3 3 ) b = 万1 ”去“c 。4 ) = 州嗉一去) 三i：=2幕11 轰l 罱1 5 ， ：詈屹+ c 一圭+ ，孚，z 吃+ c 一三一，孚，心1 。工) 3 1 3 两电平逆变器s v p w m 基本原理 在图3 1 中每一桥臂的上下两个功率开关的驱动信号是互补的。如果引入a 、 b 、c 桥臂的开关变量s a 、s b 、s c ，定义s a - - - , 一，s b = u 矗，s c = c ， 则有： u j = 疋：当t 1 导通，t 4 截止时s a = l ，这时= 疋= c ； 1 3 北京交通大学硕士学位论文 当t 4 导通，t l 截止时s a = 0 ，这时u = 鼠u m = 0 。 = 最：当t 3 导通，t 6 截止时s b = l ，这时= & = c ； 当t 6 导通，t 3 截止时s b = 0 ，这时“。= s u n r = 0 。 = c ：当t 5 导通，t 2 截止时s c = l ，这时= = c ； 当t 2 导通，t 5 截止时s c = o ，这时u c = 母u n ，= 0 。 于是，每个桥臂输出端的电压可用各桥臂的开关变量和电源电压u 疗r 的乘积表 示，用( s as bs c ) 表示三相逆变器的开关状态，由于s a 、s b 、s c 各有两种状态：0 或l ，因此整个三相逆变器共有2 3 _ 8 种开关状态，& o ( s as bs c ) 为( o00 ) 、( 001 ) 、 ( 010 ) 、( 0l1 ) 、( 100 ) 、( 101 ) 、( 1 1o ) 、( 111 ) j k 种开关状态。把以上八种开关 状态分别称为状态0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 ，每种开关状态对应一组确定的a 、b 、 c 各相电压和线电压瞬时值。表3 1 示出八种开关状态时的线电压、相电压。 表3 1开关状态及输出电压 逆变器状态 s a s b s cu a a h 8 c u c u u b u c ，u i ) c? u ? ud c? u 甓? u 叱? um 00 0 0ooo 0o0 10 0 1o_ 11 1 31 32 3 20 1 01l01 32 3 1 3 3 0 1 11o1 2 31 31 3 41 0 0l0l2 3 1 31 3 51 0 1l- l0l 32 3 1 3 61 1 0 o1 11 31 3 2 3 71 1 1 ooo0 00 导通和上管t 1 、t 3 、t 5 同时导通，在这两种开关状态时三相逆变器的输出电压全 为零，称之为零态，其它6 种称为非零状态。当处于六种非零状态：4 ( 1 0 0 ) 、6 ( 11 0 ) 、 2 ( 0 1 0 ) 、3 ( 0 1 1 ) 、1 ( 0 0 1 ) 以及5 ( 1 0 1 ) 1 j 寸，等效于图3 3 中的六个电压矢量瓦、瓦、 瓦、瓦、玩和瓦。这六个矢量分别位于p = 研：o 。、6 0 。、1 2 0 。、1 8 0 。、2 4 0 。和 3 0 0 0 的位置上。 1 4 三电平逆变器s v p w m 控制策略 ( 0 1 1 ) 图3 3 两电平空间矢量分布图 f i 9 3 3s p a c ev e c t o rd i a g r a mo f t w o - l e v e li n v e r t e r 为了在逆变器内部利用开关器件的通、断状态的实时控制，调控输出电压的 大小及其波形，可采用从逆变器的六个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选 择两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量u ，调控u 的大小和相 位，来实现三相逆变器输出电压的调控，这种控制原理称为电压空间矢量p w m 控 制。 改变开关变量s a 、s b 、s c ，可以获得、饥、u 和虬这六个特 定矢量及、两个零矢量哎。为了直接获得任意相位角0 且幅值可控的旋转 矢量”，把图3 3 中的3 6 0 0 区域划分为六个6 0 0 的扇区，如果要求u 的相位角o = c o t 为任意指令值，则可以用矢量“所在的扇区边界的两个相邻的特定矢量u 。和u ：， 以及零矢量u 合成。在时间很短的一个开关周期t n 中，矢量u 存在t n 时间，其 效应可以用u 。存在t 。时间、u ，存在t y 时间以及零矢量矿存在t 0 时间来等效。 即： u 正+ u ，z + u o 瓦= 1 1 巧 ( 3 6 ) 令二与玩间夹角为乡，由正弦定律算得： 之枣：生 7 ) s i n 孥娇棚s i n ( 詈删 “7 又因为： u x = up 2 2 u d c 3 联立式3 6 、式3 7 、式3 8 ，易得： 1 5 ( 3 8 ) 北京交通大学硕士学位论文 一秒) 式中m 为s v p w m 调制系数，且 m = 芎u o c ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式3 9 即为合成参考矢量二的两相邻基本矢量瓦、瓦作用时间t x 、t y 的计算 式，适用于任一扇区。 必须指出的是，为了保持输出正弦线电压，参考矢量二在矢量空间的轨迹为圆。 因此，在线性调制区内，二的最大可能轨迹为六边形的内切圆。此时，u = 掣c 即输出基波线电压最大幅值为直流输入电压c 。而s p w m 的基波线电压最大幅 值为粤c ，两者之比为丢1 1 5 ，比s p w m 逆变器输出电压约提高了1 5 。 二 v j 连续s v p w m 矢量序列选择一般如下： 瓦 孚 、瓦 手 、巧 、瓦 、巧 孚 、玩 、贯。l f - 墨2 开关状态转换时只允许有一个桥臂参与，第一扇区开关序列如图3 4 所示，其 官类推。 图3 4 第一扇区开关序列 f i 9 3 4s w i t c ho r d e ri nt h en o 1s e c t o r 1 6 臣旧0：以母 - 一 幽 一 m m 一 瓦巧瓦 = = = 伍仍 三电平逆变器s v p w m 控制策略 3 2三电平逆变器的控制策略 三电平s v p w m 逆变器与两电平s v p w m 逆变器在s v p w m 调制的原理上是 一致的，但由于三电平逆变器需控制的矢量比两电平的多得多，算法也复杂的多。 三电平逆变器每一相有三种开关状态，因此在整个三电平逆变器中总共有3 3 = 2 7 种开关状态组合。我们可以由两电平逆变器矢量构成原理推出三电平逆变器的 矢量图，如图3 5 所示： - 11 - 101 - 1 11 1 图3 5 三电平逆变器空间矢量图 f i 9 3 5s p a c ev e c t o rd i a g r a mo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r 三电平逆变器2 7 个空间状态中，总共可以输出1 9 个空间矢量。与三相两电 平逆变器不同，三电平逆变器可以分为长矢量，中矢量，短矢量和零矢量。其中3 个零矢量、1 2 个短矢量、6 个中矢量，以及6 个长矢量。 在矢量调制过程中，我们将三电平逆变器空间矢量图以每0 0 6 0 。为一个单位， 分为6 个大的三角形扇区。由于调制关系的对称性，我们以0 0 6 0 0 为例，来说明 三电平逆变器空间矢量调制的方法，要实现三电平逆变器传统调制方法可以简单 的概括为如下几点： 1 参考矢量所在扇区的判断； 2 根据最近三矢量原则确定输出矢量； 3 计算各个矢量作用的时间； 4 优化输出矢量的开关顺序。 3 2 1判断参考矢量所处位置 1 7 北京交通大学硕士学位论文 大扇区的判断 图3 6 大扇区的划分 f i 9 3 6t h eb i gs e c t o rc l a s s i f i c a t i o n 通过把空间矢量图分成六个全等的正三角形如图3 6 所示，所处大扇区位置的 判断办法如下： 首先在两相静止坐标系上分解旋转矢量： 图3 7 参考电压矢量两相静止坐标系分解图 f i 9 3 7t h er e d u c ec h a r to f r c f c r e n c ev e c t o ri nt w o - p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e s 由3 1 2 节叙述可知，旋转矢量在a b c 轴上的分量“p “p 可以由参考矢 量在两相静止坐标系上的分量玩、眈，表示，具体关系如式3 3 所示。 然后结合正六边形空间矢量图，通过对、虬，值的判断可以得到【2 2 】： 若 o 、4 3 u , 。+ o 且3 一 0 ，则参考矢量在扇区3 中； 若 o 、4 3 + o 且3 一 o 、4 3 + o 且3 一 o ，则参考矢量在扇区5 中； 若 0 、4 3 + o _ 9 4 3 u , , , 一 o ，则参考矢量在扇区4 中； 若u q $ o ，则参考矢量在扇区2 中。 三电平逆变器s v p w m 控制策略 小扇区的判断 由于每个大扇区内的小扇区分布相同，所以以3 扇区为例进行小扇区的判断。 1 ：首先将旋转矢量巧如图3 8 进行分解： 图3 5 ，j 、厨匹刚判断 f i 9 3 8t h e j u d g m e n to f s m a l ls e c t o r 由图可得： 圪= 万2 础( 詈一刃 ( 3 = 万2 ，。s i i l 9 ( 3 1 2 ) 2 ：得到由v a 、v b 判断小扇区的规n - 扇区a ：v a 丢、v 1 3 昙、v a + 昙，输出电压矢量由巧、巧、巧三 j j j 个电压矢量合成； 扇区b ：昙、v p 1 u o c ，输出电压矢量由露、巧、巧三个电压矢量合 j - ， 成。 扇区c ：脉昙、 昙、v a + v p 要，输出电压矢量由巧、巧、巧三 3 3 3 个电压矢量合成； 扇区d ：v a l u o c ，输出电压矢量由巧、瓦、巧三个电压矢量合 j， 虎 1 9 北京交通大学硕士学位论文 当确定了参考矢量所在三角形后，将所在三角形三个顶点的矢量选为输出矢 量。那么下一步工作就是求得每一个矢量作用的时间。 3 2 2输出电压矢量的作用时间 首先推导一个通用公式，如下图3 9 所示，起始点相同，方向任意的三个矢量 巧、瓦、巧的结束点连接组成三角形爿b c ，矢量鬲起始点与这三个矢量相同，结 束点落入三角形仰c 区域中。下面证明如何用巧、巧、巧来表示鬲【2 3 , 2 4 1 。 图3 9 参考电压矢量作用时间的推导图 f i 9 3 9t h ed e r i v a t i o no f t h et i m eo f t h er e f e r e n c ev e c t o r 选择矢量巧为基准矢量，由图可知鬲= 一p + 一v 3 ，= 亏+ 夏，设只、p 2 为矢