（电力电子与电力传动专业论文）中点箝位型多电平逆变器脉宽调制策略研究.pdf

r e s e a r c ho np u l s ew i d t hm o d u l a t i o ns t r a t e g yf o r n e u t r a lp o i n tc l a m p e dm u l t i l 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 np o p u l a rr e s e a r c h e di nt h eh i g h - v o l t a g ea n d l a r g e - c a p a c i t ya r e ao fe l e c t r i c a le n e r g yt r a n s f o r m a t i o nd u et ot h e i ra d v a n t a g e sr e g a r d i n g l a r g ep o w e re x p o r t ，l o wh a r m o n i c s ，h i g hp o w e rf a c t o r , e t c e s p e c i a l l yt h r e e l e v e li n v e r t e ri s w i d e l ys t u d i e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o d u c ti sa p p l i e dt oi n d u s t r y a i ma tm u l t i l e v e ln p c i n v e r t e r , t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ls t r e s so nt h er e l a t e dq u e s t i o no fc a r r i e rp w ma n ds p a c e v e c t o rp w m ( s v p w r v 0m o d u l a t i o ns t r a t e g y 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e a s f o l l o w s ： 1 t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sar e v i e wo fm u l t i l e v e li n v e r t e rb a c k g r o u n da n da c t u a l i t y f i r s t l y t h e nt h r e ek i n d so ft o p o l o g ys t r u c t u r e sa n dm o d u l a t i o ns t r a t e g i e so fm u l t i l e v e l i n v e r t e ra r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ep r i n c i p l eo ft h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e ri ss t a t e d e x p l i c i t l y 2 i nv i e wo f t h eu n i t yo f c a r r i e rp w ma n ds v p w m ，t h r e ek i n d so f f i v e - l e v e li n v e r t e r c a r d e rp w mi s i n v e s t i g a t e da n dt h ee q u i v a l e n ts y n t h e s i z i n gr u l a sb e t w e e nt h e s et h r e e c a r r i e rm o d e sa n ds v p w ma r es t u d i e d t h ee q u i v a l e n t s p a c ev e c t o rs e q u e n c e sa r e p r o p o s e df o rt h e s ec a r r i e rs t r a t e g i e s 1 h eh a r m o n i cv o l t a g ea m p l i t u d eo ft h e s ec a r r i e r m o d e si sa c q u i r e db yu s i n gf o u r i e ra n a l y s i sw i t hv a r i a n c eo f m o d u l a t i o ni n d e x 3 b a s e do nt r a d i t i o n a ls v p w ma l g o r i t h mo ft h r e e l e v e li n v e r t e ra n dt h el e a s o no f n e u t r a l p o i n tv o l t a g ei m b a l a n c e di sb r i e fi n t r o d u c e d ，d i f f e r e n tv e c t o r si n f l u e n c et oo u t p u t v o l t a g ew a v ei sa n a l y z e d an e ws v p w m c o n t r o lm e t h o dc o n s i d e r e dn e u t r a l p o i n tv o l t a g e b a l a n c e di sp r o p o s e da n ds i m u l a t e db a s e do nm a t l a b 7 0 t h es i m u l a t i o nr e s u l ti so b t a i n e d a n dr e v e a l st h em e t h o di ss u p e r i o r 4 o w i n gt h es w i t c hs c q u e n c ea n dd e a d t i m ep r o b l e mw i l li n c r e a s et h et h do fo u t p u t v o l t a g e ，ac o n s i d e r a t i o no fs y m m e t r i c a ls v p w mp a t t e r nw i t hd e a dt i m ec o m p e n s a t i o n m e t h o di sp r o p o s e d n ed e s i g no fe x p e r i r n e n tp l a t f o r ma n dc o n t r o lp l a nb a s e do nf p g a a b o u tt h i sm e t h o di sr e a l i z e da n dt h e ne x p e r i m e n ti sc o m p l e t e do nt h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e r w i mm o t o rl o a d e x p e r i m e n t a lr e s u l ti s g i v e ni nt h ep a p e ra n dp r o v e st h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sc o r r e c t f i n a l l y , t h es u m m a r ya n de x p e c t a t i o no f m u l t i l e v e li n v e r t e rr e s e a r c hi sp r o v i d e d k e y w o r d s ：c a r r i e rp w m ；s v p w m ；n e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c e d ；d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o n ；f p g a 插图清单 图1 1 多电平n p c 逆变器电路拓扑3 图1 2 飞跨电容五电平逆变器电路拓扑4 图1 3 级联九电平逆变器电路拓扑5 图l - 4 三电平n p c 逆变器工作原理6 图1 - 5 五电平逆变器s p w m 8 图1 - 6 三电平逆变器s h e p w m ( k 为偶数) 9 图1 7 多电平逆变器s v p w m 1 0 图2 - 1 五电平三种载波p w m 方式1 3 图2 - 2 三种载波模式下五电平的线电压h r u 。分布曲面1 4 图2 3 三电平逆变器的空间矢量图1 5 图2 4 多电平逆变器的空间矢量图1 6 图2 5 两电平s v p w m 与载波p w m 的关系1 8 图2 7 五电平第一扇区的空间矢量图与调制度的关系2 l 图2 - 8 三种载波p w m 模式下的矢量作用序列2 3 图2 - 9 五电平几类p w m 模式下线电压t h d 与m 的关系2 5 图3 - 1 第一扇区( o 口 6 0 。) 的空间矢量图2 6 图3 2 第一扇区的矢量变化分析2 9 图3 3 不平衡度e = 0 2 时a 区的矢量图。3 0 图3 - 4m = 0 6 和m = 0 9 时，参考矢量合成模长和角度误差3 1 图3 5 改进的空间矢量分区算法j 3 2 图3 - 6 传统s v p w m 和改进s v p w m 的输出电压波形及频谱分析3 3 图3 7 传统s v p w m 和改进s v p w m 的中点电位波形3 4 图3 8 传统s v p w m 和改进s v p w m 的电机定子电流波形3 4 图3 - 9 传统s v p w m 和改进s v p w m 的电机转矩波形3 4 图4 1d 2 区向d 3 区过渡的矢量作用时序3 6 图4 2a 相矢量状态从2 1 变化过程3 7 图4 3 几种考虑死区补偿时的电流换相过程3 8 图4 4 对称s v p w m 插入死区时输出电压变化。3 9 图4 5 单相载波p w m 调制的窄脉冲分析4 l 图4 - 6 窄脉冲可用三相零序电压注入补偿的区域4 3 图5 1 三电平n p c 逆变器硬件结构图4 4 图5 2 实验控制电路的硬件结构图4 5 图5 - 3f p g a 器件和配置器件联接电路图4 7 图5 4 a d 7 4 9 0 芯片、外围电路和采样放大电路4 8 图5 5 驱动接口电路4 9 图5 - 6 基于f p g a 的三电平s v p w m 及死区补偿原理图4 9 图5 7f p g a 中的f i f o 单元。5 0 图5 8f p g a 中的钔) 采样单元5 1 图5 9 逻辑保护单元和死区保护单元5 l 图5 1 0 基于f p g a 的三相输出p w m 5 2 图5 11 ，= 5 0 h z 时线电压和相电流波形5 2 图5 1 2 异步电动机的启动电流波形5 3 图5 1 3 线电压的频谱分析5 3 表格清单 表1 - 1 输出电平与导通功率器件的关系4 表1 2a 相状态变化对应的功率管开关状态7 表3 10 口 6 0 。各小区的矢量作用时间2 7 表3 2 三电平逆变器空间矢量的分类2 8 表4 1 三电平n p c 逆变器0 p 3 6 0 。各小区开关序列3 7 表4 2 矢量状态变化需考虑死区补偿的情况3 9 表5 1f p g a 芯片的资源占用情况5 3 独创性声明 也不包含为获得盒胆! ：些厶：差 或其他教育机构的学位或证1 5 而使州过的材料。与我同工作 擗弘岔撕期：砷钆肌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆2 ：些厶堂有关保留、使崩学位论文的规定，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，允许论文被商阅或借阅。本人授权盒胆：l ：些厶 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学像论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名 签字日期 学位论文作者毕业后去向： j ：作单位：q i 现厶良拇学昔7 叱爱却 通讯地址： 1 2 事l 5 矽年胗肌咔 i 队电话：弓f ，i 乡彦矽 邮编； 致谢 本论文是在导师王群京教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。王老师渊博 的学识、严谨的治学态度、求真务实的作风、诲人不倦的精神和高尚的人格品 质使我终身受益，成为我学习的楷模和前进的动力。研究生学习期间，王老师 不仅在学业上给我启迪和教诲，而且在生活上给我关心和鼓励，在此谨向我的 导师表示最诚挚的敬意和最由衷的感谢。 特别感谢姜卫东老师的指导和帮助，姜老师不屈的探索精神、敏锐的学术 洞察力和独到的创作才能让我受益匪浅。在近三年的学习中，姜老师对我的课 题和论文提出了很多建设性的意见和建议，从他身上学到了很多宝贵的知识和 治学方法。 感谢电气工程及其自动化学院各位老师的教导和关心，感谢李国丽教授、 鲍晓华老师、倪有源老师、胡存刚老师、陈权老师( 安徽大学) 的指导和帮助； 文中的实验部分是在和同课题组段小超师兄( 中国电子科技集团第3 8 研究所) 共同搭建的实验平台上扩展实现的，在此对段师兄的工作表示感谢。 感谢新型传动实验室的师兄弟，他们是王安邦博士、王智硕士( 已毕业) 、 钱酷博士、鞠鲁峰博士、周金斌硕士、夏秋实硕士、王红涛硕士、史晓锋硕士、 王涛硕士、朱少林硕士、漆星硕士，感谢他们热情的帮助和有益的启迪。 感谢国防生办公室钱海志主任等领导的关怀和帮助，感谢他们提供的良好 环境和思想教育指导，使我为国防建设工作的信念更坚定；感谢0 5 级全体国防 研究生战友们的帮助和鼓励，正是有了他们学习和生活才更加多彩。 最后，感谢我的父母、姐姐、妹妹，他们一直无私的关怀是我不断前行的 动力，感谢他们在我求学期间对我的支持、鼓励和辛勤付出；感谢关心和帮助 我的所有人l 作者：吴海岸 2 0 0 7 年1 1 月1 5 日 第一章绪论 1 1 多电平逆变器的研究背景【1 4 】 2 1 世纪能源危机和环境污染问题是全人类所面临的共同问题。早在2 0 世 纪8 0 年代，联合国就呼吁世界各国政府坚持可持续发展战略，其中节能技术的 研究引起人们的广泛关注。我国的能源生产总量和消费已跃居世界前列，电力 工业在能源工业扮演着重要的角色。近年来，国家投入大型电站建设和城乡电 网的改造使局部地区和因季节性引起的电力紧缺现象大为缓解，然而与此同时 电力资源的浪费却非常惊人。据全国第三次工业普查公布的资料显示，我国风 机、泵类总装机容量达到1 6 亿k w ，年耗电量3 2 0 0 亿k w h ，占全国发电量的 4 0 。此类电机一般直接采用恒速控制，使风机、水泵的运行效率低，浪费了 大量电能；特别在工业应用领域，驱动电动机都是4 0 04 0 0 0 0 k w 、3 1 0 k v 的高压大功率交流电动机，由于缺乏有效的调速控制，能耗更为严重。因此针 对煤炭、石油、化工、冶金、发电、热力、供水以及电气化交通工具等高能耗 行业应用领域，研究高压大功率交流调速技术系统并投入使用，对提高电能的 利用效率，增强企业竞争力有着重要的现实意义。 在两电平逆变器的高压大容量应用中，通常会采用交直交变频方式，而 在少数的低速场合也采用交交变频方式。这种应用带来了很多问题：需要笨重、 耗能、昂贵的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高 的开关损耗，而采用器件串联来适应高电压的要求，需要复杂的动态均压电路。 除了高压缺陷以外，在大电机调速中，传统两电平逆变器所需更高的开关频率 导致很高的d v d t 和浪涌电压，产生很大的电压应力和开关损耗，对其它电子 设备产生宽频带的e m i ，并且功率因素低。因此，在高压大功率风机和水泵的 变频调速领域，多电平电力电子装置以其谐波含量小、效率高、输出电压高、 功率大的特色得到了广泛的关注。 电力系统中无功和谐波问题日益突出，降低了电能的生产、传输和利用的 效率，也降低电气设备运行的可靠性，严重时损坏设备、危及电网系统的安全， 应该加以补偿。有源滤波和无功补偿装置必须具有良好的调节性能和足够大的 输出功率，以提供电流的超前或滞后补偿，同时要求系统有足够的频带宽度以 达到消除高次谐波的目的。因此，用高压大容量多电平电力电子装置构成的无 功补偿和电力有源滤波器及其相关技术来补偿电网中的无功、治理谐波，是无 功补偿和电力滤波技术的发展趋势。另外，多电平应用中以柔性交流输电系统 ( f a c t s ) 技术为代表的大功率电力电子技术，可改善电力系统的可控性及可靠 性，提高输电线路的传输能力及系统的稳定性。 l 。2 多电平逆变器的发展及现状 1 9 8 0 年，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人在i a s 年会上首次提出中点箝位 f n p c ) 逆变器【5 1 。1 9 8 3 年，b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 进一步将三电平逆变器推广到多 电平的结构。它们的出现为高电压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思 路，其后在电路拓扑和控制方式上发展成多个分支，并在高压大功率交流电机 变频调速、交直流能量转换及电能质量综合治理方面得到了广泛的应用。 多电平逆变器的基本思路是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接成可以 提供多种电平输出的电路，然后通过适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯 波以逼近正弦输出电压【6 】。随电平级数的增加，合成的输出阶梯波级数增加， 输出越来越逼近正弦波，谐波含量大大减小。 多电平逆变器相对两电平逆变器的主要优点在于：( 1 ) 单个器件承受电压应 力小，系统主电路更容易实现高压大容量；( 2 ) 相同开关频率下输出电压电流波 形更好的接近正弦波，且谐波含量低，效率高【7 】；( 3 ) 开关元件一次动作的d v d t 通常只有传统两电平变流器的1 ( n 一1 ) ，电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻( n 电平) ； ( 4 ) 无需变压器，大大减少了系统的体积。 近2 0 多年来，电力电子器件得到了迅速的发展，其中以晶闸管( s c r ) 、门 极关断晶闸管( g t o ) 、电力m o s f e t 、绝缘双极型晶体管( i g b t ) 、集成门极换 向晶闸管( i g c t ) 为代表的大功率可控器件开关频率、容量等级和额定电压不断 的提高，使得电力电子器件沿着大容量、高频、易驱动、低损耗和智能模块化 的方向推进。目前，3 3 k v 1 2 k a 功率等级的i g b t 应用于三电平逆变器不需串 联可实现2 3 k v 的电压输出，6 5 k v 0 6 k a 的i g b t 也正走向市场；a b b 半导体公 司生产的i g c t 已成功应用到a b ba c s l 0 0 0 的6 0 0 0 v 高压变频调速设备中【“。伴 随着电力器件的发展，高压大容量逆变器的性能也日益提高。从1 9 9 6 年至t j 2 0 0 6 年，i g b t 三电平变频调速装置单机容量将由2 m v a 提高到2 0 m v a ，而以g t o 、 i g c t 为主开关的单机容量也由8 0 m v a 提高到1 0 0 0 m v a 。 在高压大容量逆变器方面，国外产品一直占有垄断地位，阿尔斯通、a b b 、 西门子、g e 东芝、三菱、三星等公司都有基于多电平技术的通用型产品，采 用数字化控制，应用水平较高，并在风机、泵类负载、轧钢设备、电力交通系 统、供水系统中广泛应用【8 】。如美国g e 公司的三电平交直交电压型变频器， 主回路采用i g c t 器件，主传动采用同步电机矢量控制，输出电压分别为3 3 0 0 v 和6 6 0 0 v ，系统性能高，维护工作量小，对电网无谐波污染；日本新干线7 0 0 系 列高速铁路，采用单相二极管箝位三电平结构的整流器和逆变器，容量达 1 1 m w ，电压等级为1 8 5 0 v ；瑞士a b b 公司开发使用的i g c t 高性能三电平逆变 器，其容量高达5 0 0 k v a 到6 0 0 0 k v a ，已应用于城市轨道交通。 国内在多电平技术方面的研究和应用由于缺乏足够的重视，而长期停留于 实验研究阶段。直到近l o 年来，国内在高压大容量多电平变换调速装置的应用 2 方面才出现了突破，现已有多家公司研制出产品并投放市场，主要代表有北京 利德华福、北方凯奇、成都佳灵、天津花云等公司，其市场不断的扩大，而价 格方面极具优势，逐渐增强了和国外产品竞争的能力【2 】。如上海磁悬浮城市轨 道交通系统即采用三电平逆变器供电和矢量控制技术，是世界第一条商业化运 行的高速磁悬浮列车。但国内同类产品的技术还不完善，性能和可靠性还有待 提高，因而研究多电平逆变器的拓扑结构和控制策略，仍然具有很大的理论意 义和实用价值。 1 3 多电平逆变器的拓扑结构 1 3 1 基本拓扑结构 经过二十多年的不断发展，多电平逆变器的理论研究和拓扑结构出现了多 个分支，主要有以下几种拓扑结构：中点箝位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 、飞跨 电容型( f l y i n gc a p a c i t o r ) 、具有独立直流电源级联型( c a s c a d e dt o p o l o g yw i t h s e p a r a t e dd cs o u r c e ) a 1 3 1 1 中点筘位型 中点箝位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d n p c ) 多电平逆变器，又称二极管筘位 型( d i o d ec l a m p e d ) ，是通过串联的电容将直流侧的高电压分成一系列较低的电 容电压，利用多个二极管对相应的开关元件进行箝位，解决了功率器件的串联 均压问题。 如图1 1 所示为，l 电平n p c 逆变器的电路拓扑。若电平数为n 时，每一相的 上、下桥臂各有( , 一1 ) 个功率开关管，分别为+ 墨、+ s 。- 、一墨、一s 。- ；还 需要一1 ) 个直流分压电容串联和2 ( n 一2 ) 个箝位二极管，直流侧的电压值 - - - - 2 一1 ) u d c 图1 1 多电平n p c 逆变器电路拓扑 当逆变器的一相输出电平为n l 时，上桥臂的功率器件全部导通；当输出 电平为n - 1 时，上桥臂的功率管+ s 。关断，下桥臂一s 。开通；以此类推，输出 电平为0 n ，下桥臂的功率器件全部关断。下表1 - 1 给出了每一相的输出电平与 功率管导通之间的关系。 表1 1 输出电平与导通功率器件的关系 输出电平导通的功率器件 行一l + 墨、+ s 。1 栉一2一s i - - + s 。一2 1 一s 。一2 、+ s l o s 目一l 、一s l 中点箝位型逆变器主要优点：可以利用多个低压器件构成高压大容量装 置，结构简单，控制灵活；若整流和逆变分别采用二极管箝位型结构，进行 双边p w m 控制时，可以实现能量双向流动。 缺点：随着输出电压的增高相应电平数也要增加，此时需要大量的箝位 二极管从而使电路结构的复杂，增加了实现难度；输出电平时电流要经过直 流侧电容中点，此时电流的进出和流出会造成上下电容的充放电不均衡而使中 点电位漂移；每一桥臂内外侧的导通时间不相同，造成开关器件负荷的不一 致。 1 3 1 2 飞跨电容型 飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r ) 多电平逆变器是在1 9 9 2 年的p e s c 年会 上由t a m e y n a r d 和h f o c h 首次提出的 9 1 。为了产生力电平的阶梯型输出电 压，在n 电平逆变器需要直流侧有n 1 个电容和桥臂上的3 ( 一1 ) 0 2 ) 2 个箝位 电容。如图2 所示的是飞跨电容五电平逆变器，三相桥臂的结构都相同，两层电 容间电压增加的大小决定了输出波形中每阶电压电平的高度。 图1 2 飞跨电容五电平逆变器电路拓扑 4 c 飞跨电容型逆变器主要优点：随输出电平数增加时输出正弦波形的失真 率越来越小，电容箝位的均压效果非常好，相对二极管箝位型逆变器控制更灵 活；能控制有功和无功功率流量，适合应用于高压直流传输。 缺点：有功传输时控制复杂，开关频率高，有很大的开关损耗；随着 电平数增大，所需箝位电容数量多，存在电容电压分布不均问题：直流滤波 电容体积大、成本高、使用寿命较短，限制了飞跨电容型逆变器的应用。 1 3 1 3 具有独立直流电源级联型 具有独立直流电源级联型( c a s c a d e dt o p o l o g yw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e ) 逆 变器是由p h a m m o n d 等在1 9 7 5 年提出的，采用隔离的直流电源作输入，通过把 多个各自独立h 桥逆变电路基本单元串联在一起，以满足电路需要的高电压要 求【l 们。级联式逆变器根据输出正弦波形中需要包含的电平数可以决定需要串联 的级数，从而提高输出电压等级、减小谐波。该电路拓扑无需大量的箝位二极 管和悬浮电容，但要多个独立电源，在控制方面不存在电容电压动态控制。以电 平的级联式逆变器，其各相串联级数m 和输出波形包含电平数n 之间满足 “1 = 2 m + 1 ”的关系。图3 所示的是具有独立直流电源的级联九电平逆变器。 图1 - 3 级联九电平逆变器电路拓扑 具有独立直流电源级联型逆变器的主要优点：每个功率单元采用相互独 立的直流电源，不存在电压不平衡问题，且各模块相对独立，易实现模块化： 由于电路基于独立的单元串联结构，不影响其它级联单元工作，系统可靠性 高；相比以上两种多电平逆变器，输出同样数目电平所需器件最少，谐波含 量小。 缺点：每个基本单元都包含一个独立的隔离直流电源，数量多，使得结 构复杂，成本增加；不易实现四象限运行。 此外，多电平逆变器在以上几种电路拓扑的基础上还衍生出一些新的拓扑 结构。f a n g z p e n g 等人在2 0 0 0 年的i a s 年会上提出了一种通用型的多电平拓 5 扑结构【l l ，1 2 ，其基本单元可以是基于电容筘位、二极管箝位的半桥结构，该 拓扑的多级电路结构是由基本单元按“金字塔”结构搭成的，可以实现直流电容 电压的自动平衡，无需特殊的均压电路或复杂的电容均压控制。韩国学者 y o u n g s e o kk i m 等提出一种将二极管箝位和电容箝位结合起来的电路拓扑，解 决了二极管箝位三电平拓扑中桥臂内侧的器件关断过电压问题【l “。在1 9 9 8 年 的i e e ea p e c 会议上，m d m a n j r e k a r 等人提出了基于不同电压等级的单元 级联式混合多电平变化器拓扑结构，且可以使用两类功率器件g t o 和i g b t ，减 少了相同输出电平下的级联单元数目 1 4 1 。k e i t hc o r z i n e 等人提出了混联式逆 变器( h y b r i di n v e r t e r ) 拓扑结构，该结构中单元的直流电源和h 逆变桥都可以 不相同【”】。1 9 9 9 年e c e n g e l c i 等人提出了一种变压器耦合式单元串联高压变频 结构，用变压器将三个由i g b t 或i g c t 构成的常规逆变器单元的输出叠加起来， 实现高压输出，并且采用相同控制方式，使电路结构和控制方式简化【l6 1 。 在这些变换拓扑中，由于飞跨电容型逆变电路的每个电容器需要随着电压 的增加而将每个电容器充电至不同电压，难以实现。级联型逆交器容易实现其 模块化的电路布局和集成，不存在直流电压不平衡问题，但是需要多个独立直 流电源，且逆变器本身不适合四象限运行限制了它的应用【l 丌。中点箝位型逆变 器随着电压的增加，直流侧电容电压的不平衡，箝位二极管的数量的增加和直 流环节电容和装置之间难以部署等原因，使得它难以扩展至更多电平，但由于 结构简单，控制灵活，受到国内外学者的普遍重视和研究，被广泛应用于高压( 中 压) 电机交流传动、f a c t s 、电网质量管理和电网无功功率补偿和吸收等多个领 域。 1 3 2 三电平n p c 逆变器工作原理 如图1 4 是一个三电平n p c 逆变器拓扑结构，图中s f l 、s f 2 、s i 3 、s i 。是功率 开关管，d ”d ”d d ，。是续流二极管，d 1 d 6 是箝位二极管，i = 1 ，2 ，3 。 在其直流侧有两个完全相同的电容c 1 、c 2 串联，将直流电压分为三个电平，直 流电压为，每个电容上承受电压为2 。两电容的中点o 定义为中性点，则 输出电压u 。有三个电平：u 。2 、0 、一2 。 图1 4 三电平n p c 逆变器工作原理 6 a b c 下面以a 相为例分析几种工作模式： 1 ) 工作模式1 一功率开关管s 、s ，导通，蜀，、s 。关断分两种情况： 电流流入负载，即电流从直流源正极流过s 、s ，流向输出端a ，则输出端电 位u 。= u 。2 ；电流流出负载，即电流从输出端a 流过续流二极管d l 。、d 1 ：注 入直流源正极，输出端电位u 。= u 。2 ，此种工作模式的状态取为“2 ”。 2 ) 工作模式2 一功率开关管墨：、墨，导通，墨。、墨。关断 电流流入负载， 即电流从中性点o 通过箝位二极管d 1 、主开关器件墨，到达输出端，输出端电 位u a = 0 ；电流流出负载，电流从输出端流过墨，、d 2 注入中性点o ，输出 端电位u 。= 0 ，此种工作模式的状态取为“l ”。 3 ) 工作模式3 一功率开关管蜀，、s 。导通，s 。、蜀：关断电流流入负载， 即电流从直流源负极流过墨，、墨。流向输出端a ，则输出端电位u 。= 一u d 2 ； 电流流出负载，即电流从输出端a 流过续流二极管d 1 ，、d l 。注入直流源负极， 输出端电位u 。= 玑2 ，此种工作模式的状态取为0 。 由上可知，三电平n p c 型逆变器的稳态工作具有2 、l 、0 三种开关状态， 在控制中只允许2 1 0 或o 一1 2 的切换，而不能允许2 和0 两种开关状态 的直接相互转换。对应于a ( b ，c ) 相的三种状态，为保证每次输出状态变化过程 中动作的开关器件最少，应使相电位不在2 和一玑2 之间直接变化，而应 通过中性点电位过渡。 开关切换的通态特点是：每一相总是相邻的两个开关器件关断，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，它们是逻辑非 的关系，其驱动信号是互补的，同理，s ；：与s ；。也是逻辑非的关系。表1 2 给 出了a 相电位发生变化时，功率管的工作状态变化。无论采用何种控制方式生 成的p w m ，三相桥臂开关切换的硬件及软件设计应遵循表1 2 规律。 表1 2a 相状态变化对应的功率管开关状态 a 相 变换前o j 牢管变换后功率管 开关状态 开关状态 状态变化 s l is 1 2 s 1 3s 1 4 s t is 1 2 s l ，s 1 4 l 一2 + j - o+ 2 1+ + l 1 一o - i -+ j _ + o 一1 + + j _ 1 4 多电平逆变器的p w m 调制策略 多电平逆变器的p w m 调制技术，决定功率变换能否实现和输出电压波形的 质量，主要针对多电平输出电压和逆变器本身的运行状态进行控制，包括直流 电容的电压平衡控制、输出谐波控制、功率开关器件的输出功率平衡控制和开 7 关损耗的控制等方面。多电平逆变器有多种p w m 调制方式，针对以上的拓扑结 构通常有三种：正弦脉宽调制( s p w m ) 、特定谐波消除调制( s h e p w m ) 和空间矢 量调制( s v p w m ) 。 1 4 1 多电平s p w m 1 8 】 多电平的s p w m 调制是对两电平的s p w m 调制的一种扩展。对于n 电平的逆 变器来说，采用了，l 一1 个具有相同频率厂。、相同幅值a 。、相同相位并且在对应 于直流母线电压的电压信号范围内连续放置的三角载波信号和一个频率- 厂。、幅 值4 ，的正弦信号比较进行p w m 控制。在正弦波大于三角波的部分开通逆变器 相应电平的开关器件，小于部分则关断相应电平的开关器件。图1 - 5 所示是五电 平逆变器的s p w m 调制波形。 图l 5 五电平逆变器s p w m 三角载波信号间相位变化或参考信号变化，使逆变器输出电压的谐波含量 也发生变化，根据此可以得到一些不同效果和优化的p w m 调制方式，这将在 下文详细阐述。s p w m 调制的具有简单、直观的优点；且可以降低输出谐波含 量，易于实现，适用于任意电平数的多电平逆变器。其缺点主要是开关频率高， 开关损耗大，效率低。 1 4 2 多电平s h e p w m 1 9 , 2 0 特定谐波消除( s e l e c t i v eh a r m o n i c se l i m i n a t i o np w m ) 最早在1 9 7 3 年由 h s p a t e l 和r g h o f t 提出的，在预先确定的角度处实现特定开关的切换，将输出 的正弦波进行傅立叶变换，得到应该被消除的最低次谐波，再通过一定的算法 计算出特殊位置的开关角，从而产生预期的最优s p w m 控制，以消除选定的低 频次谐波。 图1 - 6 所示是三电平n p c 逆变器的单相电压波形，波形满足l 4 周期对称。 由d i r i c h l e t 定理，波形可以分解成如下的傅立叶级数： u “( c o t ) = _ t o + er a 。s i n ( n c a ) + b c o s ( n c a ) ( 1 1 ) 式中：a n = 昙f 警酬栉c 0 0 d ( 蛳b n = 昙f 誓s i n ( 删拟) 8 图1 6 三电平逆变器s h e p w m ( 七为偶数) 根据相电压波形的对称性( 波形奇对称和对三轴对称) ，波形只含奇次正弦项 谐波，则： 以= 0 。io ，舻繁? ， ( 1 2 ) 驴卜，= 等静广1 c o 咖吣砌 纠 式中：以为直流侧电压，为1 4 周期内所取开关转换角个数，且开关角满足 条件d ：0 嘶 _ 1 纠2 。 考虑到三相逆变器中，零序谐波可由三相输出消除，三相三电平逆变器应 消除谐波次数为5 , 7 ，1 1 ，1 3 ，6 i l ，6 i + 1 ( i = l ，2 ，3 ，) 。由式( 1 2 ) 知，各次谐波的幅 值是开关角啦的函数，只要适当地选择，的值，就可使u 。( f ) = 0 ，即 消除了角频率为泐的谐波。 ，r 设基波调制度删= 孚，消除5 , 7 ，1 1 ，6 i 一1 , 6 i + 1 ，m 次谐波( m 为可消去 “j 的最高谐波次数) ，即得到如下方程： l ( 口) = 可u , r n ( i ) = 昙善( 一1 ) “l c o s ( ) = m 一镌。砉和c o s 沪。 m 。， ； ， ( 口) 2 乡2 去善( - 1 ) c o “m 吼) _ o 其向量形式为h d = 听( 回，l ( 0 0 ，厶( 酬= 帆o ，一，o 】7 ，可见该式是一个非线性超越 方程组，方程的求解比较困难。 9 s h e p w m 调制方式的输出谐波含量低且可以降低开关损耗；通过调制得到 较高的基波电压，直流电压利用率高，最大时能达到1 1 5 【4 】。但s h e p w m 必须 采用牛顿迭代法求解超次方程组，而且选取合适的开关初值是解法收敛的必要 条件，运算要花费较多的时间，不利于在线计算，多采用离线计算，特别是在 开关频率高的场合不易实现。 1 4 3 多电平s v p w m 2 1 , 2 2 德国学者h w v a n d e rb r o c k 等提出的电压空间矢量( s p a c ev e c t o rp w m ， 简称s v p w m ) 是建立在空间矢量合成概念上的p w m 方法。s v p w m 将a b c 坐标系内三相正弦交流电压通过p a r k 变换由d q 静止坐标平面内的空间矢量 来表达，即用一个旋转的电压矢量来代替三相电压瞬态值的模长和相角。 ( a ) 两电平( b ) 三电平( c ) 五电平 图1 7 多电平逆变器s v p w m 图1 7 所示为两电平、三电平和五电平逆变器的空间矢量图，并且可以扩展 到任意电平。当旋转电压矢量落入其中的一个扇区时，旋转电压矢量就可以用 临近的三个固定位置的电压矢量进行合成，通过控制这三个电压矢量的作用时 间，就可以控制旋转电压矢量的模长和方向。 s v p w m 与s p w m 控制方式相比直流电压利用率有很大的提高，调制度从 7 8 5 增大至f 9 0 7 ，经过采取过调制补偿措施以后，调制度可以达到1 0 0 蜊”】； 转矩脉动小并更易于数字化实现。不过s v p w m 方式实现较困难，在超过五电 平之后冗余矢量增多，算法十分复杂，不易实现。尽管如此，s v p w m 在多电 平逆变器领域得到了广泛的应用，各国学者在s v p w m 调制方式上有着不断深 入的研究，一些新型的控制方法和策略( 神经网络、遗传算法等) 也应用到多电 平的s v p w m 上来【2 4 。 1 5 论文的主要内容 本文针对多电平n p c 逆变器，研究了基于s v p w m 和载波p w m 两种调制 方式下的一些问题，主要内容如下： 1 ) 第二章介绍了多电平载波p w m 和s v p w m 调制方法，对五电平三种不 1 0 同的载波p w m 进行了频谱分析。论证了载波p w m 和s v p w m 本质上具有统 一性，并将三种五电平载波p w m 控制等效为s v p w m 矢量序列，比较得到几 类p w m 控制方式的。 2 1 第三章先介绍了三电平传统s v p w m 的调制策略和算法，阐述了三电平 中点电位不平衡的原因，分析了各空间电压矢量对输出电位波形产生畸变的影 响，并提出了一种考虑中点电位平衡的s v p w m 方法，进行了仿真实验。 3 ) 第四章介绍了三电平n p c 逆变器开关时序和死区问题，分析死区需要 补偿的情况，文中提出了一种基于对称s v p w m 调制的死区补偿方法；并对三 电平逆变器的窄脉冲进行了探索性研究。 4 ) 第五章搭建了三电平n p c 逆变器的m o s f e t 实验平台，设计了f p g a 的控制方案，以实现基于对称s v p w m 调制死区补偿的控制方法，并在带电机 负载的三电平逆变器上进行了实验。论文最后对多电平逆变器的发展进行了总 结和展望。 第二章多电平逆变器载波p w m 和s v p w m 及其联系 多电平p w m 方法是研究多电平逆变器的关键技术，载波p w m 和s v p w m 都是两电平p w m 方法在多电平中的扩展。其中多电平s v p w m 以其独有的特 性受到了广泛的关注和应用，但随着电平数的增加，相应开关状态冗余进一步 增多，同时运行状态的复杂程度也大大增加，通常只适用于三电平、五电平的 应用。针对五电平以上的多电平逆变器，通常采用载波p w m 调制方式，它相 对容易实现并可以使电路大大简化。实际上，研究表明s v p w m 和s p w m 两者 之间本质联系是统一的【2 ”，根据这种统一性可以得到更多的p w m 方法，一些 学者已经将