（电力电子与电力传动专业论文）级联型三相五电平变频器的研究.pdf

上海大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ee l e c t r o t e c h n i c sf i e l d s ，t h er e q u i r e m e n to ft h e e q u i p m e n t so fp o w e re l e c t r o n i c si sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , m u l t i l e v e li n v e r t e r sh a v e d r a w nt h et r e m e n d o u si n t e r e s t su n d e rt h i sb a c k g r o u n d f i r s t l y , t h ep a p e rd o e sa l li n t r o d u c t i o n a n da n a l y s i so ft o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fs e v e r a lw i d e l yu s e dm u l t i l e v e l ，t h e n m a r cm u l t i c e l l - c a s c a d ea sar e s e a r c ho b j e c t b ym a t h e m a t i c a la n a l y s i so f t h ep r i n c i p l eo f c a r r i e r p h a s e - s h i f t e ds p w m t h eh a r m o n i c sa n a l y s i so fc a r r i e rp h a s e - s h i f t e ds p w m i sa c h i e v e d a f t e r t h es i m u l a t i o no fm a t l a b ，t h ep r i n c i p l eo fc a r r i e rp h a s e - s h i f t e ds p w mt e c h n i q u ei sp r o v e d f i n a l l y , d e p e n d i n go nb a s i cp r i n c i p l e ，id e s i g na l le x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，a n dt h ec o r eo f w h i c h i sd s pa n df p g a d s pi su s e dt oc a l c u l a t et h ew i d t ho f p u l s ea n dd e a lw i t ht h ed a t a t h et a s ko f f p o ai st of m i s hd i g i t a ll o g i c a lf u n c t i o n s t h e n ，t h ef i v e - l e v e lo u t p u ti sa c h i e v e d t h er e s u l to f e x p e r i m e n t i s t h es a m e a s p r i n c i p l e ，s o t h e f e a s i b i l i t y o f s y s t e m i s p r o v e d k e y w o r d s ：m u l t i l e v e l ；c a r r i e rp h a s es h i f t i n g ；h a r m o n i c s ；p w m 上海人学硕 ：学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一 导师签名：日期： 上海人学硕j 二学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着电工领域各种技术的全面发展，人们对电力电子装置的高压、 大功率和高频化的要求越来越强烈，人们希望电力电子装置能够处理越来越高 的电压等级和容量等级，例如，电力系统中以高压直流输电( h v d c ) ，静态无功 补偿( s t a t c o m ) 等为代表的柔性交流输电技术( f a c t s ) ，以及以高压变频为代 表的大电机驱动和大功率电源装置“”。大功率变流装置在国民经济中有着广泛 的应用，而对于大功率变频器场合，大功率开关器件的功率处理能力和开关频 率之间往往存在着矛盾“1 。多电平变频器正是解决这种矛盾的一种行之有效的 手段。 众所周知，风机和水泵采用调速传动后可节约大量电能，通常节能率达 3 0 ，许多场合下可达5 0 ，而其中8 0 为高压大功率电机驱动，所以节能潜 力很大。但是，在我国交流电机电压等级标准中，高电压等级为6 k v 和1 0 k v ， 若直接变频，即使4 5 k v 或6 k v 的开关器件仍需要串联。国内高压电动机起点 功率太小，6 k v 为2 2 0 k w ；国外高压变频器起点功率太大，6 k v 的大于1 0 0 0 k w 。 在没有合适的交流调速装置的前提下，交流电动机调速应用受到限制。近年来 随着电力电子器件的发展，高压变频器技术日趋成熟，高压变频器应用也越来 越广泛。早期的高压电动机变频方案采用低压变频器和输入输出变压器组成的 “高低一高”方案“”。近年来流行的方案都取消了输出变压器，即无输出变 压器方式。无输出变压器方式要求变频器直接输出高压，国内外一般采用三种 方式：一种是采用功率器件串并联的方式，电路结构仍采用普通三相桥式变频 器；另一种是采用多重化的方式，将多个低压小容量变频器通过变压器串联或 并联，以获得高压大功率；再一种是采用多电平结构。一个好的电路拓扑再配 合优秀的控制策略往往能提高大功率变频器系统的性价比“。因此研究大功率 变频器的拓扑结构及控制技术具有理论价值和实用意义。 上海人学硕 学位论文 1 2 国内外多电平变频器研究发展和现状 经过了十几年的发展，多电平变频器已经在多个方面得到了比较成功的应 用。电力系统中的无功补偿和高压变频调速是多电平变频器的主要应用领域。 目前，高压变频调速系统多采用两电平方式。两电平变频器在高压大功率场合， 会产生如下几个问题：( 1 ) 高频开关所产生的器件电压应力和开关损耗将降低 电机效率；( 2 ) 容易导致较高的d v d t 和浪涌电压，在电机的线圈中产生极大的 共模电压，可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿；( 3 ) 产生很高的电 磁干扰，影响周围的电子设备。而多电平变频器可以在一定程度上，改善上述 问题带来的影响。将多电平变频器应用在高压大功率场合，不仅可以提高变频 器的电压等级，更主要的是减少变频器输出的谐波含量，降低开关损耗，提高 设备的功率因数等”m 。 因为多电平变频器有诸多优点，近年来各大公司争相开发出了多电平变频 器。如有报道采用二极管箝位方式，做成2 2 m v a ，7 6 4 k v 大容量的五电平g t o 变频器。三电平变频器在我国的油田1 2 0 k w 潜油电泵上也有使用。另外，多电 平变频器还应用于混合动力电动汽车等产品上。上海高速磁悬浮列车地面 w v f 供电系统中也采用了二极管箝位型三电平变频器。电力系统中的无功补 偿是多电平变频器应用的另外一个重要领域，目前在多电平变频器应用于 s t a t c o m 中以三电平或五电平电压型变频器最受重视，在国外，西门子的三 电平s t a t c o m 调节范围达：t ：8 m v a r 。美国罗宾康公司1 9 9 4 年推出的完美无谐 波系列高压变频器，采用的是单元级联型的拓扑结构，该公司最新推出的基于 p e n t i u m 处理器全数字控制系统的新一代变频器采用高性能矢量控制和无速度 传感器矢量控制，开环转速精度达o 5 ，起动力矩超过1 5 0 ，电机参数自动 监测，控制系统自动优化。具有功率单元旁路技术，故障单元2 5 0 m s 内自动旁 路，支持中心点偏移式旁路方案，故障单元旁路后，6 k v 输出电压等级变频器 输出电压可维持9 4 以上，保证系统无间断运行。双频制动，大幅度提高电压 源型变频器的制动力矩。输出频率最高可达3 3 0 h z ，支持高速电机，同时支持 同步电机( 有刷无刷) ，多相电机，中心点开启式电机，允许多电机运行川。 2 上海大学硕j ：学位论文 由于采用自关断功率器件的多电平变频器可以控制无功功率，当产生无功 功率时，输出相电压与相电流相差9 0 。，直流侧电容充电和放电能够达到平衡， 不存在中点电压平衡的问题。在高压大功率场合下，多电平变频器无功补偿装 置与传统使用变压器的补偿装置相比，在价格、功耗、体积等方面优势更为明 显。由于飞跨电容型变频器能同时控制有功和无功功率流的优点，飞跨电容型 变频器在统一潮流控制器( u p f c ) 中的研究也悄然兴起。因此，多电平变频器无 功补偿装置也正成为无功补偿领域中的一个新亮点。目前，西门子公司研制的 三电平s t a t c o m 已经应用于风力发电嘲n l m “。 因此目前国内许多公司和研究机构投入了大量的人员和资金，无功补偿方 面，清华大学、浙江大学等单位都在开展多电平变频器s t a t c o m 的研究。在 高压变频调速领域展开了积极的研究，比如北京凯奇、天津电气传动研究所等。 目前的研究在电路拓扑结构上多采用单元级联的方式，控制上多采用速度开环 的v f 控制“。对于我国大量使用的风机、泵等负载，对动态性能要求不高， v f 开环控制可以满足要求。 可见，对多电平变频器的研究，无论在研究方面还是在实际应用上都是有 重要意义的。 1 3 论文的主要研究内容 多电平变频器技术作为目前电力电子技术领域最活跃的一个研究方向，受 到各国专家学者的充分关注，己取得了一系列研究成果。在多电平变频器最新 研究的背景下，本文以“单元级联型多电平变频器”的拓扑结构为重点，设计 完成了一套三相五电平变频器的实验平台。并结合平台的功能，在载波相移 s p w m 的理论基础上，对该种控制策略进行了实验的研究，取得一定成果。 本文结构如下： 第一章主要阐述了课题研究的目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章主要介绍了四种主要的多电平变频器主电路拓扑结构及其原理，并 进行比较分析。 第三章着重阐述了相移式s p w m 的原理，并对其输出谐波进行了数学推 海大学硕十学位论文 导。根据数学推导的结果，得出了相移式s p w m 的移相角计算式，并通过仿真， 再次证实了结论。 第四章介绍了级联型三相五电平变频器实验平台的结构，及各部分的设计。 第五章对实验结果进行了分析说明。 第六章总结全文，提出展望。 4 量：海大学硕| l - 学位论文 第二章大功率变频器主电路拓扑结构 近年来，各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有 像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。而基于i g b t 的电压型逆变器主电路 拓扑结构越来越多应用到中高压变频调速装置中，p w m 控制的电压型逆变器 使得变频调速装置的性能大大提高，接近于直流电机，从简单的两电平逆变器， 到目前最受关注的多电平逆变器，这些电路的拓扑结构在器件利用率、电压等 级、谐波特性、复杂性和可靠性等方面各有其优缺点。 从现有的产品来看，高压大功率变频器的结构主要由以下两种方式： ( 1 ) 高低高方式 高低高方式也称为间接高压方式，这种方式将输入高压经降压变压器变 成3 8 0 v 的低电压，然后用普通变频器变频，再由升压变压器将电压变回高压。 这种方式易于实现、控制简单，但体积大、成本高、效率低、低频时能量传输 困难、降压和升压变压器需要特殊设计o ”叫”1 。 ( 2 ) 高高方式 高高方式也称为直接高压方式。从主回路的构成原理看，这种控制方案最 为直接和方便，变频器本身的效率可以做得很高，也不会对电网产生有影响的 谐波干扰，无共模电压，不存在d v d t 的问题，对电机也没有特殊的要求。 早期直接高压变频器采用的是多管串联的两电平变换电路。按使用器件的 不同又可以分为g t o 变频器和i g b t 变频器。在1 9 9 6 年，又一种新型开关器 件集成门极换流晶闸管i g c t 问世，该器件非常适合用于高压开关电路，现在 基于i g c t 的高压变频器，已有系列产品“叮“”。 总的来说，目前比较常见的高压大功率变频器主电路拓扑结构主要有以下 几种： ( 1 ) 串联两电平结构； ( 2 ) 多电平拓扑结构： 二极管箝位型： 5 t 海人学硕十学位论文 电容箝位型； 单元级联型； 混合级联型。 下面对以上几种拓扑结构做一个简单的分析和比较。 2 1 串联两电平结构 将器件串、并联使用，是满足系统容量要求的一个简单直观的办法。图2 1 为串联两电平的电路结构图，每个桥臂用三个管子串联。串、并联在一起的各 个器件，被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。 “ r u b 矾 图2 1 串联两电平主电路拓扑 串联两电平拓扑结构是目前变频调速装置主电路应用中最简单和最常见的 一种，采用低压p w m 电压型逆变器结构，通过器件串联，可以用相同的电路 结构实现不同的电压等级需要，尤其是用于需要高压驱动的装置，该电路拓扑 结构易于实现冗余设计，其优点是可利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑和 控制策略“”；桥臂上主功率器件的串联，使得逆变器在工作时，串联管子上的 电压会出现不平衡现象，需要额外的器件来保证功率开关管上的动静态电压均 衡。因此对驱动、控制电路的要求也大大提高，还需要解决d v d t 、抗共模电压 技术、正弦波滤波技术等问题，而且逆变器输出电压的谐波含量也较高儿“3 。 2 2 几种多电平变频器主电路的拓扑结构 多电平变频器在大功率变频器领域有着广泛的应用，而对于大功率变频器 6 上海大学硕士学位论文 场合，大功率开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在着矛盾。由于 开关频率的限制难以应用p w m 技术来改善传统大容量变频器的性能，因此在 功率器件未有本质突破的前提下，人们力图通过对多电平变频器的电路拓扑和 控制策略两方面进行研究以提高电力电子变流装置容量的同时改善其性能。近 年来，多电平变频器越来越多的受到关注8 4 渊。 多电平变频器不使用变压器和电抗器，而是通过输出波形的多重化来实现 变频器的大容量和降低谐波。它一般是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦 输出电压。这种变频器的输出波形具有良好的谐波频谱，每个开关器件所承受 的电压应力较小，开关损耗小，控制性能好。对此人们进行了大量的探索和 研究，常见的多电平主电路拓扑结构有以下几种。 2 2 1 二极管箝位型 图2 2 二极管箝位型五电平主电路拓扑结构 多电平变频器的基本思想源于日本长冈科技大学n a b a e 等人在1 9 8 0 年 i e e ei a s 年会上首次提出的“二极管箝位三电平逆变器”。二极管箝位型多电 平的主电路结构如图2 2 所示，其结构特点是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”。如果输出线电压电平数， 电容个数地与相电压电平数的关系为： 7 上海大学硕十学位论文 n = 2 n p 1 n c = n ，一1 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 二极管筘位型多电平拓扑结构除了具有一般多电平变频器的优点以外，还 具有以下优点”儿刎剐。”： ( 1 ) 可以双向控制功率流； ( 2 ) 由于每相桥臂中间的功率开关管的导通时问远远大于两侧的开关管，因此可 以根据需要选择不同额定电流的功率元件使成本进一步降低提高功率元件 的利用率。 ( 3 ) 可以很方便的控制功率因数。 二极管箝位型多电平拓扑结构存在以下缺陷啪“： ( 1 ) 直流侧分压电容电压不平衡； ( 2 ) 箝位二极管两端的电压应力各不相同。 ( 3 ) 内部直流围栏的开通缓冲，在电平的变频器中，内部的n - 2 个直流回路 都是双向的电流流动，因此不能采用极性化的开通缓冲器。但是有极性的缓 冲器的效率很低。 ( 4 ) 每个桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 ( 5 ) 内部器件的间接箝位会导致内部器件阻断的过电压。普通的两电平逆变器桥 臂中，每一个开关都被一个反向续流的二极管箝位在直流侧电容上，因此尽 管在换流的阶段中存在由于分布电感能量释放引起的瞬间电压过冲，但是它 不存在静态的过电压。但在间接二极管箝位的逆变器中，内部功率开关管的 阻断电压将大于一个电平的电压。 2 2 2 飞跨电容箝位型 t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会上首次提出了飞跨电容型的多 电平变频器。图2 3 给出了飞跨电容型三电平主电路拓扑结构。该设计的最初 目的是为了减少二极管箝位型拓扑结构中过多的箝位二极管，采用悬浮电容器 上海人学硕 学位论文 来代替筘位二极管工作，直流侧的电容不变，其工作原理与二极管箝位型拓扑 结构相似。尽管如此，但是电容是一个可靠性差、寿命短的器件，而且体积也 很大。在高压场合，电容的寿命和体积的问题尤其突出，这也是这一结构在实 际应用中较少的原因”埘1 。 飞跨电容型拓扑结构具有独特的优点嘲”1 ：由于存在灵活的开关组合，因 此可以利用这些组合来平衡筘位电容电压平衡问题；电源断电时，大容量电容 器存储的能量可以作为电源提供控制；可控制有功功率和无功功率。 飞跨电容型拓扑结构的缺点呻1 ：需要大量箝位电解电容，因此系统的体积 大，可靠性差；直流电解电容也不便于系统集成；变换电路控制困难，有功功 率流转换的开关频率和开关损耗较高；存在电容的电压不平衡问题。 综上所述可以看出这种拓扑结构的优缺点是很明显的，虽然这一拓扑结构 的实际应用价值不大，但是由于它可以通过开关组合来平衡筘位电容电压问题， 因此研究这一拓扑结构对于我们解决有功调节和交流调速中的回馈能量引起的 电容电压的问题提供了一种方法。 砺 砺 醌 图2 3 飞跨电容箝位型三电平主电路拓扑结构 2 2 3 单元级联型 自从1 9 9 4 年美国r o b i c o n 公司推出称为“完美无谐波”系列级联型高压 变频器以来，级联型的多电平变频器在实际生产中已经发挥了巨大的作用。由 于不是采用传统的器件串联方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联， 9 上海大学硕上学位论文 所以不存在器件串联引起的均压问题。 e d 腔 e d 彪 图2 4 单相级联型多电平拓扑结构 图2 4 为单相单元级联型多电平主电路的拓扑结构，各组h 桥分别采用独 立的电源供电，而这个逆变器将各个分离的直流电源合成所需要的电平。单元 级联型主电路输出相电压电平数m 、线电压电平数与每相级联功率单元数 肛的关系为： n e = 2 n s + l( 2 - 3 ) n = 4 n s + 1 这种结构具有如下的优点卜： ( 1 )各串联的h 桥单元结构相同，使系统可以方便的模块化，装配简单， 设计和制造成本大大降低，系统可靠性高，易于维护。当某个h 桥 单元出现故障时，可以将其旁路掉，其它单元仍然可以正常的工作； ( 2 )直流侧采用电压相等但各个分离的直流电源，就可以避免箝位型拓 扑中的电压均衡问题，易于实现p w m 调速控制。采用不可控整流 桥时，不同的整流桥之问没有影响； ( 3 )对于相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少； ( 4 )由于没有电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因 而可以实现更高的电压输出，实现更低谐波； ( 5 )便于实现软开关技术。通过在h 桥逆变电路中加入谐振电感、电容， 采用适当的控制策略比较容易实现软开关，从而可以去除缓冲电路， 减少散热装置的体积； 1 0 j 二海大学硕l ：学位论文 ( 6 )当每个直流电源分别通过三相不可控整流桥进行整流得到时，整流 侧通过移相式变压器来实现多重化整流，提高了输入侧的功率因数， 减少了电网侧的电流谐波。 这种结构的缺点在于需要多个独立的直流电源，若用交流整流滤波的方法 来实现，变压器结构复杂，体积庞大，成本较高，无法四象限运行，且动态性 能较差。每个h 桥单元都为单相控制，直流电容在任意时刻都有交流电流通过， 因此需要用较大容量的直流电容，使得造价提高咖1 。 综上所述，级联型多电平拓扑结构具有优点较多，结构简单，在不要求四 象限运行，动态性能要求不高的风机、泵类调速场合中完全可以胜任。但由于 串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求很高。这种变频器的一个发展方 向是采用额定电压较高的功率单元，以达到在满足输入、输出波形质量要求的 前提下，尽量减少每相串联单元的个数，降低成本提高可靠性。 2 2 4 混合级联型 近年来，电力电子器件的技术发展表明，选择开关器件时，要在开关频率 和耐压能力之间折中选择，混合级联型由此产生。 图2 5 单相不对称级联型多电平拓扑结构 混和级联型是由单元级联型发展而来，如图2 5 为单相不对称级联型多电 平拓扑结构，这种拓扑结构结合i g b t 开关频率高和g t o 或i g c t 等功率开关 器件耐压值高的优点，在相同的独立直流电压源的情况下，可以输出更多的电 上海人学硕士学位论文 平数。由个h 桥单元组成的单元级联型多电平电路，输出的电平数为2 n + l ， 但是当独立电源的电压分别取晟2 及4 反、2 n e 时，则其输出电平数大幅 地增加到2 姐1 ，这就是混合级联型多电平拓扑的思想“剐。由于电压以2 v 倍数增加，而器件的耐压有限，所以混合级联型电路的串联级数不能无限增加， 实际系统的级联数不会超过3 。 2 3 本章小结 本章首先对大功率变频器各种主电路拓扑结构作了一个简单的介绍，然后 着重分析了四种主要的多电平拓扑结构。综上所述，这四种多电平拓扑结构， 各有自己的特点。二极管筘位型无需变压器，可以直接和电网相连、体积小、 控制简单、成本较低。若在整流侧采用可控的p w m 控制方式进行控制时，能 够很容易地实现四象限运行，可用在调速性能要求较高的场合，这种方法的缺 点是在输出电平较多时，需要引入较多的箝位二极管，降低了系统的可靠性， 同时直流侧电压的平衡问题也比较难解决。一般来说，这种变频器在七电平以 内时具有较大的竞争力。飞跨电容型结构由于引入大量的飞跨电容，使得控制 复杂，很难保持飞跨电容的电压平衡。采用单元级联型结构的变频器，可以简 单的将电平数增加，不受功率管最高耐压的限制。在整流侧引入移相式变压器 后，可以大大降低整流侧电流的谐波含量，因此在大功率变频调速和无功功率 补偿等行业有广泛的应用前景。但是，移相式变压器的存在，大大提高了装置 的成本，增加了装置的体积，随着电平数的进一步增加，变压器的设计更为复 杂，而且目前为止，尚无有效的可控整流方法将能量从电机侧向电网回馈，不 仅造成了能量的浪费，更重要的是无法进行四象限运行和高性能的加减速控制。 因此这种结构一般用在调速性能要求不高的场合。传统的级联型多电平变频器 采用的是电压等级相同的独立直流电源，随着输出电平数的增加，往往需要增 加很多的独立直流电源数量。为了简化电路拓扑，混合级联型多电平变频器近 年来逐渐受到重视，它是传统级联型多电平变频器拓扑结构的推广。 上海大学硕| i j 学位论文 第三章载波相移s p w m 及其在级联型多电平变频器中的应 用 随着各种多电平拓扑结构的出现，人们提出了大量的针对于多电平变频器 的控制策略，主要有以下几种啪： 1 ) 空间电压矢量p w m 法( s v p w m ) = 2 ) 选择谐波消去法( s h e p w n o ； 3 ) 多电平消谐波p w m 法( s h p w m ) ； 4 ) 开关频率最优p w m 法( s f o p w m ) ； 5 ) 载波相移s p w m 法( c p s - s p w m ) 。 一般而言，评判一种控制方法的好坏主要依据以下几个方面： ( 1 ) 变频器输出的波形质量应尽可能好地满足生产应用领域的需要，这里主要 强调的是输出波形的谐波含量要尽可能地少。 ( 2 ) 可靠性。变频器控制策略应能使变频器系统稳定地工作。由于电力电子器 件在电压耐量上的发展还不能很好地满足高压变频领域的需要，结构化的 多电平或者单元串联的结构往往需要在控制策略的设计上能增强系统的稳 定性。 ( 3 ) 能使变频器输出近似正弦的波形，并能实现对输出电压幅值和频率的调控。 这是任何一种变频器控制策略存在的前提。目前所有被提到的和正在研究 的种类繁多的变频器控制策略莫不以此为立足点。 ( 4 ) 变频器的逆变效率要高，这是节约能源的重要指标之一。 ( 5 ) 电磁干扰小和电磁兼容性好。 ( 6 ) 体积重量小，经济性好。 在实际应用中，s h p w m 法和s f o p w m 法既可以用于箝位型电路又可以 用于级联型电路，s f o p w m 法由于在正弦调制波中注入了零序分量，因而只适 合用于三相系统。阶梯波脉宽调制由于开关频率较低，输出电压的谐波含量较 大，常用于电力系统的无功补偿等场合。 上海人学硕 ：学位论文 3 1 单元级联型五电平变频器的工作原理 本文实验部分以一个单元级联型三相五电平变频器的实验平台为研究对 象，在此首先介绍其工作原理。本实验平台由6 组h 桥单元组成，每相出2 组 h 桥级联，如图3 1 所示，下面就单相2 组h 桥级联，描述其工作原理。 图3 1 单相级联型五电平拓扑结构图 假设v c ，= v c 2 = e a ，若函和& 导通，则u a o = e d ：若& 和岛导通，则u , , o = - e d ； 若勖和岛导通，则阮d = o ：若& 和& 导通，则d = 口，每组h 桥单元可产生 e a , o , - e d 这样三种电平。因此，两组h 桥输出电压u 矗可以产生弛；点名n 既2 e d 这五种电平。 3 2 几种多电平变频器控制策略及分析 根据级联型多电平变频器的工作原理，人们提出了多种多电平变频器的 p w m 控制方法，得出了很多有益的结论，通常，这些p w m 控制方法可以分为 两大类：直接数字技术( s v p w m 空间电压矢量法) 和三角载波p w m 技术。”“”。 下面分别介绍几种常见的多电平变频器的控制策略。 8 2 1 空间电压矢量p w m 法 空间电压矢量p w m 法最早是由德国学者v a n d e r b r o e k h w 提出的。电压 1 4 t 海人学硕上学位论文 空问矢量p w m 法与s p w m 法不同的是，s v p w m 法是以直接控制电机磁链的 圆形磁通轨迹为目的，使输出电压的空间矢量以期望的速度旋转，且调节这个 矢量的幅值为期望值。传统的两电平s v p w m 的原理是大家所熟知的，而多电 平s v p w m 方法则是根据相同的原理推广所得。对于多电平s v p w m 技术，其 基本原理与二电平s v p w m 技术相似，只是开关组合的方式随着电平数的增加 而有所增加“。“”。多电平的电压矢量更密集，模大小可选择的种类更多，合成 时过渡更自然，合成的磁链更接近圆形磁场，因而控制更精确，输出电压谐波 更小。多电平s v p w m 法的电压空间矢量的个数由相电压电平数决定，当相电 压电平数为时，电压空间矢量的个数为妒，当然这些矢量中有些在空间上是 重合的。如图3 2 所示为三电平电压空间矢量分布图。三电平变频器每相可输 出正( p ) ，零( z ) ，负( m - 种电平，共有2 7 种电压空间矢量。其中有2 4 种是非零 矢量，1 9 种独立的电压空间矢量，1 种零矢量( - - 个零矢量重合) a v t j a 。 在三相多电平变频器里，选择适当的开关状态组合可以合成不同的输出电 压，但在得到某些电压矢量时，有不同的开关状态组合可供选择，即有冗余的 开关状态组合，这为采用适当的调制方法来保持直流侧电容电压平衡和开关频 率最小化提供了条件。 n p n z p n p p n 陀坦 z z n i 哺赫 p 睡姆 v 、 图3 2 三电平电压空间矢量分布图 空间电压矢量p w m 法的优点州h 5 1 ： ( 1 ) 直流母线电压利用率高； j ：海人学顾十学位论文 ( 2 ) 在大范围的调制比内具有很好的性能； ( 3 ) 与传统s p w m 法相比有更好的动态性能； ( 4 ) 无须大量的存储空间来存放角度值； ( 5 ) 硬件结构实现比较容易。 缺点是： ( 1 ) 由于多电平s v p w m 输出电平数与电压空间矢量的数目之间呈现出立方关 系，当输出电平数增加时，其矢量将很多，致使算法复杂，计算量很大， 所以多电平s v p w m 技术在电平数较高时受到很大限制，目前多电平 s v p w m 技术的研究一般只限于五电平以下； ( 2 ) 存在角度跳变。 3 2 2 选择谐波消去法 这种方法通过选择适当的开关角合成阶梯波。其基本思想是通过傅立叶级 数分析，得出在特定开关角下的傅立叶级数展开式，然后令某些特定的低次谐 波为零，从而得到一组非线性独立方程，按求解的开关角进行控制，则必定不 含这些特定的谐波，即把所需要的性能指标构造成目标函数，以开关角为参考 变量，寻求最优的开关角，以消除选定的谐波。通常，这种方法着眼于消除低 次谐波，因为高次谐波的幅值较小，而且随着谐波频率的增高，滤波相对容易 一些。 选择谐波消去法理论上可以消除任意次的谐波，但受功率器件开关频率的 限制一般只把影响系统性能的低次谐波消除掉。通过增加额外的滤波电路，高 次谐波比较容易消除。 选择谐波消去法具有以下几个优点： ( 1 ) 利用有限个开关角能有效地抑制某些低次谐波； ( 2 ) 总谐波畸变( t h d ) 较低； ( 3 ) 利用特定谐波消去法可有效降低开关损耗，提高转换效率，这一点对高压 大功率设备来讲有特别的重要意义。 缺点如下： 1 6 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 需要解超越方程，算法复杂，计算量大，难以实现实时控制； ( 2 ) 容易导致高次谐波幅度增加。 特定谐波消去法的求解过程必须采用牛顿叠代法求解超越方程，而且选取 合适的初值是收敛的必要条件，这就决定了运算要花费较多的时问，不利于在 线计算，因而都采用离线计算嘲。采用查表法取得开关切换时刻，这就需要较 大的数据表格。随着以d s p 为代表的高速计算技术的发展和一些优化算法的出 现，在线求解非线性方程组已不是难事，因而在线s h e p w m 技术己成为可能； 另一方面，廉价大容量存储芯片的出现，也为用基于查表法的特定谐波消去法 s h e p w m 来实现高性能变频器提供了更好的基础。所以，多电平变频器 s i p w m 方法受到了越来越多的关注和研究。 3 。2 3 消谐波p m l 法 消谐波p w m 法的原理是，电路的每相使用一个正弦调制波与几个三角波 进行比较，如图3 3 所示。 图3 3 消谐波p w m 法示意图 例如对于一个刀电平的变频器，采用n - 1 个具有相同频率五和相同峰- 峰值 a 。的三角波，与一个频率为厶、幅值为彳。的正弦调制波进行比较。其幅值调制 比和频率调制比吩定义如下： 1 7 卜海大学烦十学位论文 托= 志 m 广皇 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 当正弦调制波与三角载波相交的时候，如果调制波的幅值大于某个时刻的 载波的幅值，则开通相应的开关器件，反之，则关断该器件。为了使玎j 个三 角载波所占的区域是连续的，他们在空间上紧密连接且整个载波集对称分布于 零参考量的正负两侧。 3 2 4 开关频率优化p 删法 s t c i n k e 提出的丌关频率优化p w m 是另一种三角载波p w m 方法，这种方 法与消谐波p w m 法相似，它们的载波要求相同，但是开关频率优化p w m 法 的调制波中，由于注入了零序分量，对于一个三相系统，这个零序分量是三相 正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以开关频率优化p w m 法的调制波是 通常的三相正弦波减去零序分量后所得的波形。零序分量和三相调制波的计算 公式如下所示咖1 。 u ：婴竺( 堡! 坠：匕! 墅璺! 匕：堡：坠2 ( 3 3 ) 一z e r o、。一， e = 乩一 ( 3 4 ) w = u 一 玩= 玑一 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 上述的算法既可以用数字实现又可以用模拟电路实现，其中模拟电路的实 现可通过一个三相整流桥电路很容易地完成零序分量的求取。开关频率优化 p w m 法如图3 4 所示，该方法的调制度范围较宽，直流侧电压利用率较消谐波 p w m 法高了约1 5 ，值得一提的是，从这种方法的原理很容易理解，该方法 只可用于三相系统，因为注入了零序分量在单相系统中无法互相抵消，从而在 上海大学硕上学位论文 输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不存在这种情况。 图3 a 开关频率优化p w m 法示意图 3 2 5 载波相移s p m 法 载波相移s p w m 法是一种专门用于级联型多电平变频器的p w m 方法。如 图3 5 所示，为载波相移s p w m 法示意图。图中可以看到4 个载波之间各相移 图3 5 载波相移s p w m 法示意图 j ：海大学硕i ：学位论文 了一定的角度。这种控制方法与前面两种方法不同，每个单元的s p w m 信号是 由同一个正弦调制波和几个互差一定相位的三角载波比较产生的。三角载波之 间的相移使得各个模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使各个模块最 终输出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的2 n ( 为级联单元数) 倍h 们。 这样，便可以在不提高开关频率的条件下，大大减少输出谐波。下一节将对载 波相移s p w m 法进行详细的数学推导及分析。 三角载波p w m 技术和直接数字技术都是两电平p w m 技术在多电平中的 拓展，近年来，随着数字技术的发展，s v p w m 方法因其高电压利用率，低谐 波含量以及硬件电路简单等优点广泛受到关注和应用，但该方法有一个很大的 缺陷是，当变频器输出电平数超过5 时，空自j 矢量p _ | v m 法将非常复杂，为了简 化控制算法，载波移相s p w m 是较好的选择，且主要应用于单元级联型多电平 拓扑结构。 3 3 载波相移s p w m 的算法与谐波分析 级联型多电平逆变器的主要问题是寻求有效的p w m 调制策略，以降低输 出电压的总谐波含量。 些s ，& 一 7 f _ l a 卜_ 0 b 止 & ， 7 r& ， 前k 。肛 劢 譬 r d , l 一1 6 | l 目 j 2 一矗f 珊f 0d 匝一 上海大学硕士学位论文 如图3 6 所示单组h 桥逆变电路，每组h 桥的4 个功率开关管的不同组合， 可以产生e d , 以西这样三种电平，组级联可产生2 n + 1 个电平，输出电压为 个单元输出电压之和。这样，通过增加一个周期中的电平数，可以使输出电压 波形更接近于正弦。由此建立直角坐标系，通过两组三角载波分别与调制波进 行比较，来选择开通4 个功率开关“町 1 。 功率开关肼，部分别与影，跗互补。肼的调制波为m c o s q t ，三角载波 为 _ 1 一善吐一只一万s 吐。，q 、纹分别为调制波和三角载波的角频，q 、纹万力u 刀啊币q j 2 殳删二崩飘彼删川捌 一1 + 云( 国c 卜吃) o 万 率，肘为调制系数，即调制波和三角载波的幅值之比。以为三角载波相对于y 轴 的移相角。采用自然采样法，则交点为 制波为一j l f c o s q f ，载波与s j 相同。对且e d 2 进行傅立叶展开，可以得到 瓦u 瓦= 互1 嘞+ 喜魄c 。铆掣+ 瓦s i 彻纹力 ( s - 7 ) n 。：一三( 石+ 0 。一o z ) 石 口。= 去【s i n ( 邪蚴“n ( 咀) 】 吒= 一去【c 。s ( 胛蚴- - c o s ( 崛) 】 a o 研= 2 mc o s ( a t ) 铲去c o s ( , 礁) s i n 睁掣c o s ( o 叩) 21 。= 二f 詈+ 半 i ，历 i z k 去s 蚍灿降+ 警c o s c 删 2 i ( n = 1 ，2 ，)( 3 - 8 ) ( 1 l = l ，2 ，) ( 3 9 ) ( n = l z ) 凋的船 1 j 1 i j o 力 m m “ o o c c 膨 m + + l u 2一万2一万 一 + c c 口 口 = = 矾 b 上海大学硕1 ：学位论文 i 删4 易u s 3 2 的傅立叶形式为 口o s 3 = 一2 mc o s ( ( ) l f ) ，= 砉c o s ( 例咖l 等一竽c o s ( 叫，2 云8 ( 栉见) 虹n l 等一半8 ( 州l = 石4s i n c 哟s i n 等一竽c o s c 叫 由于【，= u s l 一3 ，则 ( n 2 1 ，2 ，)( 3 - 1 0 ) ( n = 1 ，2 ，) 而u 2 誓? 卅善。絮4 秒m rn 等0 0 8 力 【删) c o s 圳p m + 喜臼c o s 争咖降蝴小，s 蚴，】 一 s i n ( x c o s o ) = 2 ( - d “1 j 2 ，- i ( x ) c o s ( 2 l - 1 ) 0 i = 1 将式( 3 1 1 ) 展开- ，可以得到，这里以为n 次贝塞尔函数。 最= 撇叫酪啕渺如拳删叫删，刮 + 羚岣融屯拳删叫渊，蚓 。1 2 下面就n 为奇数和为偶数两种情况，对式( 3 1 2 ) 进行分析。 ( 1 ) 当一= l ，3 ，5 时，c a m e o s ( 等) = o ，则式( 3 - 1 2 ) 为 而u ：2 m c 。s ( o o t t ) ( 3 - 1 3 ) 2 e d 。 此时谐波含量为0 。 ( 2 ) 当n = 2 ，4 ，6 时，令七= 2 1 1 ，= 1 ，2 ，3 ，则 最：埘州，嘻套畸，弦芦以单蝴r ) 脚，一f ) 】 + 黪畸， 喜卜旷k - i 以净一， ，毗纠 ：2 m c o s ( o t ，+ ； 臼畸擎声五学，毗k a o t + 结畸) 挚以卑) ) 酬啤蚴】 最= 埘嘶卅辩) 畸) 静声五卑椒但) 啦删州 。+ 结畸，善( - 声以卑) ，蚴蝴1 。j 可见，输出电压u 不再含有2 k 1 次以下的谐波，只含有2 疋1 次以上的 谐波成分。 3 4 载波相移角度与变频器输出性能的关系 通过以上推导，不难得到单元级联后输出电压【，的傅立叶展开式为 最= 撕删+ 釉吩畸警删 【删，删+ 蚓 + 撕酬+ 矜婶将删 【鳓) 酬+ 删酬 + 埘酬+ 矜昀将删 【醐) 删+ 酬 = 蝌鞠岣血降啦醐) 十酬删陆嘲 + 豁婶茹降心) 斗酬删 上海大学顾b 学位论文 ( 1 ) 当靠= l ，3 ，5 时，f l q f c o s ( t n t t ) = o ， iun；2nmc。s(colt)(3-16)2 易 此时谐波含量为0 。 ( 3 ) 当h = 2 ，4 ，6 时，令七= 2 1 1 ，= l ，2 ，3 最嚣帮五拳叫一+ 酬 = 删嘻功啕扩以申触蛔蚴伯蚍蚓p 忉 = 嘻功啕以争蝌蜥伯蚍删 其中b 彳羔s i n ( n 以o 嚣t + 悃s i n “( n 蒜o t = + s i n ( n 6 。v 一 = )：) ) 上式中，当包取各单元载波相移依次增加时，即 = 笃= 咎三= 霉p 哟丑- s i n ( 舢争“嘶小+ s i 咖州- 1 ) ，号】 此时输出电压将不再含有2 魄1 次以下的谐波，而只含有2 魄1 次以上 采用的相移角度时，总的输出是各级联单元输出的代数和，传输功率比单 上海大学硕j ：学位论文 其中z 为单个开关管的载波频率。 可见，载波相移s p w m 技术可以在较低的器件开关频率下实现较高开关频 率的效果。 3 5 仿真实验及分析 3 5 1 仿真模型 m a t l a b 是现在比较主流的仿真软件，由美国m a t h s w o r k 公司开发。它提供 了强大的矩阵处理和实时绘图功能，可靠性高，灵活性好，因而在世界范围内 被科学工作者、工程师和大中学生广泛使用。m a t l a b 现在已经被应用在工程设 计的各个领域，其原因就在于它实用性的工具箱和语言特点。通过其中的 s i m u l i n k 工具箱，可以方便的使用软件本身集成的函数模块进行多电平算法仿 真。除了软件自带的函数库外，s i m u l i n k 还提供了s - f u n c t i o n 函数，通过编程， 用户可以按照自己的要求和定义，得到所要的模块，如图3 7 ，其中的s p u l s e 模块是一个可变的三角波发生器，通过改变输入量，频率、载波比和移相角度， 可以得到任意的三角载波。 善楣角度 图3 7 三角波发生器 通过以上三角波发生器，和s i m u l i n k 自带的函数库，可以建立如图3 8 所 示的多电平驱动脉冲的仿真模型。在此模型的基础上，在进行算法仿真的同时， 可以应用函数库里的傅立叶分解函数用叮，直接得到其输出的频谱分析，这些 都为研究载波相移s p w m 法提供了很多便利条件。 上