（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器空间电压矢量pwm调制及实现.pdf

羹馨黉奏霪薹囊萋鬟誊 l 茎 i i 蓦善i i 萝至； i 量曩i ! 喜霎i ；耋妻； i 茎； ；章i ； ! 薹荤； i 彗霎i i 量茎i 霉，耋；蚕茎；主兰；薹= 銎兰差帮三萋誊互薹i 霉；童霎“川妻| 囊童i 藿薹。主；等i 耄 囊孽三= = 善鋈垂i 套i 军：薹主豢 薹罩；霉誊誊 耋霎i 薹室i 摹妻一! 暑荤孽 薹三；：蚕薹薹 善墓暑口妻 l i i ；：! ：孽l ! l jf 莹薹l l 一；圣藜蠡箩蘩| ! 辇。囊鍪l 霎矍矍i 雾妻薹：二曼曼一；| ： 藿垂霉二蠢薹萋i 萋蚕? 薹妻蚕鎏霎耋耋薹鋈霪攀一囊薹蒌墓霉鎏霪耋：i i = 蒌萋薹篓冀囊；辇耋妻二薹萋! i i ；耋一i ： 山东大学硕士学位论文 制。例如，二极管箝位型三电平逆变器虽然是目前应用最为成熟的多电平逆交器 结构之一，但中点电位平衡问题是它固有的问题，并且是一个研究的热点问题， 这也是本文的研究内容和要解决的问题之一 2 、飞跨电容型多电平逆变器 飞跨电容型n 电平变换器的直流侧也是由n - 1 个串联的电容组成，每相可以 输出n 级电压，所用到飞跨电容型的个数为州1 ) ( n 2 ) 。图1 2 所示为一个三相五 电平的飞跃电容型多电平逆变器。此逆变器的直流侧用了一种阶梯结构，每一层 的电容电压都与下一层的电容电压不同。每相桥臂的结构都相同，两层电容闻电 压增加的大小决定了输出波形中每阶电压电平的高度。显而易见，爿相桥臂中 的三层内环平衡电容c a l 、c a 2 和c a 3 与口相桥臂的三层电容是互相独立的，但 所有的桥臂都共同享有直流侧的四个电容c 1 一c 4 。 图1 2 飞跨电容型三相五电平逆变器拓扑结构 飞跨电容型与二极管箝位型的多电平逆变器相比，前者克服了后者使用太多 二极管的问题；同时具有多种组合的开关方式，这些开关组合方式可以用来平衡 电容上的电压；由于飞跨电容的存在，使得输出电压的谐波畸变率和开关器件的 d u d 1 相对较小，而且开关器件处于阻断情况下电压也比较均衡；飞跃电容型多 电平逆变器也只需要一个直流电源，并且同样可以采用背靠背的方式实现四象限 运行。但这种拓扑结构的变换器中，电容的体积较大，当电平数较高时，系统较 4 山东大学硕士学位论文 表1 1 三种多电平逆变电路拓扑结构比较分析 三种多电平逆变电路拓扑结构比较分析 = 撮管钳位型飞跨电容墅 级联型 无需均压，元件少 主要优点双向功宰流动自动均压，双向功率流动 电平更高 屯容均压复杂，体积大成本高。 主要缺点需要更多独立电源 中点电位偏移开关损耗大 n 电平时 开关嚣件 每一个桥臂需要2 群一1 )每个桥臂需要2 烈一l 每一十桥譬需要2 心一l l 钳位器件两个二极管一个电容独立电源 燃料电洼供电的高压系统，太 应用范匿应甩广泛应用较少 阳能系统等 1 2 2 多电平逆变器p 删调制技术研究现状简介 。 传统的交频器通常采用相控方式，即通过调整触发角的大小来调整器件的导 通时间，从而改变逆变器的输出波形。采用相控方式来控制逆变器，控制简单， 但生成波形含有大量的谐波分量，功率因数低，转矩脉动大，动态响应慢，无法 满足高性能调速系统的要求。 1 9 6 4 年，德国的as c h 伽u n g 等率先提出了脉宽调制变频的思想，即把通信系 统的脉宽调制技术( 简称为p w m 技术) 应用于交流电气传动。所谓脉宽调审9 技术是 指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲 序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称p w m 技术。 多电平逆变器功能的实现，不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础，还要有 相应的p w m 控制方式作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。随着电 力电子器件和多电平技术的快速发展，p w m 技术也越来越充实，p w m 调制方 法有很多种实现方式，可分为基于载波的和非载波的p w m 调制方法两种类型口】， 以下将对多电平变换器的p w m 调制方法的研究现状作一简单介绍。 1 、基于载波的p w m 调制方法 图1 。4 是五电平变换器四种不同的基于载波的p w m 调制方法原理图。其中， 图( a ) 所示的子谐波p w m ( s u b h a 硼o n i cp w m s h p w m ) 调制方法1 8 是c a 腓a 在 6 山东大学硕士学位论文 1 9 9 0 年的电力电子专家会议( p e s c ) 上提出的，这种调制方法利用多个频率和幅值 相同的三角载波和正弦波相比较来决定多电平变换器开关器件的开通和关断，对 于n 电平的变换器就需要n - 1 个载波，而这些载波的中点即为零参考点，该调制 方法的特点是调制方式简洁且容易实现；图( b ) 的开关频率优化p w m ( s w i 心n g f b q u e n c yo p t i n l a ip w m s f o p w m ) 调制方法是由德国的s t c i n k c 在1 9 鼹年的 p e s c 上提出的【”，与s h p w m 调制方法不同的是调制波中增加了零序电压f 1 0 】， 这种调制方法仅实用于三相对称负载的系统，当用于单相系统中时输出电压中会 有3 次谐波存在；图( c ) 的移相p w m 口h a s h i f tp w m p s p w m ) 调制方法【”1 的相邻 载波之间都存在一定的相移，与s 邛w m 和s f o p w m 相比，这种调制方法能够增 加等效的载波频率，从而增加等效的开关频率，这种调制方法适合用在级联型的 多电平变换器中；图( d ) 的变载波频率p w m ( v a r i a b l c f r e q u 姐c yc 睢i c fb 锄d s p w m v f i 四w 蛐调制方法l 捌克服了前三种方法在调制比较高时中间载波对应 开关器件动作次数较少的缺点，适当增加了中间载波的频率，平衡了开关器件动 作频率，相应地也增加了等效的开关频率。 帕s 州p w m日b ) s f o p q r m 图1 4 基于载波的p w m 调制技术 2 、非载波的p w m 调制方法 非载波的p w m 调制方法有很多种，典型的有：谐波消除p w m ( s 脏p w m ) 法、 滞环控制p w m ( h y s t c 坨t i c c 【m 仃o lp w m ) 、电压空间矢量p w m ( s w m ) 调制方法 7 山东大学硕士学位论文 本文主要工作如下： 1 、概述了多电平变流技术研究意义及发展概况，深入分析了多电平变换器 的拓扑结构和控制技术现状，讨论了空间电压矢量调制算法相对于其它控制方法 的优点。 2 、详细分析了二极管箝位型逆变电路的拓扑结构、工作原理，深入讨论了 该拓扑电路输出三种相电压时对应的各开关元件的工作状态，以及满足这些工作 状态的逆变电路控制要求，并给出了三电平逆变器输出状态表，总结了这种拓扑 结构的优缺点。 3 、对空间电压矢量调制原理进行了分析研究，然后从扇区和区域的划分、 工作模式的判断、开关矢量的选择优化、开关矢量作用时间的计算以及空间电压 矢量作用顺序的确定这几个方面全面介绍了三电平空间电压矢量脉宽调制的算 法，并通过理论推导或公式推导详细列出矢量作用顺序以及电压矢量作用时间的 表格，归纳出了当空问矢量在各扇区时，s v p w m 的具体调制方法，为三电平逆 变器s ，w m 调制方法的实现提供了理论依据。 4 、在讨论了中点电位不平衡产生的原因的基础上，定性的分析了三电平逆 变器中各种开关状态对中点电位波动的影响，阐述了一种基于中点电流方向和中 点波动检测的中点控制方法，并采用s i m u u n k 建立了考虑中点波动的三电平逆 变器s 啊m 算法仿真模型，仿真结果证明了调制算法的正确性和中点控制方法 的可行性。 5 、设计了三电平逆变器的控制系统总体结构，并分别设计了其硬件电路和 软件构成。其中，硬件设计包括逆变主电路设计、开关驱动电路设计和检测电路 设计；根据需要选取i m s 3 2 0 u 2 4 0 7 d s p 作为控制芯片，完成三电平逆变器 s v p w m 算法的开环控制软件设计，主要包括主程序设计、中断服务程序设计和 s v p w m 子程序设计 9 山东大学硕士学位论文 器和传统的二电平逆变器的拓扑结构相比较，三电平逆变器具有以下特点【螂7 1 ： ( 1 ) 、现有半导体器件不太高的耐压等级限制了普通二电平逆变器系统的容 量，尽管人们采用多器件串联的形式，但仍存在着静态、动态均压的问题。而三 电平逆变器能有效解决电力电子器件耐压不高的问题，因此它更适用于中压大功 率电动机调速。 r ， ( 2 ) 、三电平逆变器的单相桥臂能输出三种电平，即正端电压( + 警) 、负端电 二 r r 压( 一等) 和中点零电位( o ) ，线( 相) 电压有更多的阶梯波来模拟正弦波，使得输出 二 波形失真度减少，因此谐波含量大为降低；多级电压阶梯波有效地减少了d u d t ， 对电机绕组的绝缘要求也有所降低，将普通三相电动机做一些绝缘加固处理就可 以应用于变频调速系统 ( 3 ) 、把第一组谐波分布带移至二倍频开关频率的频率带，利用电机绕组电感 可较好的抑制高次谐波对电机的影响。同样的谐波含量下，开关频率下降一半， 同样允许采用较低的调制比来提高整个系统的效率。 ( 4 ) 、能产生2 7 种空间电压矢量，比二电平逆交器的8 种空间电压矢量大大增 加，矢量的增加带来谐波消除算法的自由度，可以得到更好的波形；因为与吸收 电路有关的电路电压只有二电平的一半，流入吸收电路的能量小，即发热量小， 可使电路体积小。 ( 5 ) 若三电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星型负载，则负载中不会有3 的倍数次谐波电流流过。 2 3 二极管箝位型三电平逆变器主电路的研究 前文曾提到，多电平逆变器有多种拓扑形式，同样，三电平逆变器也有多种 拓扑形式。“二极管箝位( d i o d e a 锄p c d ) 逆变电路”是多电平逆变电路拓扑结构 中发展最早的一种，又称为中点箝位逆变电路 e 曲r a lp o i n ta 锄p c d ) 。这种电路 通过多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成 相应的正弦波。本文以下仅讨论二极管箝位式三电平逆变器。 2 3 1 二极管箝位式三电平逆变电路的拓扑结构【”删 图2 2 给出了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构，可以看出，三电平逆 1 l 山东大学硕士学位论文 所示中点箝位式三电平逆变器主电路工作原理： ( 1 ) 给t 1 、他导通触发脉冲，1 3 、t 4 关断时：若负载电流为流入方向( 相对 于负载) ，则电源对电容c 1 充电，电流流过主管t 1 、t 2 ，忽略管压降，该相输出 f 端电压一+ 睾；若负载电流为流出方向，电流流过与主管t 1 、1 r 2 并联的续流 二 f 二极管d 1 、d 2 对电容c 1 充电，则该相输出端电压是- + 等 二 ( 2 ) 给砭、1 3 导通触发脉冲，t 1 、t 4 关断时：若负载电流为流入方向，则 电源对电容c 1 充电，电流流过箝位二极管d 5 、主管t 2 ，此时该相输出端电压 u ，一0 ；若负载电流为流出方向，电流流过主管1 3 、籀位二极管d 6 ，电源对电 容c 2 充电，则该相输出端电压是阢，一0 。 ( 3 ) 给1 3 、t 4 导通触发脉冲，t l 、配关断时t 若负载电流为流入方向，则 f 电源对电容c 2 充电，电流流过主管t 3 、t 4 ，该相输出端电压u 。一一半；若负载 二 电流为流出方向，电流流过与主管t 3 、t 4 并联的续流二极管d 3 、d 4 对电容c 2 充 f 电，则该相输出端电压t 0 一等。 二 t 1 与他导通时接通p ，设其为p 模式；亿与1 r 3 导通时接通0 记为o 模式，1 3 与 t 4 导通接通q 记为q 模式。定义开关器件导通状态对应l ，关断状态对应0 。通过 上述分析，便可以得到各相开关状态和输出电压关系，如表2 1 所示( x 分别代表 u 、v 、w ) ： 表2 1 开关状态与输出电压关系 开关状态 t l xt 2 xt 3 xt 4 x 输出电压u x模式 llo0 + e d | 2 p 0llo0o o 0 ll e d | 2 q 通过上述讨论还可以看出，直流端的各电势点( p 、o 、q ) 与相输出端在一 定条件下是相通的，比如若开通他和t 3 ，既能保证电流从o 流向负载，此时功率 器件1 r 2 和d 5 导通；又能保证电流从负载流向0 ，此时功率器件1 3 和d 6 导通。因 此，二极管筘位式三电平逆变结构的主电路既能保证电流从逆变器直流端的各电 势点流入负载，又能保证电流从负载流入直流端各电势点，即双向功率流动。 山东大学硕士学位论文 过主管1 3 的电流降为o ，续流二极管d l ，d 2 流过全部负载电流，换向过程结束( 箱 位二极管d 6 阻断) 。如图2 3 嘞所示。 c 主管t 1 导通，对先前状态无影响 d 最后状态负载电流路径是：负载d 2 d 1 p 电位直流回路的p 电位通过续 流二极管d 1 、d 2 输出到负载端。如图2 4 ( c ) 所示。 图2 4 负载电流流入逆变器时逆变器o 模式卜p 模式过渡过程分析 2 、三电平逆变器从p 模式( + ，2 ) 切换到o 模式过渡过程 同样，根据负载电流流向可分两种情况考虑： 1 ) 负载电流为正方向( 负载电流流向负载) 图2 5 负载电流流向负载时逆变器p 模式0 模式过渡过程分析 a 从p 状态切换到0 状态前，初始状态为主管t 1 、亿导通，p 电位输出到负载 端电流路径：p 电位- t 1 1 2 - 负载。如图2 5 ( a ) 所示 b 主管t 1 关断，形成0 电位d 5 - t 1 p 电位a m 电位的换向电路，当主管t 1 山东大学硕士学位论文 + 2 ，且该相在状态变化过程时不至于使单个功率开关瞬间承受的电压为， 必须使该相电位不应该在+ ，2 和一，2 之间直接变化，而一定要通过中心点 电位0 的过渡，也即开关状态在p 和0 间、0 和q 间可以相互自由过渡，p 和q 间不能 直接相互过渡，必须通过中间状态0 来过渡；表3 就是在这种约束条件下得到的， 它指出了当三电平逆变器主电路某相电位发生变化时，功率开关的工作状态。 、电压型逆变器中上述主管通断转换必须遵循先断后通的原则( 引入死区 时间1 ，以防止主管的贯穿导通而烧坏主管。 、两相同时开通关断，主电路虽然有这种可能，但从控制原则上应避免这 种情况。 、为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有最小脉宽 和最小间歇宽度的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，而最小 脉冲间歇宽度大于开关器件的关断时间。 表2 2 三电平逆变器单相桥臂电位变化时的开关状态表 桥臂电位 变化前开关状态变化后开关状态 备注 变化 t l亿 t 3t 4t l亿t 3t 4 o j ， ollolloo t 1 换t 3 p 变o llo0oll0 t 3 换t 1 o 变q o ll00oll t 4 换1 r 2 q 交o oollollo t 2 换t 4 由表2 2 可知，单相桥臂的状态变化只存在四种可能：即o 变到p 、p 变到o 、 o 变到q 、q 变到0 。在控制状态在0 和p 之间反复变化时，必须使1 2 导通、t 4 关断， 控制t l 和1 3 交替通断；在控制状态在0 和q 之间反复变化时，必须使1 3 导通、t l 关断，控制1 2 和t 4 交替通断。 对于由三个单相桥臂组成的三相三电平逆变器，根据三相桥臂u 、v 、w 的 不同开关组合，最终可以得到三电平逆交器的2 7 种开关模式，见表2 - 3 。 表2 3 三电平逆变器输出状态表 i 融中 p p q p p 0 p i p o po p p q p pp q op o q l o o o0 0 po o q0 帕o q 0啪 q ( ) ( o 叼 o q p | q q qq l q pq q oq o qq p qp q qo q qq o p q p 0 1 7 山东大学硕士学位论文 相似的，可将三相逆变电源的三相电压分别定义在空间互差1 2 俨的坐标轴上 ( 没有实际物理意义) 。如图3 1 所示，三相电压h 、h 。分别定义在空间互差 1 2 俨的a 、b 、c 坐标轴上，形成三个矢量 ，。、子。、子。，其方向在各自轴线上， 幅值随时间变化也即f 茎 h 。萝 - 矿 - “。矿 - 舻矿 ( 3 1 ) j - 。g z 2 矿 其中，a 。e _ i ，l 、乞、，c 分别是a 、b 、c 轴线的方向矢量 若以a 轴为参考轴，即l 。1 ，则矢量子。、子，、子。的合成矢量为： 子子+ 子+ 子。h + 口乎。+ 口z 掣。 ( 3 2 ) 对于标准三相电压r 球拳i n ( n ，f ) - 匕黟i n ( 叭弓石) ( 3 _ 3 ) i 一圪罗i n 一吾石) 利用式( 3 2 ) ，可得其合成电压矢量为 仉。 c b 孑，- 詈吃罗伽p 争 ( 3 _ 4 ) b a 图3 1 空间矢量的定义图图3 2 标准正弦合成空间矢量轨迹 3 3 三电平逆变器s v p 删策略 本节将针对二极管箝位型三电平逆变器的结构，分析三电平空间电压矢量 p w m 调制原理，并列写三电平空间电压矢量p w m 调制的计算公式，给出一种通 山东大学硕士学位论文 过开关状态的选择来减少开关损耗的调制算法。 3 3 1 三电平逆变器甜p 硼基本原理 二极管箝位式三电平逆变器拓扑如图3 3 所示：负载为y 型连接的三相异步电 动机，其等效模型如虚线框所示，则三相交流电机空间电压矢量等于逆变器输出 空间电压矢量。为方便讨论三电平逆变器s 阿m 调制方法，傲如下假设：所有 电力电子器件均为理想开关，死区时间忽略不计。 i - 一一一一一一一一一一盟一一一j 图3 3 二极管箝位式三电平逆变器拓扑图 上一章讲过，三电平逆变器工作时，每相有三种输出状态，将输出端接p 、 o 、q 分别定义为2 、l 、0 ，则三电平逆变器中主管的导通与关断可定义为如下开 关函数： ，2输出端接p 点，一+ 三 s 一1 输出端接。点， 一o ( 3 5 ) 【o输出端接q 点，。一丢岛 式( 3 二5 ) 可以简化位： 至 ( 3 6 ) 其中：x 一，、爪矽或a 口、c ，u 表示x 相输出端x 对电源中点d 的电压， & 表示x 相的开关变量。 参考式( 3 2 ) ，可得三电平逆变器空间合成矢量为： 山东大学硕士学位论文 y 一矿d + 口每厂肋+ 口2 孚厂c d ( 3 7 ) 引入开关函数变量邑、品、& ，代入式( 3 7 ) 可得： y = 三重l + 口瓯+ 口2 瓯) ( 3 8 ) 又逆变器输出线电压【，0 、【k ，【么可表示为： - 一- 吾蚂一& ) 一一- 三鸱一& ) ( 3 9 ) 叱一一- 主e d 蛾一只) 隆 。三? g 三：】 萋】 c 3 一t 。， u 仰一【一【，肼；u 髓一( ，肼一【，c ；乙t u c 一【，删( 3 1 1 ) 刖蚓矧 伊协 【墓 丢易4 三三；h 茎】 c 3 一 ， 山东大学硕士学位论文 对应关系嗍，如表3 1 所示： 表3 1开关状态与逆变器输出线电压、相电压、电压矢量对应表 开关状杏 s c。如 k 甜k c n 电压矢量系数l s lo oo 0 o o ov o0 s 2l l l 00o00 o v 0 0 s 32 2 2 ooo00 o v o o s 4 l l ，2o1 ，2l 居- l ，61 ，6v ll 届 s 51 l ooi ，21 尼l ，6l ，61 厅v 2l 舟 s 0 l o1 ，2l ，2o- 1 ，61 居一l ，6v 3l 居 s 70 1 11 ，2o l ，2 - l 岱 l ，6 l ，6 v 4 l 届 s 30 0 lo1 陀 l ，2 - 1 ，6 1 ，6 l bv 51 乃 s 9 1 0 ll 忍- i 忽0l ，61 8l ，v 6 1 路 s l o2 1 li ，2o1 ，2l 届- l ，6- l ，6v ll 届 s l l2 2 l0l 尼1 ，2l ，6l ，6- 1 居v 2l 届 s 1 21 2 i1 尼l ，20- l ，61 届- l ，6 v 3 l 舟 s 1 3 1 2 21 ，201 ，21 居l ，6l ，6v 4 l 居 s 1 41 1 2 o- 1 尼l ，2- l ，61 ，6l 凸v 5 l ，3 s 1 52 1 2l ，21 尼ol ，61 届l ，v 6l ，3 s 1 62 1 0l 蕴l 岔1l 纪o1 岔v 7 彤 s 1 71 2 01 尼11 ，2o1 ，2一l ，2 v 8 彤 s 1 8吡11l ，2 l ，2- l 尼l 尼ov 9 彤 s 1 9 0 1 2i 尼一l ，2l一1 ，2ol ，2v 1 0 彤 s 2 01 0 2l ，2- l1 ，20- 1 ，2l 尼v l l s 2 l2 0 l11 ，21 ，2l ，21 尼ov 1 2 彤 s 2 22 lo12 ，31 居- l 居v 1 32 乃 s 2 32 2 00l- 1l 硌l 届2 硌v 1 42 乃 s 2 4蛇o1lo1 居2 居一l bv 1 52 居 s 2 50 2 21ol- 2 居l 居l 居v 1 62 届 s 2 62 0一l 11 乃- l 届2 av 1 72 凸 s 2 72 毗 ll0l 居- 2 ，3l 居v 1 8 2 ，3 其中：u 。一k 。萨d ，x ，l ，= 爿，曰，c ；l 是空间电压矢量模长系数，即 模长一l 瓯。 山东大学硕士学位论文 k 乎”把k 、吒、巧的丁贞点惩擐起采，大= 角彤被分成四个小= 角形a 、 b 、c 、d 。如图3 5 所示： 第一扇区内参考电压三角工作区域的4 个判断条件为：若 k s i n 口，譬岛，则参考电压位于工作区域。4 中；若杉s i n ( ；一一卜誓， 则参考电压位于工作区域d 3 中；若k s i n ( 詈+ 口) t 警岛，则参考电压 位于工作区域d l 中；其他情况则参考电压p 0 位于工作区域d 2 中 v ov 1 3 v l 图3 5 第一扇区内的空间矢量图 因为6 个扇区内的三角工作区域划分是相同的，所以对于其他5 个扇区的工 作区域的判断可以根据参考矢量的角度将其旋转归一到第一扇区再进行三角工 作区域判断。 旋转归一化方法的基本思想是：利用参考电压矢量的相角一和所处的扇区 构造新的相角矿 即 n 口一( 一1 ) 岳 ( 3 1 4 ) 旋转归一化后需要根据幅值和新的相角矿重新构造参考电压矢量p 0 ，此时 矿的变化范围为【o ，考】，然后按照第一扇区的4 个判断条件对重新构造的参考矢 量位置进行判断，把一的值代入即可。 3 3 2 2开关矢量作用顺序的选择 在三电平逆变器中，由于冗余开关状态的存在，使得一个电压矢量对应于两 山东大学硕士学位论文 2 1 1 2 1 0 2 0 0 1 0 0 2 0 0 2 l o 2 1 1 如果首发矢量采用负的小矢量，则发送次序为： l o o 2 0 0 + 2 1 0 2 1l 2 l o 2 0 0 1 0 0 具体三相输出时序图如图3 6 所示，根据这个时序图，就可以得出二相桥臂 开关器件的驱动信号。基于以上原则，便可以确定各区域的矢量作用顺序及相应 的输出时序图。 t t t t l tt 一 2 l l2 2 l l 2 帅2 2 l l 缸1f 4f 3o 一线a 一蜕 f 3f h 222 2 2222 图3 6 首发正小矢量的输出电压矢量时序图 由于第1 区间与第1 、v 区间的开关矢量分配规律相同，第区间与第、 区间的规律相同，所以，对于i 、v 扇区，只要将其矢量顺时针旋转到第1 扇区， 并且选择与第一扇区所用的基本电压矢量相对应的矢量( 小矢量的正负要对应， 零矢量均选用1 1 1 ) ，即可得到其对应的开关矢量序列；而对于、扇区，采用 同样的旋转方法与第1 i 扇区对应，从而可以得到所有六个扇区的开关矢量序列安 排，如表3 3 所示：在一个载波控制周期内对称安排空间电压矢量，初始矢量均 为小负矢量，小正矢量位于中心 表3 3 全部扇区开关序列安排表 l 扇区i 工作i 开关序列 i u 2 l o 2 l o u 2 l 山东大学硕士学位论文 号区域 d 1 1 1 1 01 1 12 1 12 1 1 1 l l1 1 01 0 0 d 21 1 1 02 1 02 1 12 1 12 1 01 1 01 0 0 l d 31 2 2 1 02 1 12 1 12 1 02 0 01 0 0 d 4l l o2 1 02 ：沁2 2 12 2 l2 2 02 1 0l l o d 11 1 01 1 11 2 12 2 12 2 11 2 11 1 11 1 0 d 21 1 01 2 01 2 12 2 l2 2 11 2 11 2 0 1 1 0 d 3 1 1 01 2 02 2 02 2 1 2 2 1 2 2 0 1 2 0 1 1 0 d 40 1 00 2 00 2 11 2 11 2 10 2 10 2 00 1 0 d 10 1 00 l l1 1 11 2 11 2 11 1 10 1 10 1 0 d 20 1 00 1 l0 2 1 1 2 11 2 10 2 1 0 1 10 1 0 d 30 1 00 2 00 2 11 2 11 2 10 2 10 2 00 1 0 d 40 1 10 2 10 2 21 2 21 2 20 2 20 2 10 1 1 d 10 1 11 1 11 1 21 2 21 2 21 1 21 1 10 1 1 d 2 0 1 1 0 1 2 n 2 1 2 21 2 21 1 20 1 2 0 1 1 d 30 1 10 1 20 2 21 2 2 1 2 2 0 2 20 1 20 1 1 d 40 0 10 0 20 1 21 1 21 1 20 1 20 0 20 0 1 d 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 21 1 21 1 11 0 1 ，0 0 l d 20 0 11 0 11 0 2 1 1 21 1 2 1 0 21 0 l 0 0 1 v d 3 0 0 1) 21 0 21 1 21 1 21 0 20 0 21 d 41 0 11 0 22 0 22 1 22 1 22 0 21 0 21 0 1 d 1l o l1 1 12 1 12 1 22 1 22 1 11 1 11 0 1 d 21 0 12 0 12 1 12 1 22 1 22 1 l2 0 1 1 0 l d 31 0 12 0 1 2 0 2 2 1 2 2 1 2 2 0 22 0 11 0 1 d 41 0 02 2 0 12 1 12 1 12 0 l2 0 0l o o 3 3 2 3 输出电压矢量作用时间的计算 。当参考电压矢量以一定角速度旋转落在图3 5 中的某个小三角形内时， 为得到相应频率的正弦输出电压，减小输出电压的谐波含量，在每个p w m 控制 山东大学硕士学位论文 表3 5 空间电压矢量作用时间统一计算公式 d 1 区d 2 区 - z 鲁叫( 争a ) 廿吲- z 鲁叫( 驯廿吲一r - ：鲁r 嘲p 一一吲r 埘以等l卜似jd 纠 - r - ：鲁叫( 纠= 纠- ：鲁卜争一d 詈l + r d 3 区d 4 区 - ：鲁r s i n 州一吲- ：鲁叫( 孚+ 一) 一一d 割 一z 鲁叫( 驯廿d 刳- z 鲁叫州一9 和 - z 鲁叫( 和) 廿d 铲 讲上dn 缸l争t 一d j 其中：i 表示大矢量，m 表示中矢量，h 表示小矢量，z 表示零矢量，n 表示扇区 号艨示溅定义州( 孚) a 愠嚣：艺5 3 3 3 三电平逆变器中点电位控制的研究 二极管中点箝位式三电平逆变器是通过一对中点箝位二极管分别与上、下桥 臂串联的二极管相连，每个开关管所承受的电压等于直流侧一个直流电容上的电 压，用两个电容串联来产生三个电平显然，只有在电容电压保持平衡时，每个 开关管承受的电压为直流电压的一半，才能保证系统可靠运行。如果电容电压不 平衡，不但在交流输出 区各工作模式下开 关矢量的作用时间n ，1 。统一计算公 的作用謦錾型j l 霾一摹一萋垂羹l 霹囊 ；星一嚣一薹薹l 裔；琶i 耄一雾i 是! 萋： l i 占一蠡雪蠹j p g 攀妻囊| 一薹 山东大学硕士学位论文 建立三电平逆变器的等效电路图，如图3 8 所示。三电平逆变器中点电压与流入 中点的电流密切相关，其关系可以推导得出6 ，3 s 翔l 。 + 2 f 1：1 只 z 4 一 1 1 r ： 一c 1 t 盱 。0 2 品k 一一一 - - j + d l 一r 如 。0 ：= 2 i。& 上 l 2 l f 。 e d 图3 8 三电平逆变器等效电路图 如图。8 所示可得：。c 兰学，乞c ：竺害。3 一m ， c ，- c ：一c 。，。一f l 一如一2 c 。等 ( 3 2 5 ) 即 a 一鲁- - 2 冬 c 3 1 6 ， 从式( 3 2 6 ) 中可以看出，电容中点电位波动是由中点电流。和直 流滤波电容c ：的大小所决定的。因为滤波电容的大小是固定不变的，所以，为 了抑制电容中点电位的波动，就必须分析中点电流是由什么因素影响。 定义中点电流。及逆变器三相输出电流，t 的正方向如图3 8 所示，对开 关状态进行分析可以发现，不同的开关状态对中点电流的影响也是不相同的。例 如小电压矢量v 1 所对应的一个开关状态( 2 1 1 ) 作用时，b 相和c 相直接与中点相连， 此时中点电流拓一+ t ，而对于三相无中线负载而言，+ + 之= o ，所以此时 的中点电流ot t ；又如小矢量v 5 所对应的一个开关状态( 0 0 1 ) 作用时，只有c 相直接与中点相连，所以此时的中点电流。一t 。对于其他的开关状态，可以用 同样的方法进行分析，结果如表3 6 所示。 表3 6各开关状态对中点电流。的影响 山东大学硕士学位论文 的时候，只需要分析小矢量和中矢量所对应的开关状态。 3 3 3 3平衡中点电位的控制方法 中点电位问题的出现引起了广泛学者的注意，纷纷发表自己针对这一问题的 看法和解决方案，文献删提到抑止中点电位平衡有硬件法和软件法，该文献采 用硬件法，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，但是该方法使得电路复杂，并且影响动态性能：也有文献1 1 】提出引 进零序电压来分析中点电位不平衡现象及解决方法，但是算法复杂，且操作性差。 目前空间电压矢量中平衡中点电位的控制方法主要有3 种方法i 驯： 乱直流侧电压检测，然后合理安排小矢量p w m 脉冲的作用时间进行中点电 位补偿，其基本思想：零矢量和大矢量由于中点不参与能量的传送，因此它对中 点电位没有影响。而小矢量和中矢量由于中点处都会有电流流过，也即有能量的 流动，因此它会带来中点电位的不平衡。其中小矢量中，由于有两种开关状态， 而且这两种开关状态对中点电位的影响刚好相反。因此只要合理地安排小矢量的 p w m 脉冲，可以很好的平衡中点电压。例如，在某小三角形区域内，o + ，f l ， 引入一个控制因子，( 一1 s ，s 1 ) ，t l p 一 ( 1 一，) 2 ，- ( 1 + ，) 2 ，改变，的值， 就可以调节中点电位的平衡：。一：时，取，- o ；，：时，取，t 0 ； t ：时，取厂，0 。 b 直流侧电容电压检测和直流侧中点电流方向检测相结合进行补偿的方式。 具体见文献“，这种方法由于增加了中点电流方向检测，因此可实现能量双向 流动的中点电位调整，而且不受功率因数影响。 c 直流侧电容电压大小的检测和三相交流输出电流检测相结合进行补偿的 方式。理论上这种方法更好，因为它计算出了具体的补偿时间。由于这种方法采 样的数据比较多，计算量比较大，对软硬件的要求也就都比较高。 通过上述分析，本文采用一种将方法a 和方法b 相结合平衡中点电位的控 制方法：对中点电位h 。一，一屹：和中点电流。进行采样后，引入控制因子 p ，合理分配一个采样周期内正、负小矢量对的作用时间，控制中点电位电压的 山东大学硕士学位论文 平衡。具体的控制方法为：在每个控制周期开始对中点电压和中点电流进行采样， 当中点电位大于o 时，若中点电流大于0 ，则应使负小矢量作用时问多一些，反 之，则应使正小矢量作用时间多一些；当中点电位小于0 时，若中点电流大于o ， 则应使正小矢量作用时间多一些，反之，则应使负小矢量作用时间多一些。假设 受控小矢量的作用时间为互，则序列开始的负矢量作用时间为p 互，正小矢量 的作用时问为( 1 一p ) ，其中p ( 0 2 5tp t 0 7 5 ) 。具体的控制规律是： 当一0 时：p 取0 5 ； 当 o 且o o 时，则p 0 5 ，否则p 砷5 ； 。当心o 且o 0 时，则p o 5 3 3 4 空间电压矢量过调制策略的研究i “卅 只要参考电压矢量v i 缸的端点轨迹位于六边形的内切圆内，则都可以按照 上述方法利用逆变器的输出矢量合成，其输出电压就为正弦波形，此时，能达到 线性最大调制。如图3 9 所示，如果参考电压矢量v r c f 的端点轨迹位于六边形 的内切圆和外接圆之间时，超出边界部分的参考电压矢量已经无法由基本电压矢 量进行合成，输出开始发生畸变并衰减，s ，w m 将出现过调制 b c 图3 9 三电平逆变器s ，w m 过调制策略 2 0 世纪9 0 年代以前，几乎所有对p w m 策略的研究都局限在线性调制范围内。 然而，随着人们对电机输出转矩或逆变器低压适用性要求的提高，从2 0 世纪9 0 年代初开始，越来越多的学者开始 山东大学硕士学位论文 研究。在不增加任何硬件的情况下，有效的p w m 过调制策略可以用非线性过调 制区将线性调制区和系统最大可能输出( 六阶梯波) 进行平滑衔接，并通过过调制 区的模型，将调制系数( 加与系统实际输出之间的关系进行单位增益线性化系 统的调制范围能够由线性调制区的最大范围( s p w m ：0 7 8 5 ；s v p w m ：0 9 0 7 渺展到0 1 0 0 ，电压输出至少提高9 3 ，可以满足多数高转矩输出或较 低电压场合的需求。虽然获得这一收益是以引入不可避免的高次谐波为代价的， 但是对于很多实际的应用，这一代价还是值得的。 在各种过调制策略中，基于开环的无载波s v p w m 过调制技术以j o a c h i m h o l t z 提出的双模式过调制和s b 0 l o 印缸i 提出的单模式过调制为典型代表。其中 前者将过调制区( o 9 0 7 s j ! i fs 1 o ) 分成两部分：0 9 0 7 肼s 0 9 5 2 ( m o d ci ) 和 0 9 5 2 s 掰1 o ( m o d c l i ) 。在m o d c l 中，不修改参考电压矢量角q ，而仅根据离 线得到的口与调制度m 的非线性关系对参考电压矢量的幄值进行修改：在m o d c 中，根据离线得到的保持角吒与调制度m 的非线性关系对参考电压矢量的幅值 和相位均进行修改。后者根据离线得到的修改后的参考电压矢量的幅值与m 的非 线性关系，同时修改参考电压矢量的幅值和相位，用一种控制模式即可以实现从 线性区到最大调制的平滑过渡。前者有较低的谐波畸变率，但有相对复杂 的控制算法并查表所需的较大的内存空间；而后者虽然t h d 较大，但有简单的控 制算法，以及用近似分段线性计算代替了查表，节省了内存空间。值得一提的是， 单模式控制方法中，由于近似的线性计算，造成了最大0 5 的输出误差。 虽然经过了十几年的发展，对过调制技术的研究并没有达到饱和的状态，近 年来仍然有新的过调制策略被提出。 3 4三电平逆变系统的仿真分析 3 4 1 卧t l 加及其s i - u l i 帐工具箱 美国m a t h w o r k 公司于1 9 6 7 年推出了矩阵实验室“m a t 血l a b o m t o r y ”( 缩 写为m a t l a b ) 这就是m a t l a b 最早的雏形，它早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、 向量的各种运算。由于它提供了强大的矩阵处理和绘图功能，很多专家在各领域 编写了专门的m a l l a b 工具包，如控制系统工具包( c o n t f o ls y s t e m st o o i b o x ) 、系 柏 山东大学硕士学位论文 统辨识工具包( s y s t c mi d e m m c a t i n d o i b o x ) 、信号处理工具包( s i 印a l 哗c s s i n g t l b o x ) 。随着功能的不断扩展，m a l r i a b 已不仅仅局限于现代控制系统分析及 综合应用，现在的电气系统也能通过它进行建模仿真。 s i m u u n k 作为m a l r i a b 一个仿真软件包使得m a n a b 的功能进一步扩 展，实现了可视化建模和多种环境间的文件共享与数据交换。s i m u u n k 允许用 户根据个人需要建立自己的仿真模块，把理论研究和工程实现有机地结合在一 起，这大大拓宽了软件应用，也为用户进行电气系统的仿真提供了极大的便利。 另外s 珊【u u n k 中的“电气系统模块工具箱”( p o w 盯s y 咖mb l o c k s e o ，涵盖了电 路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件模型，方便了 用户应用。用户也可以通过s i m u u n k 内的函数模块对各模型或信号进行处理 3 4 2 仿真模型及仿真结果 在m 棚a b ，s i m u l i n l 【环境下，系统的仿真模型如图3 1 0 ( a ) 所示。仿真参 数设置如下：直流母线电压为4 伽l v ，直流侧电容的电容值为4 7 u f ，载波频率 3 k h z ，负载为s i m u l i n l 【自带的三相r l c 并联负载。 图3 1 0 ( a ) 三电平逆变系统仿真模型图 4 l 山东大学硕士学位论文 图3 1 0 ( b )s v p w m 调制输出p w m 波形原理图 图3 1 1 为三电平逆变器采用s v p w m 控制方法时，输出相a 相的相电压波 形，图3 1 2 为参考电压矢量旋转过程中分别经过d 1 区，d 2 区，d 2 d 3 d 1 4 区， d 3 d 4 区时候的线电压仿真波形，图3 1 3 为参考电压矢量旋转过d 2 d 3 d 4 模式 时有无加中点电位平衡时线电压u a b 和中点电位电压波形的比较。 图3 1 1a 相相电压波形 盘糯。 山东大学硕士学位论文 h vvvvvk 盘镭o；n nf ， i w删 oo 。m o t ( ) “ “ 曲专电匠位千吡伟臣鼍时撬电压涟弗 图3 1 2 参考电压位于四个工作区域时的线电压波形 砷无中赢电位平品穗毫压竣弗伽中点电位幸卜0 嚣境电压皱弗 l 曩 f yy l fyy 州 1 ) 无中点电 山东大学硕士学位论文 第四章三电平逆变器的设计 三电平逆变器的s v p w m 算法中使用了大量的运算，通过数字化实现是比较 合适的。在模拟控制系统中，要大量使用运算放大器，其性能受温度变化和电压 精度的影响；而数字控制系统中，一切均通过软件运算，故控制精度高，且硬件 系统也得到了很大的简化。s ，w m 算法数字实现的关键是微处理器的选取及软 件的编制。本章根据三电平逆变器的具体设计要求进行了系统硬件结构的总体设 计，选取了1 r i 公司的1 m s 3 2 0 if 2 4 0 7 d s p 作为微处理器，编制了控制系统的开环 控制软件。 4 1 逆变器控制系统的硬件总体结构 三电平逆交器实验平台的系统构成如图4 1 所示，整个系统由逆变器主电路、 检测电路、基于d s p 的控制电路和开关器件驱动电路构成。 图4 1 三电平逆变器系统框图 逆变器主电路是系统的核心，它主要实现电能的d c 鹏c 转换；检测电路主 要完成逆变器直流侧中点电位和中点电流的检测；基于d s p 的控制电路主要根 据检测结果，完成s v p w m 算法的实现，生成驱动开关器件的s v p w m 波形； 驱动电路则把d s p 输出的控制信号经过隔离和放大送至三电平逆变器主电路，实 现主电路和控制电路之间的信号连接，并且实现主电路和控制电路之间的电气隔 山东大学硕士学位论文 离。本章将针对逆变器硬件和控制电路软件进行设计。 4 2 逆变器的硬件设计 逆变主电路采用三相三电平二极管箝位式逆变桥，逆变结构如图4 1 所示： 输入电压为4 0 0 v ，输出电压2 0 0 v 巧0 h z ，功率管开关频率为3 l ( 1 k ，逆变器的设 计功率为5 k w 。 4 2 1 功率开关器件的选择 继半控型开关器件晶闸管s c r 出现以来，随着理论研究和工艺水平的不断提 高，在实际需要的推动下，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展， 先后出现了a r r 、g ，r 0 、功率m o s f e r 等自关断