（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的载波移相级联多电平变流器的研究.pdf

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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金筵王些太堂 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谢意。 学位论文作者签字：舫鹄签字日期：2 口ff 年4 月2 汨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些态堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金胆王些太 兰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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：布锛镌 导师签名青c 砰瓦 签字日期：2 0 t 1 年辱月2 矿日签字日期：2 0 i l 年件月2 8 ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 基于d s p 的载波移相级联多电平变流器的研究 摘要 为解决大功率电力电子器件的功率处理能力和开关频率之间的矛盾，在对 比研究几种多电平变流器拓扑的基础上，优选i g b t 作为h 桥级联多电平拓扑的 开关器件设计大功率变流器。基于d s p 设计的级联多电平变流器不依靠增加变 流器开关器件的开关频率来减少谐波，而是运用载波移相( c p s p w m ) 调制技 术，通过增加变流器输出直流电平数的方法来逼近指令信号波形，从而成倍地 提高变流器的等效开关频率，减少p w m 谐波，改善输出波形。 c p s p w m 技术在工程应用中，随着输出电平数的增加，需要众多计数器协 同工作以输出多路p w m 控制信号，其硬件生成比较困难。本文研究了c p s p w m 调制技术应用于级联h 桥多电平变流器拓扑结构的算法，提出了一种基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p s p w m 调制策略，通过事件管理器硬件实现与c p u 软件 实现相结合，在d s p 的各个g p i o 复用管脚直接输出多路c p s p w m 波形。 进行了数字p i 调节的电流跟踪闭环控制实验，在i g b t 功率器件较低开关 频率的情况下，实验装置获得了较高的等效开关频率，取得了良好的电流跟随 和谐波抑制效果。 在研究灰色系统理论的基础上，建立了多电平变流器的非线性行为模型， 在线对多电平变流器的输出测量值建立新陈代谢灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，得到输出 值的灰色滤波值及单步预测值，通过与指令信号测量值综合形成基于灰色 g m ( 1 ，1 ) 模型的p i d 预测控制算法，并在单相多电平变流器上实验验证了该算 法。仿真和实验表明，基于灰色模型的多电平变流器的预测控制算法，算法容 易实现，动态性能好，控制系统具有较强的鲁棒性，控制品质得到明显的提高。 关键词t 载波移相；多电平；d s p t 预测控制 s t u d yo fh b r i d g e sc a s c a d e di n v e r t e rw i t hc a r r i e r p h a s e s h i f tp w mb a s e do nd s p a b s t r a c t t om e e tr e q u i r e m e n to fh i g hv o l t a g ea n df a s tr e s p o n s ei nl a r g ec a p a c i t yi n v e r t e r , t h e s c h e m eo fh - b r i d g e sc a s c a d e di n v e r t e rw i t hi g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) i s p r e s e n t e db a s e do nt h es t u d yo fs e v e r a lm u l t i - l e v e lc o n v e r t e rt o p o l o g y t h et e c h n i q u eo f c a r r i e rp h a s e s h i f tp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) b a s e do nd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) i sa p p l i e dt od e c r e a s es w i t c h i n gl o s so f i g b t , r a i s ee q u a ls w i t c h i n gf r e q u e n c yo fc o n v e r t e r a n di m p r o v ep e r f o r m a n c eo fo u t p u tw a v e i nt h ei m p l e m e n t a t i o no fc a r r i e rp h a s e - s h i f tp w mm o d u l a t i o nf o rc a s e a d e dm u l t i 1 e v e l i n v e r t e x , t h ek e yi st oh o wg e n e r a t er e a l - t i m ep h a s e - s h i f tp w m s i g n a l s ap w mp u l s eg e n - e r a t o rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812i sp r e s e n t e d t h ee v e n tm a n a g e rh a r d w a r eg e n e r a t i o na n d c p us o f t w a r eg e n e r a t i o na r ec o m b i n e dt og e n e r a t em u l t i - c h a n n e lp h a s e s h i f tp w m s i g n a l s i nt h ea s s o c i a t e dg p i o p i n si nd s e l o o pc o n t r o le x p e r i m e n t so ft h ed i g i t a lp ia l g o r i t h mf o rc u r r e n tt r a c k i n ga r ec a r = t i e do n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a ti th a so b t a i n e dh i g he q u i v a l e n ts w i t c hf r e q u e n c yw i t ht h ei g b ts w i t c h i n gi nl o wf r e q u e n c y , g e t sg o o dc u r r e n tr e s p o n s ea b i l i t y a n dt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o ne f f e c t an e wn o n l i n e a rb e h a v i o r a lm o d e lo ft h el o o pc o n t r o l l e dm u l t i l e v e li n v e r t e r si s p r o p o s e d ag r e ym o d e lg m ( 1 ，1 ) b a s e do nm e t h o do ft h eg r e ys y s t e mi su s e dt oc a r r yo n l i n e m e t a b o l i cg r e yf i l t e r i n ga n do n e - s t e pp r e d i c t i o no fm u l t i l e v e li n v e r t e r so u t p u ts i g n a j a n e wp i d p r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mi sp r e s e n t e db yi n t e g r a t i n gi n p u ts i g n a la n dr e f e r e n c e v a l u ef r o mg r e ym o d e lg m ( 1 ，1 ) s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 也en o w p i dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mi se a s yt oc a r r y , h a sc h a r a c t e r i s t i c so fg o o dr o b u s t n e s s ， w h i c hc a nr a i s ec o n t r o lq u a l i t yo fs y s t e m k e y w o r d s ：c a r r i e rp h a s e s h i f t ；m u l t i - i e v e l ；d s p ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ； 致谢 本文是在导师黄海宏副教授的悉心指导下完成的，在两年多的研究生学习和课题 研究期间，自始至终都得到了导师亲切的关怀和悉心的指导。导师渊博深厚的学识， 严谨求是的治学态度，虚怀若谷的博大胸襟使学生受益匪浅。在课题研究过程中，从 理论分析、系统仿真、电路设计、软件设计直至论文的写作，导师都给了我极大的帮 助。值此论文完成之际，向导师表示深深的敬意与感谢! 感谢研0 8 级1 1 班的所有研究生同学，我们共同渡过了紧张而难忘的研究生生活。 特别感谢同窗好友贺军、李新杰、刘震、陈武、胡祖伟，我们经常一起探讨专业知识， 彼此互相启发，互相促进，受益非浅。 本文的完成也得益于实验室同学的支持与帮助，他们是：黄书强、朱晶晶、陈伟、 刘阳、张君、陈洋、徐凡等师弟妹及吴义敏、邓小燕、朱元付、王丽娟等同学。共同 的实验室生活中，我们结下了深厚的友谊。 感谢电气学院所有给我授课和给予指导的老师，特别感谢d s p 实验室王海欣老师 给予的d s p 专业指导。 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 最后应感谢家人及亲友的关爱和帮助，特别是妻子、儿子的大力支持，使我能够 顺利完成研究生学业。 v 作者：杨仁增 2 0 1 1 年4 月日 目录 第1 章绪论。l 1 1多电平变流器研究概述1 1 1 1二极管钳位型多电平变流器2 1 1 2飞跨电容钳位型多电平变流器：。3 1 1 3级联h 桥型多电平变流器3 1 2e a s t 快控电源研究概述5 1 3本文的主要研究内容与研究成果。5 1 4 本章小结6 第2 章级联多电平变流器的调制技术。7 2 1 级联多电平变流器的结构分析7 2 1 1单相半桥变流器基本单元7 2 1 2功率变换单元8 2 2级联多电平变流器的调制方法，。1 0 2 2 1 载波调制方法：1 0 2 2 2载波层叠法1 l 2 2 3载波相移法1 3 2 2 4空间电压矢量法1 5 2 2 5载波调制法与空间电压矢量法的联系1 6 2 3载波移相调制技术的数学分析1 7 2 3 1功率单元输出电压的数学分析1 7 2 3 2级联多电平变流器输出电压的数学分析2 l 2 4本章小结2 2 第3 章多组级联多电平变流器的串联与并联2 3 3 1级联多电平变流器的串联2 3 3 2级联多电平变流器的并联2 4 3 2 1变流器载波移相分立调制的并联方式2 5 3 2 2 变流器载波移相综合调制的并联方式2 7 3 2 3变流器并联的环流仿真2 8 3 3本章小结3 0 第4 章c p s p w m 调制技术的d s p 实现。3 l 4 1数字信号处理器简介3 1 4 2p w m 调制的数字算法3 2 4 2 1自然采样法3 2 4 2 2规则采样法3 3 4 2 3不对称规则采样法3 4 4 3基于d s p 的c p s p w m 算法实现3 5 4 3 1三相三电平变流器的c p s p w m 实现3 6 4 3 2单相五电平变流器的c p s p w m 实现3 6 4 3 3单相七电平变流器的c p s p w m 实现。3 8 4 3 4 三相五电平变流器的c p s p w m 实现4 0 4 4 闭环调节算法4 0 4 4 1多电平变流器的闭环调节方法4 0 4 4 2p i 调节器的数字算法4 2 4 5基于灰色模型的预测控制算法4 3 4 5 1多电平变流器的行为模型4 4 4 5 2灰色系统建模4 5 4 5 3基于灰色模型的p i d 预测控制4 6 4 6本章小结一4 9 第5 章实验装置与实验结果5 0 5 1实验装置的硬件电路设计5 0 5 1 1功率i g b t 开关管的选择。5 0 5 1 2i g b t 开关管的驱动电路5 l 5 1 3电流电压采样电路5 2 5 1 4过流过载保护电路。5 4 5 1 5 d s p 2 8 1 2 的外围电路5 4 5 1 6 硬件电路中的电磁干扰抑制5 6 5 1 7 实验装置的p c b 印制板与实物5 7 5 2 实验装置的软件设计。5 8 5 2 1控制软件主结构5 8 5 2 2e v a b 及a d c 模块初始化5 9 5 2 3p w m 计算子程序6 0 5 2 4定时器中断服务子程序6 0 5 2 5a d c 程序6 1 5 2 6软件设计中的注意事项6 2 5 3实验结果6 2 5 3 1开环控制实验6 2 5 3 2p i 调节控制实验6 3 5 3 3基于灰色模型的预测控制实验6 4 5 3 4实验结果分析一6 4 5 4本章小结6 5 第6 章全文总结与展望一6 6 6 1全文总结6 6 6 2今后的工作6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的论文7 1 特别声明7 2 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 - 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 插图清单 二极管钳位型多电平拓扑结构2 飞跨电容钳位型多电平拓扑结构3 级联h 桥型多电平拓扑结构4 单相半桥变换器基本单元7 单相半桥变换器基本单元的并联7 单相半桥变换器基本单元的串联8 单元的级联h 桥多电平变流器9 三电平h 桥功率单元的四种工作状态9 单极性p w m 调制方式1 1 双极性p w m 调制方式1 1 载波同相层叠法1 2 载波正负反相层叠法1 2 载波交替反相层叠法1 3 h 桥单元双极性载波移相调制1 4 三相三桥臂变流器1 5 二维空间矢量图1 6 直流侧带电容中性点功率单元。1 7 左桥臂调制波形。：1 8 h 桥单元输出电压仿真波形2 0 h 桥单元输出电压谐波分布2 0 3 单元h 桥级联输出电压仿真波形2 2 3 单元级联输出电压谐波分布2 2 p 个h 桥级联变流器的串联2 3 p 个h 桥级联变流器的并联一2 5 变流器并联等效电路j 。2 6 p 支路单元级联变流器并联电路结构2 7 2 支路4 单元级联h 桥变流器并联电路仿真电路2 9 变流器并联支路间载波移相分立调制仿真波形2 9 变流器并联支路间载波移相综合调制仿真波形2 9 变流器并联支路间环流仿真波形3 0 自然采样法生成s p w m 3 3 规则采样法生成s p w m 一3 4 不对称规则采样法生成s p w m 3 4 f 2 8 1 2 生成p w m 功能框图3 5 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 三相三电平h 桥变流器结构3 6 单相五电平h 桥交流器结构3 7 软件生成p w m 程序流程图3 9 软件生成p w m 实验信号波形3 9 多电平变流器带负载等效控制框图。4 2 单相级联多电平变流器控制结构图。4 4 多电平变流器的非线性动态行为模型4 5 基于灰色模型的p i d 预测控制框图4 7 单相全桥三电平变流器输出电流仿真波形4 8 两种p i d 控制方式的阶跃响应对比4 9 单相级联多电平实验装置系统框图5 0 i g b t 模块2 m b l 5 0 l 1 2 0 电路结构图5 1 e x b 8 4 1 结构图。5 1 i g b t 驱动电路5 2 电流采样电路5 3 电压采样电路5 3 过流过载保护电路5 4 供电电源模块5 5 时钟振荡电路5 5 外部存储器电路5 6 j t a g 接口电路5 6 2 8 1 2 最小系统p c b 印制板5 7 采样及控制p c b 印制板5 7 实验装置总装实物图。5 8 主程序流程图。5 9 e v a b 及a d c 模块初始化6 0 定时器中断服务子程序流程图6 1 a d c 程序流程图6 1 开环控制输出电压波形6 3 开环控制负载电阻电压波形6 3 p i 调节跟踪指令正弦波波形。6 3 p i 调节跟踪指令三角波波形6 3 p i 调节跟踪指令方波波形6 3 预测控制跟踪指令正弦波波形6 3 预测控制跟踪指令三角波波形6 4 预测控制跟踪指令方波波形6 4 表格清单 表2 1 单相半桥变流器基本单元并联单极性调制输出电压8 表2 2 单相半桥变流器单元并联双极性调制输出电压8 表2 3 功率单元内各器件开关状态与四种工作状态下的关系1 0 表2 - 4 两电平空间电压矢量1 6 x 第1 章绪论 电力电子技术经过多年的实践和发展，已从最初的电力功率变换渗透到所 有的电气工程应用领域，特别是随着新的电力电子半导体器件的问世，先进的 系统控制理论的出现以及性能不断提高的微处理器的广泛应用，使电力电子技 术得到了空前的发展。 随着国民经济的不断发展，大功率电力电子变流装置在高电压大容量无功 补偿和有源滤波器等电能系统质量治理装置、高速铁路机车等的大功率供电电 源、通讯基站等的大功率不间断电源中有着越来越广泛的应用，二十世纪八十 年代以来，大功率变流器成为在电气工程领域受到极大关注的热门课题，国内 外研究者们进行了大量研究和探索，提出了各种高压大功率变换的解决思路和 方法。近年来，国内外学者们力图通过对高压大功率变流器的电路拓扑和控制 策略两方面进行研究，以提高大功率电力电子变流装置容量，同时改善其工作 性能。使大功率变流器朝着大容量、高性能、冗余设计、提高可靠性等方面不 断发展。 多电平变流器作为高压大功率变流装置中一种具有代表性和较为理想的解 决方案，通过多电平的阶梯波输出以逼近指令电压，在得到高质量输出波形的 同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，具有无需输出变压器和动态均压电路， 功率器件开关频率低、电应力小，系统响应速度快、系统效率高、电磁兼容性 好等一系列优点【l 】。 1 1多电平交流器研究概述 对于大功率变流器，人们往往希望其中的电力电子功率变换器件能够工作 在尽可能高的开关频率下，以便发挥p w m 调制技术的优点，易于实现谐波抑制， 进而提高输出波形的质量，但目前的制造工艺条件下，大功率电力电子开关器 件的正常工作开关频率较低，难以将高频率的p w m 控制技术应用于传统大功率 变流器以达到改善其性能的目的。为了提高电力电子功率变换装置处理较大功 率的能力，学者们在大功率变流器的电路拓扑及控制策略两方面分别进行研究， 努力探索在提高电力电子功率变换装置容量的同时改善其工作性能，提高大功 率变流器系统的性价比。 近年来，多电平变流器在高压大功率电能变换领域受到了人们的普遍关注。 多电平技术的思想起始于三电平，由日本学者a n a b a e 等人于1 9 8 1 年首次提出， 其基本思想是把多个功率开关器件组成的功率变换单元，按一定的拓扑结构连 接成组合电路，然后使用适当的控制方法将多个电平台阶合成阶梯波电压输出， 随着电平数的增加，使变流器输出波形更逼近给定的正弦波，谐波含量也更少。 多电平变流器提出至今，其拓扑研究越来越丰富，出现了许多电路结构， 归纳起来主要有三大类：二极管钳位型多电平变流器、飞跨电容钳位型多电平 变流器和级联h 桥型多电平变流器。 1 1 1 二极管钳位型多电平变流器 二极管钳位型多电平变流器基本结构如图1 1 所示。 图1 - 1 二极管钳位型多电平拓扑结构 由图可见，一个输出m 电平的二极管钳位型的多电平变流器在直流母线上 包含有m 1 个电容相串联。若直流母线电压为e ，则每个电容上的电压为e m ， 每个功率开关管的电压通过钳位二极管限制在e m 内。 二极管钳位型拓扑结构无需结构复杂的输出变压器而直接实现高电压、大 功率，当电平数足够高时，输出电压谐波含量很低，装置中的功率开关器件工 作在基频，效率很高，可进行双边p w m 控制，实现能量双向流动。 这种结构解决了低压开关元件串联应用于高压场合的均压问题，却易导致 钳位二极管自身承受电压不均衡，当传递有功功率时，直流侧电容电压易出现 不平衡现象。 2 1 1 2飞跨电容钳位型多电平变流器 飞跨电容钳位型多电平变流器结构如图1 2 所示。由图可见，飞跨电容型 拓扑结构实现多电平数为m 时，每相需要( m 一1 ) ( 朋2 ) 2 个电容，再加上直流侧 的m 1 个均压电容，这种拓扑结构引入了大量电容。 飞跨电容钳位型结构具有可用多种开关组合来合成某一输出电压电平，使 直流侧电容电压保持均衡，可控制有功和无功功率流量，当电源断电时，大容 量电容器存储的能量可以作为备用电源提供额外控制的优点。但其功率变换电 路控制困难，有功功率流量转换的开关频率和开关损耗较高。 图1 2 飞跨电容钳位型多电平拓扑结构 1 1 3级联h 桥型多电平变流器 将任意电平的基本单元并联形成多个全桥单元，再将这些全桥单元串联，可得到 任意电平的级联型多电平变换器。级联h 桥型多电平变流器结构如图1 3 所示。 由图1 3 可见，级联h 桥型多电平变流器每相由个带分离直流电源的h 桥串联而成，输出电压由个h 桥变流单元的输出电压叠加而成，输出相电压 3 电平数m = n 2 + l ，线电压电平数2 * m 1 。级联h 桥型多电平结构避免了大量的 钳位二极管和钳位电容，在得到相同输出电平数的前提下，所需元件相对较少。 这种结构由于采用相互独立、电压相同的直流电源，不存在直流侧电压不 均衡问题，易于实现p w m 控制；其中的功率开关器件一般在较低频率下工作， 因此损耗小、效率高，易采用软开关技术；级联的各个功率基本单元结构相同， 便于模块化设计和制造，某个功率单元出现故障时，可被旁路掉，剩余功率单 元仍可降额运行，具有故障冗余性，提高整个变流器系统的可靠性。缺点为需 要多个独立的直流电源，且不易实现四象限运行。级联多电平拓扑结构因容易 实现多电平输出，一般在7 电平、9 电平甚至1 1 电平都有广泛应用【2 j 。 图1 - 3 级联h 桥型多电平拓扑结构 对比以上三种多电平变流器结构，可见：两种钳位型多电平变流器随着电 平数的增多，需要的钳位二极管或钳位电容数量大，器件呈指数上升，成本较 高，系统非常复杂，功率变换电路控制困难，作有功功率能量转换时功率器件 的开关频率和开关损耗较高，所以当输出电压超过五电平以后，两种钳位型多 电平的拓扑结构工程设计时一般不予考虑【2 j 。 级联多电平结构随着电平数的增多，其控制方法不需做大的改变，控制简 单可靠，即使是以较低的开关频率，也可以使输出电压谐波含量很少。这种结 构以功率单元串联而非功率器件直接串联，如果每个全桥单元使用不同的直流 电压，还能进一步增加输出电平数和提高波形质量，从而用少量的级联单元实 4 + 五 一 + 日 一 + 目 一 + 日 一 现尽可能多的电平【3 】，更容易获得高电压、大容量，因而可采用低压功率器件， 具有较大的实用性。 级联多电平变流器作为一种新型的高压大功率变流装置，在得到高质量输 出波形的同时，具有开关频率低，开关器件应力小，系统效率高等优点。在级 联多电平变流器的应用中，当电平数超过5 ，从简化控制算法的角度，三角载 波p w m 法是一种较好的选择【4 】。三角载波移相p w m ( c p s p w m ) 技术能以 较低的器件开关频率实现较高的等效开关频率，从而大幅度消除或抑制谐波。 1 2e a s t 快控电源研究概述1 5 1 国家“九- 五”大科学工程，超导托马克核聚变实验装置( e x p e r i m e n t a l a d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，简称e a s t ) 的快速控制电源是一种具有 电流源特性的大容量单相电压源型变流器，其作用是控制输出电流实时跟踪等 离子体漂移产生的位移信号，为真空室内部的快控线圈提供数千安的励磁电流， 形成磁场以维持等离子体在非圆截面时的动态平衡和准确位置，以抑制等离子 体在大拉长形下的快速漂移。 e a s t 快控电源虽为一种单相逆变电源，但与常规逆变电源差别较大：电源 的输出电流不是正弦波，其幅值和频率都具有较强的随机性，其负载电流必须 根据等离子体电流在垂直方向上偏离平衡位置的位移来快速变化，使等离子体 处于相对平衡的位置，其负载电流要求纹波尽量小。 e a s t 快控电源一期工程参数为输出最高电压士8 0 0 v ，最大电流为士5 0 0 0 a 。 随着e a s t 实验的不断发展，该参数已难以满足实验的最新要求。e a s t 快控电 源二期改造工程技术参数要求为士3 0 0 0 v 、士2 0 0 0 0 a ，由于该装置负载为电感量 为1 1 0 u h 的励磁线圈，电流变化率高达1 0 6 6 7 a m s 。 现有的电力电子器件的功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，功率越大 其开关频率越低，而低开关频率的p w m 控制又将产生大量谐波，使整个装置 的电磁兼容与抑制变得较为复杂。为了实现e a s t 快控电源的输出电压和电流 要求，要求从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案，高压大电流i g c t 器件难以满足其电流快速变化的要求，故以i g b t 为功率器件的h 桥级联是解 决低压器件应用于这种高压场合的有效方法。 1 3本文的主要研究内容与研究成果 e a s t 快控电源二期工程要求能够输出数千伏高压和数万安培电流，并具有 快速的电流跟踪响应能力，本文课题选择在分析国内外相关文献的基础上，研 究适合e a s t 快控电源的多电平变流器结构及其控制策略。 本文的主要工作，为解决大功率电力电子器件的功率处理能力和开关频率 之间的矛盾，在研究级联多电平变流器拓扑和计算机仿真的基础上，采用多组 s h 桥变流器级联后再并联的电路拓扑，不依靠增加变流器开关器件的开关频率 来减少谐波，而是运用c p s p w m 调制技术，通过增加变流器输出直流阶梯电平 数的方法来逼近指令信号波形，从而成倍地提高系统的等效开关频率，降低 p w m 谐波，改善输出波形。级联多电平变流器的模块化设计，使系统具有故障 冗余特性，提高了整个装置系统的可靠性。 c p s p w m 调制技术在实际工程应用中，随着输出电平数的增加，需要众多 计数器协同工作以输出多路p w m 控制信号，其硬件不易实现。目前通用的方法 用d s p + f p g a 或d s p + c p l d 产生多路c p s p w m 波形【o 嗡j 。f p g a ( 或c p l d ) 和 d s p 通过通讯中断来配合工作，二者通讯时钟不易同步，d s p 传输给f p g a ( c p l d ) 的数据容易丢失，不易统一各路c p s p w m 的时序。 本文深入研究了级联h 桥多电平变流器的c p s p w m 调制技术，基于3 2 位高性能数字信号处理芯片d s p 的硬件电路，设计了一种基于t i 公司d s p 芯 片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p s p w m 脉冲发生器，通过事件管理器硬件生成与c p u 软件生成相结合，在d s p 的各个g p i o 复用管脚输出多路c p s p w m 波形。 本文完成了一套单相h 桥级联多电平电平变流器实验装置，采用p i 调节 法进行了电流跟踪闭环控制实验，在功率器件较低开关频率的情况下，整套实 验装置获得了较高的等效开关频率，取得了良好的电流跟随和谐波抑制效果。 为进一步提高交流器电流输出响应的快速性、准确性和提高控制系统的鲁棒性， 本文在研究灰色系统理论的基础上，提出了一种基于灰色模型的多电平变流器 的预测控制算法，并在实验装置上验证算法的可行性、有效性。 1 4 本章小结 本章首先对大功率多电平变流器电路拓扑的研究现状进行了简单介绍，对三种主 要的多电平变流器拓扑进行了对比分析，级联h 桥变流器具有拓扑结构简单的优点， 工程应用广泛。对e a s t 快控电源二期改造工程拟解决的关键逆变电源技术问题进行 了说明，采用多组级联h 桥变流器串联后再并联的电路拓扑，设计满足e a s t 快控电 源二期改造工程所要求技术指标的大功率变流装置，最后介绍了全文的研究内容和主 要的研究成果。 6 第2 章级联多电平变流器的调制技术 在输出电平数相同的前提下，级联h 桥型多电平变流器结构避免了大量的 钳位二极管和钳位电容，所需元件相对较少。这种拓扑结构由于采用相互独立、 电压幅值相同的直流电源，不存在直流侧电压不均衡的问题，易于实现p w m 控制；级联的各个基本功率单元结构完全相同，便于模块化设计和制造，具有 故障冗余性，整个变流器系统的可靠性较高f 9 1 。 载波移相p w m 技术能在较低的电力电子器件开关频率下实现较高等效开 关频率的效果，在提高装置功率容量的同时，有效地减小谐波输出，是一种适 用于大功率多电平变流器的优选调制方法。 2 1 级联多电平交流器的结构分析 2 1 1单相半桥变流器基本单元 根据电路原理，变流器实现多电平输出，要求在直流侧提供基本的直流电 平，由有源和无源开关器件组成的基本功率变换单元，将基本直流电平合成以 实现多电平阶梯波输出。基本功率变换单元必须是可控的，必须是无源器件与 有源器件成对出现且导通方向相反，以保证能量流动的连续性和双向性3 1 。 f s l 2sc o 一门 玩 o= 一。 l s 2 2 - li i 图2 - 1 单相半桥变换器基本单元 根据开关都与电压源串联，结点都连在电流源上的电路连接原则，可得到 多电平变流器的基本单元如图2 1 所示，图示结构虚拟了零点电位，是一个没 有电容中性点输出的单相半桥开关变换器拓扑，只能输出两电平。 f 一 一 s l 21 d l k s 3 2、i l i m - c u o l 一， id 2 s 4 2 一 1 飞s 2 2 、i i 图2 2 单相半桥变换器基本单元的并联 7 图2 - 3 单相半桥变换器基本单元的串联 把图2 1 所示的基本单元通过串联和并联两种方式进行叠加，分别得到如 图2 2 、2 3 所示两种基本组合拓扑结构。 从图2 2 可知，两个单相半桥基本单元并联，便构成了一个单相全桥( h 桥) 变流器电路。对h 桥变流器进行p w m 调制，当采用单极性调制时为三电 平输出，各管导通状态及h 桥对应输出电压如表2 1 所示，如采用双极性调制 则为两电平输出，各管导通状态及h 桥对应输出电压如表2 2 所示。 表2 - 1 单相半桥变流器基本单元并联单极性调制输出电压 s l s 2 s 3s 4 u 0 1【 0 2砜( u o l - u 0 2 ) 导通关断 关断 导通 e 1易e 1 - 易 导通关断导通关断 e 1e l 0 关断导通关断导通 e 2e 2 o 关断 导通 导通关断 e 2e l e 2 - 占l 表2 2 单相半桥变流器单元并联双极性调制输出电压 s 1s 2s 3s 4u 0 1u 0 2乩( 仉l 一玩2 ) 导通关断关断导通 e 1易e l - 局 关断导通导通关断 e 2e t e 2 - e 1 2 1 2 功率变换单元 采用叠加法的思想，通过一定数量的半桥基本单元的串、并联叠加，便可 获得任意电平输出的多电平变流器拓扑结构。采用不同结构的基本单元叠加， 就可以获得二极管钳位型多电平变流器拓扑、飞跨电容钳位型多电平变流器拓 扑和级联h 桥型多电平变流器拓扑【2 3 】。 将图2 2 所示的单相h 桥变流器，作为功率变换单元进行级联叠加，便扩 展得到单相级联h 桥多电平变流器，个单相三电平h 桥单元进行级联如图 2 4 所示，变流电路输出相电压电平数m = 2 n + l 。级联叠加时，为保证在任意输 8 出电压电平下整个多电平变流器能顺利工作，各个功率变换单元必须能够工作 在正向导通，反向导通和正反向旁路工作状态1 们。h 桥基本功率单元的四种工 作状态如图2 5 所示。 图2 _ 4 单元的级联h 桥多电平变流器 b ) c ) d ) 图2 5 三电平h 桥功率单元的四种工作状态 a ) 正向导通b ) 反向导通c ) 正向旁路d ) 反向旁路 9 为了防止直流电源短路，h 桥单元同一桥臂的上下两个开关管不能同时导 通，因而开关管的驱动信号中，s n l 和s n 2 的驱动信号反相，s n 3 和s n 4 的驱动信 号反相，开关管的有效组合为四种，再加上与开关管并联的续流二级管的有效 组合，因此一个基本功率单元有八种开关状态，这八种开关状态与功率单元四 种工作状态的关系见表2 3 。 由图2 5 及表2 3 可见，每次一个开关管和一个续流二极管导通时( 1 t 1 d 模式) ，功率单元直流侧和交流侧不发生能量传递；对角的两个开关管导通时 ( 2 t 模式) ，功率电流通过将能量由直流侧传到交流侧，功率单元实现有功功 率输出；对角的两个续流二极管导通时( 2 d 模式) ，反馈电流可将交流侧无功 能量向直流侧反馈，功率单元实现无功功率反馈【l 们。 表2 3 功率单元内各器件开关状态与四种工作状态下的关系 开关状态 工作状态 s n ls n 2s n 3s n 4d n ld n 2d n 3d n 4 1oo1o00o 正向导通 o0o 0 l001 o110o000 反向导通