（电力电子与电力传动专业论文）多电平逆变电路的空间矢量pwm控制方法研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多电平逆变电路的空问矢量p w m 控 制方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期l 自j ，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名更锸日期：讪0 5 一5 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：壁丝导师签名： 7 0 0 5 ，s 丛 曰期：0f d 。7 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题意义与背景 第一章引言 多电平逆变器适用于高压、大功率电力电子装置和设备中，是当前研究的热点。 其基本思想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，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以输出逼近萨弦的交流 电压1 1 1 。多电平逆变器在大功率有源电力滤波、无功补偿等电能质量综合治理领域 以及高电压电动机驱动等场合获得了广泛的应用 2 j 。 有源电力滤波技术和无功补偿技术对于电力系统改善供电质量，保证可靠性有 着重要的意义。电力系统要求有源滤波和无功补偿装置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。为实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿，需要丌 关器件工作在较高的频率下，而大功率电力电子器件( 如g t o 等) 的丌关频率较 低，且高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低了系统效率，难以满足现代电网 的需要j 。 多电平逆变器应用于有源电力滤波装置，在较低的器件丌关频率下，就可增大 系统的等效丌关频率使整个逆变器的传输带宽大大提高。多电平逆变器应用于静 止无功补偿装置可以对无功功率进行动态补偿，抑制电压波动和| = j 、j 变，提高系统功 率因数，降低设备容量，减小功率损耗：减少对电网的谐波污染；稳定电网电压， 提高供电质量，改善输电系统的稳定性，提高输电能力 4 1 。 多电平逆变器的最主要的应用场合是高压变频调速系统。根据全国第三次工业 普查公布的统计资料，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 【5 | “。大部分风机和水泵的高压驱动电机都为恒压恒 频控制，如采用变频方式控制高压电机可节约至少2 0 的电能。节能是当前我国由 高能耗型的经济增长方式向低能耗型增长方式转变，不断提高经济发展质量的重要 途径之一。将多电平逆变技术应用于高压大功率风机和水泵的变频调速具有现实的 节能意义。 传统的晶闸管交交变频调速和降压一普通变频一升压的晶闸管变频装置不但 结构复杂，而且大多采用s c r 和g t o 作为丌关元件，由于丌关频率只有几百h z ， 引起电机电流、转矩脉动，动态性能差等问题【7 1 。与降压一普通变频一升压的变频 装置相比较，采用多电平逆变技术的变频装置可以省去输出变压器，直接输出高电 压，系统结构更简洁、效率增加 8 】。此外，此类系统网侧谐波较大，对电网污染严 1 华北电力人学硕十学位论文 重，需要附加电网滤波装置，使系统成本增加。多电平逆变器采用多级直流电压合 成阶梯波以逼近f 弦波，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 。多电平逆变器因其谐波含量小、效率高、 输出电压高、功率大，已经成为高压变频调速领域的新宠。 1 2 研究现状 多电平逆变器的拓扑结构包括二极管嵌位式、电容嵌位式、级联式，针对多电 平逆变器拓扑结构的研究已经趋于成熟。多电平逆变器的控制方式是决定其性能的 一个重要环节，也是多电平逆变技术的一一个重要方面。级联式多电平逆变器的调制 方法主要有阶梯波脉宽调制、三角载波p w m 、电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 等。 不同的调制方法各有优缺点，也适用于不同的场合。各种p w m 方法中，出于 s v p w m 以瞬时空间电压矢量为控制量，最适合用于高动态性能的控制方法如矢量 控制、直接转矩控制等。因此，基于多电平逆变器的s v p w m 方法的研究是一个不 可回避的问题。级联式多电平电路输出电压一般为七电平以上，虽然已有简化控制 算法提出【o 儿】但对于实时控制仍然很复杂且难以实现。源于此，本文以多电平逆 变器的s v p w m 方法为研究课题探索多电平s v p w m 的简化方法，以期将多电平 s v p w m 与电动机的直接转矩控制相结合，实现电机的高性能数字化控制。 目前，以德国的西门子、欧洲a b b 公司及日本的东芝、三菱及美国的a b 公 司、r o b i c o n 公司等为代表大型国际企业生产的大功率变频调速装置，均采用数 字化控制，应用水平较高l i ”。但是产品的价格和服务费用昂贵，难以完全满足的国 内市场的需求。国内同类产品的技术尚处于起步阶段，产品还不成熟，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，具有理论意义和实 用价值。 1 3 主要工作 为解决当前多电平s v p w m 控制方法复杂难以应用于实际系统的问题，研究多 电平逆变器的拓扑结构和多电平p w m 调制方法，建立级联式逆变器的数学模型， 深入研究传统两电平和三电平s v p w m 方法，提出多电平s v p w m 的简化方法，进 行基于m a t l a b 6 1 s i m u l i n k 软件包的系统仿真，搭建基于d s p 和c p l d 实验系统， 进行新型多电平s v p w m 方法的初步实验，分析仿真和实验的结果，得出结论。论 文主要完成以下的工作： 1 研究多电平逆变器的拓扑结构和级联式逆变器的p w m 调制方法。 2 建立级联式逆变器的数学模型，研究传统两电平的s v p w m 和三电平的 2 华北电力人学硕十学位论文 s v p w m 方法，提出多电平s v p w m 的简化调制方法。 3 通过m a t l a b s i m u l i n k 搭建仿真系统，编写仿真程序，进行系统仿真，验证 简化方法的有效性。 4 搭建基于t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 d s p 和x c 9 5 1 0 8 c p l d 的系统控制器，编写控制系 统的软件程序。 5 与直接转矩控制策略相结合驱动异步电动机，进行变频调速系统实验。 6 分析仿真和实验结果，对所提出的方法进行可行性验证。 华北电力人学硕士学位论文 第二章多电平逆变器及其p w m 调制方法 21 多电平逆变器 多电平逆变器出现较早，但对功率器件和控制技术的要求较高，因而多电平逆 变器的研究一直发展缓慢，直到2 0 世纪9 0 年代以来随着g t o 、i g b t 的成熟 应用和i g c t 、i e g t 等新型全控型功率器件的先后出现，以及以d s p 为核心的高 性能数字控制技术的普及，其研究和应用爿有了迅猛的发展。多电平逆变器的基本 思想是利用主电路的拓扑结构输出多级阶梯波来等效f 弦波。到目前为止，已经有 多种拓扑结构被相继提出，极大的丰富了多电平逆变器家族。多电平逆变器种类繁 多，但根掘功率开关器件的电压嵌位方式，分为三种：二极管嵌位式( d i o d e c l a m p e d ) 、电容嵌位式( c a p a c i t o rc l a m p e d ) 、级联式( c a s c a d e d m u l t i c e l l ) l l 。 2 1 1 二极管嵌位式( d io d ec ia m p e d ) 逆变器 二极管嵌位式逆变器又称中性点嵌位式( n p c n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 逆 变器。图2 1 示出了二极管箝位式七电平逆变器的电路结构。二极管嵌位式三电平 逆变器的电路结构首先由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出，1 9 8 3 年的i a s 年 会上b h a g w a t 等人又将二极管嵌位式三电平逆变器的结构推广到了任意多电平“1 ，形 成了今天的n p c 式多电平模式。二极管嵌位式逆变器特点如下： 图2 1n p c 式七电平逆变器 ( 1 ) 二极管嵌位式逆变器利用多个二极管对相应的全控型功率开关器件进行 4 兰坐燮堂塑主堂堡堡苎 钳位，以解决功率器件的均压问题。电平数为n r 的三相逆变器含有6 ( n 。一1 ) 个全控 型功率器件和6 ( n r 一2 ) 个嵌位二极管。三电平以上n p c 电路中，出于嵌位二极管 自身承受电压不均匀，如果采用相同耐压水平的二极管串联等效，需要哪一3 a 0 + 2 个。大量嵌位二极管的使用增加了控制的难度，使得七电平以上的n p c 电路失去 了实用价值。 ( 2 ) 逆变器的直流侧采用电容分压以形成多电平，不需要结构复杂的曲折联 结变压器就可直接实现高压大功率，缩小了装置的体积。，电平的逆变器需要 v r 一1 个分压电容，分压电容的存在可能引起电压不平衡，这问题需要从控制手 段上加以解决。 ( 3 ) 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 成丌关器件的利用率不同。 2 1 2 电容嵌位式( c a p a c i t o r0 f a m p e d ) 逆变器 电容嵌位式逆变器即飞跨电容式( f i y i n gc a p a c e t o r s ) 燃，是由t a m e y n a r d 等人在1 9 9 2 年的p e s c 年会上首先提出的【1 5 1 。如图2 - 2 所示为电容嵌位式七电平 逆变器。飞跨电容式逆变器的主要特点如下： 图2 - 2 电容嵌位式七电平逆变器 ( 1 ) 采用跨接于开关器件之间的串联电容进行嵌位，三相机电平逆变器共需 3 ( ；一3 n ，+ 2 ) 2 个嵌位电容，真流侧分压电容的电路结构与二极管嵌位式逆变器 相同。 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 电容嵌位式逆变器的丌关状态的选择比二极管嵌位式逆变器具有更大的 灵活性，有利于平衡功率丌关的导通时问和电容的电压。 ( 3 ) 三相n ，电平逆变器共需( 3 ；一7 ，+ 4 ) 2 个电容。由于直流滤波电容体积 大、成本高、使用寿命较短，使得电容嵌位式逆变器的实用价值不如二极管嵌位式 逆变器。 2 1 3 嵌位式统一拓扑 最近又有几种嵌位式改进拓扑结构被提出 1 6 j 17j i8 o 最具代表性的是p z p e n g 等人在i e e ei a s 2 0 0 0 上提出的嵌位式逆变器统一拓扑结构【1 ”，图2 3 为其单相电 路图。二极管嵌位式和电容嵌位式逆变器都可以由这一电路拓扑导出。该电路还可 以实现直流电容电压的自动平衡。 5 1 e v e l l e m 1 e v e i i i n e - 图2 3 嵌位式多电平电路统一拓扑结构的单相电路图 2 1 4 级联式( o a p a c i t o r0 ia m p e d ) 逆变器 级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器，是多电平逆变器家族中出现最早 的一种。1 9 7 5 年p 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，并申请了美国专利【】”，这就是最初的级联式逆变器。定义每相 串联单元个数为m 的级联式逆变器为肘重逆变器。图2 - 4 示出了三重逆变器的电 路结构。级联式逆变器能够增加输出的电平数、提高输出电压等级、减小谐波，其 结构和控制方法也易于向更多电平数扩展，因此成为当前最受关注的多电平拓扑形 6 爵 国 华北电力人学硕十学位论文 式。 图2 4 三苇七电下逆变器 级联式逆变器所采用的基本功率单元一般由完全相同的直流电源和h 逆变桥 组成，也可以采用不同电压等级的功率单元【2 。m d m a n j r e k a r 等人在1 9 9 8 年的 a p e c 会议上提出了基于不同电压等级的单元级联式混合多电平逆变器电路结构， 还给出了电压比为1 ：2 的混合单元级联式七电平电路的p w m 控制方法【2 1 1 1 2 2 】【2 3 】， 咳混合七电平逆变器的电路如图2 5 所示。这种逆变器的结构减少了相同输出电平 下的级联单元数目，但m d m a n j r e k a r 等人所提出的只对。单元的i g b t 进行 p w m 调制的控制方法存在功率倒送的问题，这就要求整流侧采用可控整流电路， 增加了控制的复杂程度和经济成本，在不需功率双向流动的风机、水泵等节能领域 中没有应用优势。 n c 图2 - 5电爪为1 ：2 的两单元级联式混合七电平电路 7 型型涮巍斟 华北电力人学硕十学位论文 级联式逆变器的研究工作不断取得进展，k e i t h c o r z i n e 等人提出了级联式多电 平逆变器统一拓扑结构，如图2 - 6 【”1 。统一拓扑结构中，单元的直流电源和h 逆变 桥可以都不相同。这种逆变器也被称为混联式逆变器( h y b r i di n v e r t e r ) 2 1 。 n 图2 - 6 级联式多电甲电路的统一拓扑 a n 剀2 - 7 三电下单元和五电甲单元级联的电路结构 级联单元的电压等级可以不同，不是说任意电压等级的功率单元都可阻串联， 也要遵循一定原则。就是要在保证输出相同电平数目的情况下，能够减少使用的功 率玎关个数，能够简化控制方法。这样一来，具有实用意义的不同电压等级的单元 级联就可分两种情况：电压比为1 ：2 ：2 2 ：l ：2 “1 和电压比为l ：3 ：3 2 ：l ：3 “1 。分别称 为二进制混合单元和三进制混合单元。它们输出电压的电平不会发生跳变，符合级 联式逆变器的基本要求。但是当级联单元输出电平的正负极性不同时，存在功率倒 8 墓菩菩 华北电力人学硕十学位论文 送问题。即部分功率单元要能吸收有功功率，这就要求其电源具有承受灌电流的能 力。二进制混合电路通过适当的控制，可以避免功率倒送。而三进制混合电路则无 法克服这一缺点，因此功率单元直流侧必须采用全控整流电路。 图2 7 为三电平单元和五电平单元相级联的电路结构。该逆变器输出七电平， 与相同单元级联的七电平逆变器相比，所用主丌关器件数相同，对主电路并未做出 优化，并且其不同电平单元的p w m 的协调控制比较困难，目前还没有相关控制方 法提出，因此这种扩展方法只是一种新的组合形式，只具有理论意义，并无实用价 值。 几种逆变器相比较，可以总结出级联式逆变器的特点： ( 1 ) 不存在电容电压不平衡问题。二极管嵌位式逆变器的多电平是由多个电 容分压得到，逆变器工作时必须控制电容电压的稳定。而级联式逆变器，各隔离直 流电源在充放电上是完全解耦的，只要各直流电源的容量足够大，就不需考虑电压 均衡问题。 ( 2 ) 结构易于模块化和扩展。级联式逆变器是一种松散的串联结构，每个逆 变单元结构相同，易于实现模块化生产。逆变器拆卸组装和容量扩展也都很方便。 ( 3 ) 级联式逆变器除具有多电平逆变器共同的线电压冗余特性外，还具有相 电压冗余特性。对于每相某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合。各级联单 元的工作是完全独立的，其输出只影响输出总电压，不会对其他级联单元造成影响。 相电压冗余可用来均衡各单元的利用率，使各器件的利用率达到一致。 ( 4 ) 便于实现软丌关技术。通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控 制策略比较容易实现软丌关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置体积。 ( 5 ) 级联式逆变器是多电平逆变器家族中输出同样数目电平所需器件最少的。 应用混联技术还可使功率丌关效能比进一步增大。 ( 6 ) 级联式逆变器缺点在于需要大量的隔离直流电源。采用结构复杂的曲折 联结变压器使得逆变器体积庞大臃肿。在以蓄电池供电的场合这个问题得到了部分 解决，但又带来蓄电池充放电不平衡的问题。由于具有多个直流电源和器件，级联 式逆变器需要均衡各单元的利用率。在级联单元较多的情况下，故障监测和诊断变 得比较困难。 2 1 5 多电平逆变器的应用 经过多年的研究，多电平逆变器的主电路拓扑在理论上已经基本完备。在各种 拓扑中，己获得实际应用的是二极管嵌位式三电平逆变器和等电压单元级联式逆变 9 华北电力人学硕十学位论文 器。二极管嵌位式三电平逆变器的代表产品有：a b b 公司的a c s l 0 0 0 系列高压变 频器| 2 4j 和g e 公司的i n n o v a t i o n 2 5 1 系列高压变频器，它们都是基于i g c t 的三电 平电路构成，但电压最高只能应用于4 k v 的电压等级，并且高次谐波含量仍然较大。 级联式逆变器的代表产品为美国罗宾康公司的完美无谐波高压变频器【2 6 】和北京利 德华福公司的h a r s v e r t a 系列高压变频器，使用的功率开关器件是i g b t ，最高可 以应用于1 0 k v 电压等级。在电力系统无功补偿领域也已经有实际应用，a l s t o m 公司于2 0 0 0 年研制了世界上首台基于级联式结构的7 5 m v a rs t a t c o m ，用于提 高英国北部向南部送电的传输功率【2 ”。我国清华大学和上海电力公司j 下在合作研制 基于i g c t 级联式结构的5 0 m v a rs t a t c o m ” 。多电平逆变器在大功率电源、大 功率电力有源滤被等方面的研究工作也了已经展开。 2 2 多电平p w m 方法 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤 波器中越来越广泛的应用，p w m 控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起 人们的高度重视，并得到深入的研究。1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 根据通讯 系统的调制技术产生了证弦脉宽调制( s p w m ) 变压变频的思想并应用到交流传动 中 2 9 1 。目前已经提出并得到应用的p w m 控制方案就不下十种，从最初追求电压波 形的f 弦，到电流波形的正弦，再到磁通的j 下弦；从效率最优，转矩脉动最少，再 到消除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目 前仍有新的方案不断提出针对p w m 控制技术的研究方兴末艾。 在作为电机驱动的电压源型逆变器中，为降低所控制的电机的谐波损失、电磁 干扰( e m i ) 和转矩脉动，无论采取何种p w m 控制方法，其目标都是获得f 弦电流 输出。多电平逆变器应用于变频调速也要实现上述目标，使被控制的高压大功率电 机获得优异的性能。但采用不同的p w m 控制策略，逆变器输出电压的谐波含量不 同网侧的输入电流谐波含量亦不相同。 多电平逆变器的调制方法大体可以分为阶梯波调制、多载波s p w m 调制、相 移s p w m 调制和多电平s v p w m 调制四种。 2 2 1 阶梯波调制法 阶梯波调制法是一种基频调制方法。阶梯波调制法的思想是使每个级联单元输 出与基频同频率的方波，由多个方波叠加出近似正弦的阶梯波，其基本原理如图2 8 所示。经过这样的方法调制后，逆变器的输出只含有奇次谐波。m 重逆变器( 每相 串联m 个功率单元) 输出的电压幅值可表示如下 1 0 华北电力人学硕十学位论文 吃：兰兰 c 。s ( n ) 】 女= l ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中圪、口。是第k 个级联单元的输出电压幅值和开关角，月= l ，3 ，5 ， 口l a 2 丌2 。 阶梯波调制法的丌关频率低，适用于采用g t o 等丌关频率较低的功率器件的 逆变器。当阶梯足够多即肘足够大时，输出波形与f 弦波很接近。阶梯波调制法的 缺点在于当调制系数较低时，随着阶梯的减少，输出谐波分量会有所增加。为了更 好的消除谐波，可以将调制系数分为若干段。当调制系数较低时，可将阶梯波的最 上端方波分为几段来减少谐波分量m 3 ”。 一一 1 7 、 ， 。l 广j 2 。 、一 1 l _ 。 厂i “ll t j 一 ： ； 厂。； ， 广 一 一 l “i。lr一 一，一 图2 - 8 阶梯波调制原理 通过控制丌关角可以实现特定阶次的谐波消除，这就是选择谐波消除技术 ( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n ) 。假设需要去除三次谐波，出式( 2 - 1 ) 可知， kc o s 3 c z i 十c o s 3 a 2 + + c o s 3 a m = 0 。求出满足条件的丌关角，即可去除三次谐 波。 2 2 ，2s h p w m 调制法 c a r r a r 等人于1 9 9 2 年首次提出了s h p w m ( s u b h a r m o n i cp w m ) 技术时1 32 1 ，根 据载波相位将其分为三种方式( 见图2 - 9 ) ： a p o 方式即所有相邻的载波相位相反：p o 方式，正载波与负载波信号的相 位相反。p h 方式，所有载波相位相同。 1 1 华北l h 力人学硕_ 卜学何论文 由于p h 是同相调制，谐波能量基本集中在载波附近，可以通过调整载波频率 来调整谐波频率，因此p i i 得到了最为广泛的应用。 当逆变器为差补结构时，采用s h p w m 技术，由于输出电平的增多，载波带会 增加，此时一个载波带可能对应于多种级联单元开关的组合【2 。应用s h p w m 技术 会造成各级联单元开关频率的不同。在一个周期内，最高和最低的载波带开关次数 要多一些。为均衡开关频率，增加中间区域载波带频率的方法被提出 3 3 , 3 4 1 ，该方法 改善了丌关次数不等的状况。s h p w m 中，丌关频率和载波频率是不等的，参考信 号和载波信号的相位角的变化会影响j 下弦波和三角波交点的数量，从而改变一周期 内总的开关次数和r 丌关频率，最终影响了输出谐波的分布。 为提高调制系数，参考信号注入三次谐波的方法被提出，如图2 - 9 ( d ) 所示。 在三相s h p w m 中三次谐波可相互抵消1 3 “。 一 一 ( a ) a p o 方法 一 一 粼 燃 ( b ) p o 方法 一 一 ( c ) p h 方法 ( d ) 注入二次谐波的s h p w m 2 2 3 相移p w m 调制法 图2 - 9s h p w b l 方法 相移载波p w m 调制( p h a s e s h i f t e dc a r r i e r sp w m ) ，简称p s p w m 3 0 ，3 5 ，36 1 。相 移p w m 调制技术一般只适用于级联式逆变器，不适用于二极管钳位式和电容钳位 式的多电平逆变器。出于其实现简单，相移p w m 技术在级联式逆变器中应用比较广 1 2 华北l 乜力人学硕十学位论文 泛 2 1 。 p s p w m 技术中每个级联单元采用传统的s p w m 调制，但每个载波相互之删存 在相移。应用p s p w m ，每个h 逆变桥由两列相差18 0 0 的三角波作为载波，一列称 为f 组载波，另一列称为负组载波，将它们分别与参考的正弦调制波进行比较，当 正弦调制波的瞬时值大于正组三角载波时，左桥臂输出电压为正，否则输出电压为 零；当正弦调制波的瞬时值小于负组三角载波时，右桥臂输出电压为f ，否则输出 电压为零。根据以上原理，可以得到单元h 桥的输出电压波形。同相各单元的调制 波要采用等幅值同相位的正弦波，同相相邻的单元f 组载波之问以及负组载波之问 要有一个相移角，对于m 重逆变器，这个相移角口= 2 7 r m 。这样调制得到的各单 元的s p w m 波彼此交错，相迭加形成多电平的s p w m 电压波形。图2 10 为级联式 三重逆变器的p s c p w m 原理图。图( a ) 示出了a 相各单元的调制波和载波，图( b ) 、 ( c ) 、( d ) 为各单元的电压波形，图( e ) 为总的a 相电压波形。要得到另外两相 的电压输出只须将f 弦调制波右移或左移1 2 0 。即可。可以证明，采用p s p w m 方法 调制输出的谐波频率增大到了2 m 倍，更加利于滤除。 u ( v ) “。巳! 二垡口e 。“” 叫。匕! = 拦儿。口e “m s u ( v 1 。吐 二! 芏) 口l 口巴“ u ( v ) 图2 1 0 三苇逆变器p s p w m 原理 p s c p w m 已经获得了实际应用。美国罗宾康公司的高压变频器1 26 】和北京利德 华福公司的h a r s v e r t a 系列高压变频器就是采用p s p w m 方法，变频器输出电压的 谐波含量低，堪称完美无谐波。但p s p w m 不易与矢量控制、直接转矩控制等高性 能的电机控制方法相结合。这些高性能的电机控制手段基于瞬时值理论，而同样基 于瞬时值理论的电压空削矢量p w m 能够成为衔接多电平和高性能的电机控制策略 的桥梁。 华北电力人学硕十学位论文 2 2 4 空间矢量p w m 调制法 空间矢量p w m 法( s v p w m ) 以三相电压合成的空间电压矢量为控制对象， 根据系统的控制要求选择合适的电压矢量。所需电压矢量由所在区实际存在的电压 矢量相互切换来合成，输出正弦电压p w m 波型。图1 2 为不同电平的空间矢量图， 随着电平数增多，矢量数目急剧扩大，s v p w m 控制将极其复杂。因而，s v p w m 虽然在两电平通用变频器中获得了广泛应用，却难以向多电平扩展，目前只在二极 管嵌位式三电平电路中获得了实际应用1 3 8 】_ 4 ”。 2 3小结 ”、一 “r 。v “0 ： ： ”- - 一 ! o ! ? j 鼍k亭弋： m “降 啼“，j ，中m ，t j ， ；* ：诤 “! r ! ： i t ：叶- 十 - -：+ ： ： i 4 - i 1 i 。+t 。 十 j + j + 。； 岭- + ，0 藏? 0 ：r ， _ i j ：- ； - ： ；v ；：、 “：0 ：， u ：d ；“，；：工：i ：一：0 一 l l-ii _ 0 _ 二0 ：0 ： _ m - m _ 一 一一 ：”：，：，：，? + ：，：， ：? ：，：、 ： ? ：j o ：，：? ：+ ：，：十：，。，：“t。，： ：，+ ! 。+ ： ：一t ：- o ：j ?：_ 。：j 一“：+ 卜| ：一 一4 + 1 j：； 一j ：- ：，；：；：n t ：；，：- ； ；：- ；，- ：! + 、 ：；+ ；+ ；+_ - i ；i ：。； ：一；：；- 、- ：- ；“- ，+ ；：；一：， 4 - ，j+ t 一；，：、 ，f ；：? ：、- ：0 ：；7 ；：；j 1 ( d ) ( a ) 两电平( b ) 三电甲( c ) 五电甲( d ) 十一电叩 图2 - 1 1 空间电压矢量分布图 本章研究了各类多电平逆变器的拓扑结构和多电平p w m 方法，分析了各类逆变器的 优缺点和各类多电平p w m 方法的适用场合。 1 4 华北电力人学硕十学位论文 第三章新型多电平s v p w m 方法 级联式多电平逆变器的数学描述是对其进行深入研究的基础，首先推导级联式 逆变器的通用数学模型，并深入研究两电平的空问矢量p w m 方法和三电平的空间 矢量p w m 方法，基于此利用级联式逆变器的拓扑结构特点和两电平s v p w m 的优 点，提出新型多电平s v p w m 方法。 3 1级联式逆变器数学模型 3 11h 逆变桥模型 功率单元的h 逆变桥电路如图3 1 所示。h 逆变桥是级联式逆变器的最基本单 元。欲建立级联式逆变器的数学模型，首先要实现对基本功率单元的数学描述。在 任意时刻，一方面功率单元属于电压源型逆变器，同一桥臂的上下两个开关要严格 避免同时导通，以免造成直流侧电源或者功率器件的损坏；另一方面为了维持功率 的连续传输，同一桥臂的上下两个丌关总要有一个保持开通状态。可以定义h 逆变 桥的桥臂状态变量s 如下： 量c 或岛，= f ：纂喜圭霁羹霎霉至霁羹粪鉴； c ，_ t ， 式中的s ，和s 。用来表示左桥臂和右桥臂的开关状态。 图3 1h 逆变桥 左桥臂中点l 对直流参考地1 1 点的电压u ，为 己0 。， ( 3 2 ) 华北电力人学硕十学何论文 左桥臂电流，为 右桥臂中点r 点对n 点的输出电压u 。为 u r = v d ：sh 右桥臂电流，。为 l = 一i ：h f s r ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 由基尔霍夫电压定律和电流定律求出输出电压u 。和输入电流，。的表达式，即得到 了功率单元的数学模型如下： 3 1 2 一重逆变器模型 u ，= u 一u 月= ( s 一s r ) ( 3 - 6 ) i m = ，+ i r = ( s l s r ) i o ( 3 7 ) 三相一重逆变器如图3 2 所示，为中性点不接地三相系统，驱动三相对称负载。 三相一重逆变器是级联式逆变器中结构最为简单的一种。下面来推导三相一重逆变 器的数学模型和系统的状念方程。 312 1 一重逆变器数学模型 三相一重逆变器由三个h 逆变桥组成，由式( 2 - - 6 ) 和式( 2 - - 7 ) 可建立数学 模型如下： u a = t s _ 一s l t f * i m = 嫡| 一s ) i a u 日= ( s b s r b ) 屹 i r a = t s ”一se r 、ih u c l = ( s 一s ) i c h = ( s “一s ) ， 1 6 8 9 o l 2 3 _ - 1 l 1 l 3 3 - 一 - - ( ( 3 3 3 3 华北电力人学硕十学位论文 n 图3 - 2 三相一晕逆变器 s ，、s 。、邑( 、- 、品。、鼢是逆变器各桥臂的丌关状态，其下标a 、b 、 c 表示各桥臂所在相，下标l 和r 表示桥臂是左桥臂还是右桥臂；u 。、u 。、u 为 逆变器输出的a 、b 、c 三相交流电压：，。、，。、为逆变器输出的a 、b 、c 三 相交流电流；l 。、，。、，( 。是a 、b 、c 三相所含h 逆变器的直流电源侧的输入 电流。表示各h 逆变桥的直流侧电压。 3 1 2 2 一重逆变器状态方程 参照图3 2 利用基尔霍夫电压定律列写a 、b 、c - - k i l 回路电压方程，可得 三冬：u + u o n - l r ( 3 - 1 4 ) d i 。 l 冬：ub 城厂i h r ( 3 - 1 5 ) 讲 ” l 堕：u i j + 一i ? j 。- 。t - 。u o n。r(3-16) 对中性点不接地三相系统，有 i4 + i 8 + i t = 0 对三相对称负载，由式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 有 u w = 一( u 。+ u 8 + q ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 18 ) 出31 2 1 节所得数学模型方程组和以上各方程可推导出一重逆变器的状态方程如 7 华北电力人学硕十学位论文 下 上盟 以 ，盟 m l d l c d t = 融删堆； 3 1 3 多重逆变器模型 将三相一重逆变器( 如图3 3 所示) 的数学模型和状态方程推广到三相m 重逆 变器中，得到更一般化的级联式逆变器的数学描述。 n 困困困 困鸯里 0 图3 3 三相m 重逆变器 31 3 1 通用h 桥模型 出上面的推导即可抽象出f 相第_ ，个h 桥的数学模型如下： u o = ( 邑。一s 枷) ( 3 - 2 0 ) 18 9 0 门川川川“川 一 一 一 踟跏跏 一 一 一 肼 肿 州 s s s q 心p 一 一 一 屯 一 一 一 屯 吲1 圃呵。耐 兰些些! 堂堡堂堡堡苎 i | = t s fu s ) i i o 一2 1 ) 式中下标i 表示a 、b 、c 三相；，表示某相第- ，个h 桥，对于m 重逆变器， - ，。1 ，2 ，3 f 女m ；只。和足。分别表示舛目第，个h 桥的左桥臂开关状态和右桥臂丌 关状态；和i n ，表示舛目第j 个h 桥的交流侧输出电压和直流侧输入电流；，表示 系统i 相的电流；表示h 逆变桥直流侧的电源电压。 3 1 3 2 多重逆变器状态方程 三相m 重逆变器第i 相输出的电压为 “ u = u 。 产l ( 3 2 2 ) 式中v ，表示f 相第_ ，个h 桥的输出电压，u 为褂目总电压，f 为a 、b 或者c ，表示 a 、b 、c 三相。 与一重逆变器状态方程求解方法类似，首先建立a 、b 、c 三相回路电压方程， 再考虑中性点不接地三相系统以及三相对称负载的条件，可推导出三相m 重逆变器 的状态方程如下： 式中 l i = a l + b e ，：i 盟盟 l 础 斫 e = 阢吃。 7 1 9 引 ( 3 2 3 ) 0 馏o 馏o o 1 = 爿 华j 匕电力人：学硕十学位论文 b = + ( s “ 一；( 屯 一；( s “ h 。 一) 一；( ，一卜；( 飞。) 一屯，) + 詈( 一j ) _ ；( ，一，) 一s 删1 ) 一( s l 川一s 8 i ) + ( 墨川一s 埘1 ) j 一。) 一；( 瓯。一s 。) 一；( s 。，一瓯。) 一s 删，) + 昙( 咒。，一s 册，) 一；( s “。一s 。) jj s m ，) ( 黾。一s r b , ) + ( 墨。一s r 。) 1 ) 一s 。、一；吼。m s r e 。) 一i ( s 。一s 。) j 。 _ s 。小冬s 。m _ s r 。一毛吼旷s 。、 一。) 一i ( s l 。一s 。) + ；( 卧。，一 式( 3 _ 2 3 ) i 置用于任何具有相同拓扑结构的级联式逆变器，不论是普通级联式逆变器 还是混联式逆变器。 3 2 传统s v p w m 方法研究 对传统的电压空嵋j 矢量p w m 方法进行研究，这部分工作是提出新型多电平电 压空间矢量p w m 方法的前提和基础。 3 2 1 两电平s v p w m 空间电压矢量p w m 是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的 圆形旋转磁场，即f 弦磁通。它以三相对称讵弦波电压供电时交流电机的理想磁通 圆为基准。用逆变器不同的丌关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它 们比较的结果决定逆变器的丌关状态，形成p w m 波形【4 2 】。 电机的理想供电电压为三相正弦，出p a r k 变换定义的电压空间矢量为 矿2 丢( “。”+ 口“w + 口2 u c n ) ( 3 - 2 4 ) 甜= e m ”，可以定义三个桥臂的开关函数量、品、& ，s j = 1 代表上半桥臂导通， 邑= o 代表下桥臂导通，为a 、口或c 。分析不同开关组合时逆变器的输出情况 如表3 - 1 所示。 2 0 亏 小 巾 棚 w 吸 吼 b 缈，li；|；，炒，缈，桫， + 一 一 卜 华北电力人学硕士学位论文 表3 1 不同开关组合时的电压值 s s 8s t 。 u 4 mu n nu ：hv k 000000 v o 00 l 一；一；+ ； v 5 010 一；+ ；一； v 3 oll 一；。+ 。+ ； v 100 + ；一；扛 v 10i + ；。一；+ v ： ll0 + ；k+ 扛一； k lil000 v 7 由式( 3 - 2 4 ) 和表3 1 可得 v j2 ；屹( 只+ s “3 + s b e - i 2 j r l 3 ) ( 3 。2 5 式中，= 0 ，i ，1 7 ，两电平o a - 压, 空间矢量如图3 4 所示。 l q v ( 0 l o ) i i v ，( 1 1 0 ) w 久 刀l 一 ) v ，( 1 1 1 ) 图3 4 两电平空间矢量图 d o o ) 包含8 个开关状态7 个矢量，1 个冗余矢量，它们分别是6 个模为2 3 的 基本电压矢量v 。、v 2 、v 3 、v 4 、v s 、v 6 和两个模为0 的零矢量v 0 和v 7 ，v o 和v 7 在图中是同一矢量，输出电压相同，只是开关状态不同而已。 2 l 华北电力人学硕+ 学位论文 电压空间矢量将复平面分成六个扇区i 、i i 、i i i 、i v 、v 和。对于任一扇区 内的电压矢量v 均可由该扇区两边的基本电压矢量来合成。如果v 在d q 坐标平面 内匀速旋转，就对应得到了三相对称的丁f 弦量。实际上，由于- 丌关频率和矢量组合 的限制，v 的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多 边形准圆轨迹。显然，p w m 开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近圆【4 。 以v 位于第1 扇区为例，依据伏秒平衡原则有 按时间守恒原则有 v i + v 2 瓦= v 瓦 巧+ 兀+ 瓦+ 弓= 瓦 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 式中巧、正、磊、乃是矢量v l 、v 2 、v o 、v 7 在一个开关周期中的持续时间，弓 是p w m - 丌关周期。 参考图3 5 ，设矢量v 的相角为毋，出正弦定律可得 又因为 联立解得 且：剀：盟 s i n 了d r 蜘口s i n ( 等删 v t i = iv 2 l = 2 v e , 3 五= m es i n ( 要一目) 正= 川r s i n 9 以i v i m = j j 瓦+ 五= 瓦一7 i 一正 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) 式中，卅是s v p w m 的调制系数。 零矢量瓦、五的选择具有较大的灵活性，一般使两个矢量的作用时间相等，即 2 2 华北l | = i 力人学硕十学位论文 t o = 工 ( 3 3 1 ) 各矢量作用时f 白j 的分配方法主要有四段法和七段法，分别如图3 5 和图3 - 6 所 示。四段法比较简单但是产生的p w m 谐波主要集中在丌关频率 利2 疋上，为此 七段法应运而生，七段法能够减小开关频率兵处的谐波幅值，进一步改善波形质量， 但是增加了开关频率。 工v 2 一 矗i 巧一j 正一i 1l 段法矢量作川原理 4 段法 ( b ) 时序 “ “月 “( 瓦五t个t巧兀 一：i ：一i ：“。：王：j 。：一 l li； ll l；il lii l if 厂 7 段泣 ( a ) 台成方法( b ) 时序 图3 - 6 七段法矢量作_ 原理 “ f h 珥 矢量位于其他扇区的情况可由以上第1 扇区的公式推出。四段法和七段法的两 电平空问矢量p w m 的电压输出波形如图3 7 所示。 华北电力大学硕十学位论文 习 枷-200l 3 2 2 三电平s v p w m o0 200 3 l i m e ( s ) ( a ) 四段法 | _ ! | i | l 00 400 5 0 0 200 300 4 t i m e f s l ( b ) 七段法 图3 7 两电平s v p v m 波 图3 8 为三电平的电压空间矢量图，共2 7 个开关状态，1 9 个矢量，8 个冗余 矢量。分i 、i i 、i i i 、i v 、v 、六个大扇区，每个大扇区又分a 、b 、c 、d 四个 小扇区，如图3 - 9 所示。三电平s v p w m 方法步骤如下： ( 1 )由控制条件得到参考电压矢量v ； ( 2 )确定参考电压矢量v 所在大扇区： ( 3 )确定参考电压矢量v 所在小扇区： ( 4 )确定实际作用的电压矢量及其作用顺序； ( 5 )确定实际电压矢量的作用时间。 根据负载要求确定参考电压矢量v 。再由参考电压矢量v 的相角0 和幅值。v 的作 用时间以及h 桥直流侧电压圪，可以判断v 的具体位置。首先定义调制系数 2 4 ，1111l， h ，。?iiiiiii=l 。 4 ， h 一 一 _ |llllllll l；“il+ 誊掣 1_jj_目_l l一 ，j： 二=二川“ 一 汀引州州川睢 一们 田雕捌 一l，l o 枷 鳓 。 耄寻 伽 华北电力人学硕十学位论文 l v l m = ! 土 3 a 1 1 0 2 0