（电力电子与电力传动专业论文）级联型三相五电平变频器控制系统的研究.pdf

上海大学硕士论文 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pm e d i u mv o l t a g ed r i v ef o re n e r g yc o n v e r s i o n a n de l e c t r i c a ld r i v e t h ec o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fm e d i u m v o l t a g ed r i v e t h e r ea r eaf e wt e n so f p o w e ri n v e r t e r si nt h e m u l t i l e v e li n v e r t e r s ，b u t i ti sh a r dt om e e tt h eg o a lb yt h eg e n e r a l s i n g l e c h i p o rd s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ) ，c o n s e q u e n t l y ，t h ed e s i g no fp u l s eg e n e r a t o ro ft h em u l t i l e v e li n v e r t e r b e c o m ean o d u s t h ep a p e rm a i n l yd i s c o u r s eu p o nt h ei m p l e m e n t i n gm e t h o d so ft h e c o n t r o ls y s t e mo fam u l t i - l e v e lc a s c a d ec o n v e r t e rb a s e do nc a r t i e rp h a s es h i f ts p w m m o d u l a t i o nt e c h n i q u e t h r e ei n v e r t e rt o p o l o g i e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r es t a t e d f i r s t l y , a n dm u l t i - c e l l - c a s c a d e ds y s t e mi ss e l e c t e da st h et o p o l o g yo ft h ep a p e r , a tt h e s a m et i m e ，t h ep h a s e s h i f t e ds p w mm o d u l a t i o ni ss e l e c t e dt h ec o n t r o lm e t h o d t h e n t h ea l g e b r a i ca n a l y s i si sf i n i s h e da b o u tt h em o d u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h es i m u l a t i o n s y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b6 5 ，a n dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h i s m e t h o di sv e r i f i e db yt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u si n c l u d e st w om a i np a r t so ft h em a i nc i r c u i ta n d t h ec o n t r o lc i r c u i t t h em a i nc i r c u i tc o n s i s t i n go fd r i v ec i r c u i t sa n dm o s f e t s t h e c o n t r o lu n i ti n c l u d e s ：t h ed s pa n df p g ac o n t r o ls y s t e m ，a df e e d b a c kc i r c u i t s ， p r o t e c t i o nc i r c u i t s t h e p a p e rp r e s e n tt w os c h e m et oa c t u a l i z et h ep u l s eg e n e r a t o ro fam u l t i l e v e l c a s c a d ec o n v e r t e r o n em e t h o dw h i c hi su s ed s pt oc a l c u l a t et h ep u l s ew i d t h ，t h e n f p g ac o m p l e t et h el o g i cf u n c t i o n a n o t h e rm e t h o dw h i c hi sa l lt h ef u n c t i o ni s c o m p l e t eo nas i n g l ef p g ac h i p e x p e r i m e n tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nw i t hm a t l a b 6 5i sc o n s i s t e n t t h e r e f o r ev a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo f t h es c h e m e k e y w o r d s ：c a r r i e rp h a s es h i f ts p w m ，m u l t i l e v e lc a s c a d ec o n v e r t e r , c o n t r o l s y s t e m ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) 上海大学硕士论文 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：李i 坠日期塾! i ：i ：距 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：至! 泣导师签名：髦必窿日期：迎垄：三! 王 l l i | 二海人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压 变频调速技术也得到了广泛的应用。 我国国民生产总值已经跃居世界前列，但单位产值的能耗巨大。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 ，由于驱动这类装置的电机采用恒 压恒频供电，转速基本恒定，往往配合阀门、挡板调节流量或风量以满足工 艺要求，使风机、水泵的运行效率降低，浪费大量电能，如果采用调速技术， 至少可节约2 0 的电能对于拖动风机、水泵的高压大容量电机，采取调速运 行，节能效果更显著“3 。 传统的两电平变换器结构如果用在中压大容量场合，只能采用6 t o 器件或 者采用i g b t 串联的方式。然而，6 t o 虽然容量很大，但是具有丌关频率低、 驱动和吸收电路复杂等固有缺点，因此输出电流畸变比较严重。采用i g b t 串联 的方式，要求器件间的动静态均压效果好、触发脉冲严格一致，又大大地降低 了系统的可靠性。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和现代控制理 论的飞速发展，多电平变换器成为电力系统及中大功率交流电机调速领域的研 究重点。 高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要 求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度地节约能源，降低生产成本。近年 来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那 样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高低高 型；根据有无中间直流环节，可以分为交一交变频器和交一直一交变频器。在 交一直一交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，可分为电压型和电流型。 高一低一高弛变频器采用变压器实行输入降压、输出升压的方式，其实质上还 是低压变频器，只不过从电网和电动机两端来看是高压的，是受到功率器件电 上海大学硕士学位论文 压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入、输出变压器，存在中间 低压环节电流大、效率低下、可靠性下降、占地面积大等缺点，只用于一些小 容量高压电动机的简单调速。常规的交一交变频器由于受到输出最高频串的限 制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。直接高压交一直一交变频器直接输 出高压，不用输出变压器、效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛“。顺便 指出，我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为1 k v 1 0 k v ，国内主要 为3 k v 、6 k v 和l o k v ，和电网电压相比，只能算作中压，故国外常称为中压变 频器( m e d i u mv o l t a g ei n v e r t e r ) 。 1 2 国内外高压变频器研究与应用概况 目前，主流的高压变频器产品主要有三种类型： ( 1 ) 电流源型。电流源型逆变部分采用s g c t ( 对称门极换流型晶闸管) 直接 串联解决耐压问题，直流部分用电抗器储存能量，目前的技术水平可以做到 7 2 k v 输出电压，所以适应国内大部分电压为6 k v 这一现状。电流源型变频器 输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量较大，效率比电压源型变频器低， 由于采用电流控制，输出滤波器的设计比较麻烦，而两电平变频器的共模电压 和谐波、d v d t 问题较突出，所以对电机的要求较高。虽然电流源型变频器有 可回馈能量的优点，但是需要回馈能量的负载毕竟才i 是太多，尤其是通用型的 变频器，所以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱“。 ( 2 ) 功率单元串联多电平型。此变频器采用多个低压的功率单元串联实现高 压输出，输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除对电网的谐波污染， 输出侧采用多电平正弦p w m 技术，可适用于任何电压的普通电机，另外，在某 个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机 的运行，减少停机时造成的损失。系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。 由此可见，单元串联多电平型变频器的市场竞争力是很明显的“1 。 ( 3 ) 三电平型。三电平型变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件的串 联的问题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少， 虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。三电平变频器遇到的最大难题是 电压问题，其最大输出电压达不到6 k v ，所以往往需要采用变通的方法，要么 上海大学硕士学位论文 改变电机的电压，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的应用“1 。 目前，虽然有人提出了其他不同的高压变频器解决方案，但大都不具有明 显的可行性，或者说不具有将上述三种主流变频器结构取而代之的潜力。对于 单元串联多电平型变频器，主要缺点是变流环节复杂，功率元器件数目多，体 积略大一些，但是，在其他的方式不能解决应用的需要，高压器件应用的可靠 性还不是太高的情况下，其竞争优势在最近的一段时期内，可能还是无法替代 的。三电平型变频器由于输出电压不高的问题，主要的应用范围应该是在一些 特种领域，如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等等，这些领域的电机都 是特殊定制的，电压可以不是标准电压。在一定的功率水平，三电平型变频器 取代传统的交交变频器是技术发展的趋势。三电平变频器的更大发展有待于更 高耐压的功率器件的出现和现有产品可靠性的进一步提高。在超大功率场合， 即大约8 0 0 0 k w 以上的功率，用可控硅构成的l c i ( 负载换流逆变器) 电流源型 变频器仍旧是主角”“”“。 由于上述的技术特征，通用型高压变频器目前是单元串联多电平型变频器 占多数，约7 成以上。目前国内以北京利德华福，山东风光为代表的高压变频 器厂家有不下二十家，基本都采用这种电路结构。 目前，国外的高压变频器已形成了比较成熟的产品。其中最有代表的是美 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0 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，保证系统无问断运 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 1 i 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。 近几年来，我国高压变频器的研究开发、生产和应用都有了突飞猛进的发 展。尽管我国的高压变频器产业和工业发达国家相比，还有很大差距，但在我 r 海大学颁十学位论文 国市场上，它己不象低压变频器当初那样为国外产品所垄断。我国自己的高压 变频器产品在我们国内市场上，己能和国外先进的产品抗衡。并且在发展中形 成了自己的一些重要特点，这主要表现在以下几点： ( 1 ) 电压等级 我国目前的高压电机的电压等级仍是3 k v 、6 k v 、l o k v ，而不象国外那样多 的电压等级，为此，我国自己生产的高压变频器做了大量工作，以适合用户的 需要； ( 2 ) 可靠性 对于用户而言，设备的可靠性是第一位的，根据用户的实际情况，对可靠 性的要求更高。例如，欧州标准的电压波动范围是：1 0 ，而我国的一些用户 的电压波动达1 5 以上，例如火电厂的大容量辅机起动时，母线压降可能达 到一3 0 以上，持续时间可能超过2 0 s 。国外的高压变频器就难以满足这样的苛 刻的条件，我国自己的高压变频器，例如利德华福公司的高压变频器产品就可 达到一1 5 至一3 5 的电压波动，持续时间达到3 0 s 。这是国外高压变频器所不具 备的。其它，如控制电源丢失不停机以及针对一些特殊工况的特殊的设计等。 我国自已生产的高压变频器根据我国的用户的特殊条件和特殊工况而设计和制 造的，能适合我国用户的需要。 1 3 本论文研究的内容 本课题采用的是单元级联型的拓扑结构，载波移相s p w m 的调制技术，目标 是实现三相五电平的变频器。为此本人做了以下的工作： ( 1 ) 设计了基于d s p + f p g a 的级联型三相五电平变频器的脉冲发生器； ( 2 ) 设计了完全由f p g a 实现的级联型三相五电平变频器的脉冲发生器： ( 3 ) 完成了主控板与驱动电路的设计； ( 4 ) 完成系统软硬件仿真与实验调试； ( 5 ) 综述了目前主要的多电平变频器的拓扑与控制算法； 上海大学硕士学位论文 第二章多电平变频器主电路拓扑和控制策略 2 1 多电平变换器主电路拓扑结构 目前多电平变换器主要存在如下三种拓扑结构： 二极管筘位型( d io d ec l a m p ) 飞跨电容型( f l y i n g c a p a c i t o r ) 单元级联型( h - b r i d g ec a s c a d e d ) 最早的多电平逆变器电路始于1 9 7 5 的一个专利文献，其中描述了具独立 直流电源的全桥单元组合阶梯波交流输出电压的逆变器。由此演变出了二极管 筘位逆变器。二极管筘位逆变器又叫中点箝位逆变器，这是由于在最初应用的 三电平逆变器中，零电位被定义为三电平的中值。由于中点箝位逆变器无需严 密的电压配合就可有效的倍增电平数，因此在8 0 年代一度盛行。虽然具有独 立直流源的级联的逆变器最早被发明，但它在9 0 年代才盛行起来。由于具有 独立直流源的级联的逆变器在中等量级电机驱动方面的优点，以及对中等量级 大功率的逆变器的巨大需求，具有独立直流源的级联的逆变器受到了前所未有 的瞩目。2 0 世纪9 0 年代，飞跨电容多电平逆变器的拓扑结构问世。下面分别 介绍上述三种拓扑的多电平变换器“”“1 。 2 1 1 二极管箝位型多电平变换器m 卜“9 1 多电平功率变换电路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钳位( n p cn e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 三电平逆变器，而后b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 在1 9 9 3 年的i a s 年会上进一 步将三电平推广到多电平的结构，奠定了n p c 结构的多电平模式，n p c 的出 现为中压大容量电压型功率变换电路的发展开辟了一条新思路。 二极管筘位式多电平逆变电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器 件进行筘位，同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。图2 1 是二极管 筘位式5 电平逆变电路拓扑结构，它具有4 个电容，能输出5 电平的相电压， 线电压为9 电平。对于n 电平电路，直流侧需n - 1 个电容，能输出n 电平的相 电压，线电压为( 2 n 一1 ) 电平。它的输出电压和输出电流的总谐波畸变率都大大 r 海大学硕士学位论文 减小。这种结构有显著的优点，即利用二极管进行筘位，解决了功率器件串联 的均压问题。 图2 1 二极管箝位型五电平逆变器电路图 二极管箝位型多电平变换器的优点： ( 1 ) 不需要结构复杂的多绕组电源变压器而直接适用于高电压大功率，从而大大 降低功率变换装置的体积和成本。 ( 2 ) 若整流和逆变分别采用二极管筘位型结构进行取p w m 控制时呵以实现能量 双向流动。 ( 3 ) 由于每相桥臂中间的丌关管的导通时间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。 二极管箝位型多电平变换器的缺点： ( 1 ) 二极管钳位解决了功率元件的均压问题却引起钳位二极管自身承受电压不 均匀问题。虽然丌关器件被箝位在k 。( n 一1 ) 电压上，但是二极管却需要不同 倍数的k 。( n 一1 ) 反向耐压。如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需 要多管串联，增加了实际系统的实现难度。 ( 2 ) 当二极管箝位型多电平变换器只传输无功功率时，电容器在半个周期内由相 等的充电和放电来平衡电容电压。但是当逆变器传输有功功率时，由于各个电 容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 飞跨电容型多电平变换器叫嘲 飞跨电容型结构是在1 9 9 2 年的p e s c 年会上，由t am e y n a r d 和h f o c h 提出的如图2 2 所示，它的结构特点是箝位电容取代二极管箝位型电路中的箝 位二极管，其工作原理和二极管筘位电路一致，在电压合成方面，开关状态的选 择具有更大的灵活性，电容数n c 与相电压电平数n 的关系为： ，= ( n 一1 ) 1 + 3 ( n 一2 ) 2 ( 1 1 ) n 电平逆变器可输出n 电平相电压，( 2 n 一1 ) 电平的线电压。 图2 2 飞跨电容型五电平逆变器电路图 飞跨电容型多电平变换器的优点： ( 1 ) 在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性。 ( 2 ) 由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容 电压保持均衡。 ( 3 ) 可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。 ( 4 ) 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。 飞跨电容型多电平变换器的缺点： ( 1 ) 对于这种结构，n 电平的逆变器每个桥臂就需要( n 一1 ) ( n 一2 ) 2 个电容， 再加上直流电源的n 一1 个电容，大量的电容使得系统成本高且封装不易。 上海大学硕：b 学位论文 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 存在电容的电压不平衡问题。 2 1 3 级联型多电平变换器瞄卜删 以基本单元为基础，根据系统对输出电压、电平数的要求可决定串联的单 元数。每相串联的单元数为n ，则输出相电压波形所含电平数为2 n + 1 ，输出线 电压波形所含电平数为4 n + 1 。图2 3 是y 型连接的三相五电平级联型逆变电 路结构图。 a l 一廿j 管 p 麓鬟扩：譬筹1 - 一rj l j 廿j 锤 ，手鬟鬟r 檬鬟f - 一湃j 浔 图2 3 级联型五电平逆变电路图 级联型多电平变换器优点： ( 1 ) 无需均衡电容电压。二极管箝位型逆变器的多电平是由多个电容分 压得的，工作时需要保证电容电压稳定。而在级联型逆变器中，各隔 离直流电源在充放电上是完全解耦的，只要各直流电源容量足够，无 需特别的均衡控制。 ( 2 ) 结构上易于模块化和扩展。级联型逆变器是一种松散的串联结构， 每个h 桥臂结构相同，易于模块化生产。逆变器拆卸和扩展都很方便， 这是其他多电平逆变器所不具有的。 ( 3 ) 便于实现软开关技术。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开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热 装置的体积。 上海大学硕二i 二学位论文 ( 4 ) 由于没有筘位二极管或箝位电容器的限制这种结构的功率变换器输出 电平数可以更多，在输出电压提高的同时谐波含量更小。 级联型多电平变换器缺点： ( 1 ) 实际应用中，直流电压源一般采用三相不控整流桥加滤波电容构成， 与电网的联接需采用移相变压器，使结构复杂，体积增大，成本增 加。 ( 2 ) 每个单元需要一个独立的直流电源。随着电平数的增加，串级电路单元 使用的直流电源数也将大量增加。 2 2 多电平变换器的控制策略 评价一种控制策略的优劣主要由以下六方面来综合判定： ( 1 ) 能使变频器输出近似的正弦波形，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。 ( 2 ) 可靠性。在实际应用中，高( 中) 压变频器控制策略应能使变频器系统 稳定的工作。由于电力电子器件在电压耐量上的发展还不能很好的满足高( 中) 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 ) 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。 ( 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 ) 电磁干扰和电磁兼容性。 ( 6 ) 体积重量，经济性。 在过去的几十年中，人们提出了大量的针对于多电平变换器的控制策略，主 要有以下几种： ( 1 ) 空问电压矢量p w m 法 ( 2 ) 多电平消谐波p w m 法 ( 3 ) 开关频率最优p w m ( $ f o p w m ) 法 ( 4 ) 阶梯波脉宽调制法 9 上海大学硕士学位论文 ( 5 ) 载波相移s p w m 法 2 2 1 空间电压矢量p 删( s v p 删) 法啪卜啪1 多电平空间矢量p 1 v l 是根据2 电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多 电平空间矢量控制思想与2 电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区 域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是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磁场，因 而控制更精确，输出电压谐波更小。但是，这样也带来了控制上的复杂性，当 应用于5 电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。图2 4 所示为 三电平电压空间矢量图。三相三电平变换器每一相可输出j f ( p ) ，零( z ) ，负 ( n ) 三种电平，共有2 7 种电压空间矢量。其中有2 4 个非零矢量，3 个零矢量。 同样对于相 n p n z p n p p n 。 n z nz z n 4 p z 、丝 赫媳 滋 -pzz 甲眦z z p v 图2 4 三电平电压空间矢量图 电平数为n 的多电平变换器，对应的电压空间矢量数为3 ，用传统的“最近三 矢量法”，其算法将变得很复杂。针对电路复杂这一问题，文献 3 4 提出了一种 将控制分为输出电压合成和零序分量控制两个相对独立的部分，适用于不同电 平数和拓扑结构。 s v p w m 法的优点： ( 1 ) 直流电压利用率高，最大幅度调制比可达1 1 5 。 ( 2 ) 与传统的s p w t 法相比，相同的波形质量下有更低的开关损耗。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 与s p w m 法相比有更好的动态性能。 ( 4 ) 易于实现数字化。 s v p w m 法的缺点：由于电平数与电压空间矢量数间是立方关系，虽然现在提出 了各种简化算法，但当应用于电平数大于五时，控制算法仍过于复杂，目前多 电平s v p w m i 技术的研究一般只限于5 电平以下。 2 2 2 多电平消谐波p w m ( s h p w m ) 法陆1 消谐波p w m 法的原理是对n 电平变换器电路的每一相使用一个正弦调制波和 n 一1 个具有相同频率和幅值的三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻， 如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关 断该器件。为了使n i 个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密 相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波p w m 是2 电平三角载波p w m 在多电平中的扩展。其调制原理图如图2 4 所示。 1 l 。| 谶| | 、鎏。| i 文潜裂；? 鎏j 。 d 00 0 200 0 400 0 g00 0 8 d 口10 口1 200 1 400 1 600 1 80 口2 图2 4 多电平消谐波p w m 法示意图 消谐波p w m 法的优点：变换器输出特性良好，单个器件的开关频率低，等效开 关频率较高，具有一定的传输带宽，输入输出呈线性关系。 消谐波p w m 法的缺点：器件的导通负荷不一致，在深调制状态尤为严重。 2 2 3 开关频率最优p w m ( s f o p 嘶) 法。印 3 2 1 0 1 2 3 上海大学硕十学位论文 开关频率最优法是s t e i n k e 提出的，它和s h p w m 法类似，也是由2 电平三角 载波p _ l v m 扩展而来。它的载波要求与s h p w m 法相同，不同的是它在正弦调制波 中注入了零序分量。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s f o p w m 的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得 到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1 1 5 。 但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统中注入的零序分量无法互相抵 消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实 际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空问矢量法是一致的，它相当 于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，s f o p w m 法 可以看成是2 电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。其原理示意 图如图2 5 所示。 000 0 2o 叩4 口口d 啷do l 00 1 200 1 40 口1 500 1 e00 2 图2 5 开关频率最优p w m 法原理示意图 2 2 4 阶梯波脉宽调制法m 1 阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是一种非常直观的控制方 法。输出多电平台阶的产生，实际上是对模拟参考输入的一个量化逼近过程。 在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续的时间的长短，来实现特定低 次谐波的消除与抑制，但消除谐波的个数由多电平变换器输出电平的个数决定。 阶梯波脉宽调制的优点：控制简单，工作可靠，对功率器件的开关频率要 3 2 1 0 1 2 3 l 海大学硕士学位论文 求低，因此可以使用低开关频率的大功率器件。该调制方法可以通过一定的优 化算法离线计算出特定的开关角来消除指定的低次谐波。 阶梯波脉宽调制的缺点：动态性能不高，输出量大小的调节依靠直流侧电 量或各阶电平宽度的改变来实现。 2 2 5 载波移相s p 哪法删咄1 1 这是本课题所采用的p w m 调制技术，其详细介绍见第三章，这里只做简述。 载寸妇鸭s p w i 法是一种专门用于级联型多电平变换器盯r m 方法。这种控制方 法与s h p w m 方法不同，每个模块的s p w m 信号都是由个三角载波和一个正弦波 比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的 三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上 错开，从而使得各模块最终叠加输出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的 2 n ( n 为级联数) 倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。 2 2 6 各控制方法适用的主电路拓扑 根据以上分析，可以得到以下结论： ( 1 ) 在应用中，当变换器电平数超过5 时，空间矢量p w 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，主要应用于级联型。 ( 2 ) 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 _ l 】n 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。 ( 3 ) 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。 本章小结： 本章对高压大功率变频器的常见拓扑结构和控制策略作了分析综述，指出 各自的优缺点。高压大功率变频器控制技术与高压大功率变频器拓扑结构是共 生的，因为高压大功率变频器功能的实现，不仅要有适当的电路拓扑结构作为 基础，还要有相应的控制方式作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。 上海大学硕士学位论文 第三章基于载波移相s p w m 级联型多电平变频器工作原理 三角载波移相s p w m ( t r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m ) 法是一种专门 用于级联型多电平变换器的p w m 方案，其实现方法可看作是多重化技术与 s p w m 技术的有机结合。这种控制方法中，每个功率单元的p w m 信号都是由 一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有功率单元的正弦调制波信号都相同， 但每个功率单元的三角载波信号与它相邻的三角载波信号之间有一定角度的相 移，这一相移使得各功率单元所产生的p w m 脉冲在相位上错开，从而使各功 率单元最终叠加输出的p w m 波形的等效开关频率提高到原来的2 n 倍m 是功 率单元串联组数) ，因此在不提高开关频率的条件下，可以大大减小输出谐波。 按照载波移相的方式不同，载波移相p w m 调制可分为两种：载波垂直移相 p w m 调制和载波水平移相p w m 调制。 本章主要讨论以下二个问题： 载波垂直移相p w m 调制与载波水平移相p w m 调制的比较 载波移相s p w m 的数学分析与仿真研究 3 1 载波垂直移相p w m 调制与载波水平移相p w m 调s o t 2 卜1 4 4 l 图3 1a 相两功率单元电路图 1 4 上海大学顾士学位论文 为了叙述方便，下面以级联型三相五电平变频器的a 相两单元( 如图3 1 所示) 为例来分析载波垂直移相p w m 调制与载波水平移相p w m 调制的原理 并比较。载波垂直移相p w m 调制的波形示意图如图3 2 所示。 图3 2 载波垂直移相p w m 调制波形 上海大学硕士学位论文 对于每相n 个功率单元串联的多电平变频器，每相需要2 n 个载波对一个调 制波进行比较，同相的2 n 个载波频率，幅值均相同，如图3 2 所示，对于每相 串联二功率单元的电路，四个载波从上到下垂直分布，依次去驱动 a 11 ，a 2 1 ，a 2 4 ，a 1 4 四个功率管，其调制方法仍然是调制波大于载波时，输出为 高电平，调制波小于载波时输出低电平，上下桥臂实现互锁。 从图3 2 可看出，功率单元1 输出的是与调制波正负波峰比较的结果，而 功率单元2 输出的则是与调制波正负波峰问的部分的比较结果，也就是两个功 率单元轮换输出功率。但当调制波较小时，会造成功率单元1 不调制，而只有 功率单元2 调制的情况，也就是只有功率单元2 出力的不利情况。采用垂直载 波移相p w m 调制需动态分配各功率单元的输出功率的均衡。 图3 3 为载波水平移相p w m 调制的波形示意图。 从图3 3 可以看出，载波a l l 与载波a 1 3 反相，载波a 1 1 与载波a 2 1 错开兰 2 的角度，而载波a 2 1 又与载波a 2 3 反相，同一相共用一个调制波，调制方法仍 然是调制波大于载波时，输出p w m 波形为正，调制波小于载波时输出p w m 波形 为负，a ，b ，c 三相对应同一位置的载波相同，而三相调制波互差1 2 0 。 以图3 1 的a 相二单元串联拓扑为例，当功率管a l l 与a 1 4 同时触发导通 时，第一个功率单元输出的电压为e ，当a 1 2 与a 1 3 同时导通时，第一个功率 单元输出的电压为一e ，而当a 1 1 与a 1 3 或a 1 2 与a 1 4 同时导通时，输出电压为 零，也就说一个功率单元能输出三电平，而第二个功率单元的情况与第一个相 同，只是相位不同，所以两单元叠加后，实现了如图3 3 所示的相电压五电平。 从图3 3 可以看出，载波水平移相p w m 调制的本质是：对每个功率单元进 行s p w “调制，通过载波的移相，使得每个功率单元输出的s p w m 脉冲相互错开( 其 基波相位相同) ，这样在叠加后，可以得到多电平输出并使得等效开关频率大大 提高，改善了输出波形。采用移相p w m 调制之所以能够得到这样好的效果，是 因为在结构上多重化的结果。可以预见，如果在对每个功率单元进行s p w m 调制 时，各载波不移相，那么每个功率单元的输出s p w m 波将是相同的，在叠加之后 仅仅是p w m 脉冲的幅值增大了，电平数和等效开关频率都不会增加。因此，载 波移相是水平移相p w m 调制的根本所在。同时，通过以上的分析可知，每个功 上海大学硕士学位论文 率单元输出都是基波相同的脉冲错开的s p w m 波，因此，在水平移相p w m 调制方 式下，每个功率单元的输出功率是相同的，不需专门控制各功率单元的输出功 率。 图3 3 载波水平移相p w m 调制波形示意图 上海大学硕十学位论文 3 2 载波移相p w m 技术的数学分析与仿真研究m 卜m 1 以上是对载波移相p w m 技术初步分析，下面对这一调制方式进一步进行数 学分析与仿真研究，以验证其正确性。 先以一个功率单元为例来说明，再推广到n 个功率单元。 单个h 桥单元输出电压傅立叶形式为 v ，m 。= m s i n ( e a t ) + 。c 扣c 争降叫【c o s ( n o ) c o s ( n 啦1 ) 。刊 + 喜( 昙) c o s ( 等) s n 等s t n ) 【s i n ( 加) s n ( ”叫) 】 式中v h 单个h 桥单元输出：h 桥直流母线电压 m 调制度；国正弦调制波角频率： 哎载波三角波角频率； 根据贝塞尔公式 s i n ( x s i n y ) = 2 j 2 ， 式中以为n 次贝塞尔函数 把式( 3 - 1 ) 展开可得 瓷= 一疃玲啕暾学喇一叫【嘶酬 + 釉畸脚争喇一懒) 【蚓 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 很显然，当n 为奇数的时候，c 。s ( 罢) = o ；当h 为偶数时，令 k = 2 1 一i ，i = 1 ，2 ，3 ，则式( 3 3 ) 可表示为 v h - - - ! - 1 = m s i n ( + 鞴畸， z 私争蛳， 【c o s 一，】 十鞴畸睁争 m 峨叫 取载波比为k c = l f ，则上式为 ( 3 4 ) 燮墼墼 乏2 册喇嘻咧锈以争f 嘲。嘶乞酬 + 鲐c o 呼奢争蚴蚍，) j ， ( 3 吲 从式( 3 5 ) 可以看出，输出电压，不再含有2 吃1 次以下的谐波。 根据式( 3 1 ) ，不难得到n 7 单元级联后输出电压的傅立叶展开式为 卺。嗍+ 矜峥恪却嘲一嘲蚓 + 喇呤愣叫嘲，删+ 嗍，蚓 + 嘲唧+ 黔昀豳降叫嗍一+ 螂，蚓 2 撬s i n ( a t ) + 鞠啐叫争一啷) j 喇 哼叫争研一嘶) j 蝴 。1 觐蝻数的时候，c o s ( 争= o ；当。为偶数时，令嘲h 取载波比为屯，根据贝塞尔公式将式( 3 一展开， 眨 f ”- 2 n n s i n ( a t ) + 7 击 ，= 1 ，2 ，3 ，并 则式( 3 6 ) 可表示为 羚嘞c 予叫蚓 2 溉嘞譬f 螂嘞y 城蝴lh 7 、 2 m 嚣嚼固螂劫+ 猫姐酬 其中1 2 c ，o s ( 嘲) + c o s ( h 岛) + + c o s ( 瞩 厅2 8 i “( ”6 ：) + s i n ( 鸣) + | + s i n ( 吼； ( 3 8 ， 式中吼( e = 1 ，2 ，) 为载波相移角度。 当采用载波相移p 附技术，各单元载波角度依次增加刀时，即 上海人学硕士学位论文 爿2c 。s ( 。+ 吾) + c 。s ( ” 1 + 号) + + c 。s ” ( 一1 ) + 号】 ( 3 9 ) b = s i n ( n o + 号) + s l n ( 川+ 万i t ) + + s i n ( ，1 ) + 争 由于n = 2 ，4 ，6 ，不难证明b = 0 ，并且当 弋 髦薯娄拶 弋罗 钢 加载配置扯线 调制 ，! l ； 上海大学硕士学位论文 q u a r t u si i 的特点： 支持多时钟定时分析，l o g i c l o c k 基于块的没计，s o p c ( 单芯片可编 程系统1 ，内嵌s i g n a l t a pi i 逻辑分析器，功率估计器等高级工具。 易于管脚分配和时序约束。 强大的h d l 综合能力。 包含有m a x p l u si i 的g u i ，且易于m a x p l u si i 的工程平稳地过 渡到q u a r t u si i 开发环境。 对于f m a x 的设计具有很好的效果。 支持的器件众多。 支持w i n d o w s ，s o l a r i s ，h p u x 和l i n u x 等多种操作系统。 v e r i l o g 语言的特点： v e r i l o g 是一种通用的硬件描述语言。 v e r i l o g 允许不同的抽象层次混合在相同的模型内。 大多数逻辑综合工具支持v e f i l o g 。 所有的制造厂商都提供用于后逻辑综合模拟的v e r i l o g 库。 4 6a d 转换电路 i ! ；il ；t ；罂1 ki 。! i ；i i ! - l ；：51 ： !； 。 l ： q l l r b m t f cl 型 l l |l ； 自观臣爿笺 ：l ：“ j 0j g 4 拈自矗 j 。一二l ： 1 藕箨 d i 幔，。 ；：! 。一0 龋琢 蝼。”专井中k t j 囊群l 瑟 a t p i - ，l。r 。p 。 下e 胁d 聊 ，。r n 虬一 l 。l j 一 一；厂 l ；一一基举一， r 氍一卜书 i 一卜； il ， !，t i ：l | ：l ：o j j k ； l“e ； 。；0 ：l i * l ；! ll | l ，n j ! 一7 - i “p l ： i il i r ”v n - 1 r 1 一 ：! ：j i j ；1 嗷：i门l 、l 鼎 材 l 鞴蒋船鬻嗣辩鬻| i c l l q ：f 0 , 0 1 1 l f l 一 ；i i 噩噩+ 】敷蘸瓢 ；l ! 点l ；l溅量 甍- 一鬻畦 + 荆争i l 点i ，i 一口一一 1 一 l ： ；i ；口州 一r r ? 1 l ：+ | li | 图4 5a d 转换电路 上海大学硕士学位论文 对于多电平变换电路，主要的信号有电压、电流反馈等信号，如果参考 输入电压在o 3 3 v 范围且没有较大的噪声，参考输入电压可以直接接八d s p 片内a d 转换器，