（电力电子与电力传动专业论文）级联高压变频器电压空间矢量研究和设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rs e l f - t u r n o f fd e v i c e sa n dm i c r o c o n t r o l l e r , h i g hp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti si n c r e a s i n g l yd e e p l ys t u d i e da n di sm o r ea n d n l o r ew i d e l ya p p l i e di nl a r g ec a p a c i t a n c em o t o rd r i v e ，p o w e rt r a n s m i s s i o na n ds oo i l b u ta ni m p o r t a n tp r o b l e mi st h a tt h el o ww o r k i n gf r e q u e n c yo fh i g hp o w e rd e v i c e s i sn o tt oa p p l ys o m eb e t t e rm o d u l a t e dt e c h n i q u eo fp w m p h a s es h i f ts p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ( p s - s v p w m ) p r e s e n t e di n t h i sp a p e ri sj u s ta b o u ta l l e x c e l l e n tm o d u l a t e dt e c h n i q u et os o l v et h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，a n dt or e d u c e t h eh i g ho r d e rh a r m o n i c sp r o d u c e db yp w mc o n t r o le f f i c i e n t l y t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm o d u l a t i o nt e c h n i q u eo fs v p w ma r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r b a s e do nt h es v p w ma n dt h ec a r d e rp h a s e s h i f t e ds p w m ，c o n t i n u o u s s y m m e n t r i c a ls w i t c h i n gm o d u l a t i o n ( s e v e ns e g m e n t s ) a n dz e r ov e c t o r sa l t e r n a t i o n m o d u l a t i o n ( s w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m i z e dm o d u l a t i o n ) a r ea p p l i e di np s s v p w m ， a l s oi t sr e a l i z i n gm e t h o di sp r e s e n t e d t h ep s s v p w mm e t h o di ss i m u l a t e dd y n a m i c a l l yb yu s i n gm a t l a b 6 5 1 s i m u l i n kd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc a r d e r p h a s es h i f ts p w m ，t h eo u t p u th a r m o n i cf e a t u r eo ft h ec a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r s w i t hs e v e ns e g m e n t sm o d u l a t i o na n dz e r ov e c t o r sa l t e r n a t i o nm o d u l a t i o n p s s v p w mi sr e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o n i ti so b v i o u st h a ts e v e ns e g m e n t sm o d u l a t i o na n dz e r ov e c t o r sa l t e r n a t i o n m o d u l a t i o np s s v p w mc a nr e a c ha ne f f e c to fh i g h e r e q u i v a l e n ts w i t c h i n g f r e q u e n c yt h r o u g hc o u n t e r a c t i n g l o w e ro r d e rh a r m o n i c s ，s oi th a sap e r f e c t p e r f o r m a n c eo nh a r m o n i cf e a t u r e c o m p a r e dw i t hc a r d e rp h a s e s h i f t e ds p w i v l ， p s s v p w mh a sh i g h e rl i n e a ro p e r a t i n gr a n g e ，e a s i e ri m p l e m e n t a t i o nb yd i g i t a la n d i sm o r es u i t a b l ef o rm o t o rd r i v eo c c a s i o n e s p e c i a l l yt h ew a yo fz e r ov e c t o rb yt u r n s o fs w i t c hf r e q u e n c yo p t i m i z e dm o d u l a t i o nh a sl o w e rd e v i c es w i t c h i n gf r e q u e n c y a n dl o w e rh a r m o n i co fo u t p u tv o l t a g e b u tb e c a u s es e v e ns e g m e n t sh a v ef o u r s e g m e n t sz e r ov e c t o r s ，i t sp u l s et o r g u eb e c o m ev e r ys m a l l k e yw o r d ：p s s v p w m ，s w i t c h i n gf r e q u e n c y o p t i m i z e dm o d u l a t i o n ，s e v e n s e g m e n t sm o d u l a t i o n ，z e r ov e c t o r sa l t e r n a t i o nm o d u l a t i o n ，s p w m ， s i n m l a t i o n i i 插图清单 图卜1 二极管箝位三相三电平主电路3 图1 2 飞跨电容三相三电平主电路。3 图l 一3 五单元级联三相主电路4 图2 一l 级联型逆变器分类6 图2 2 传统三单元级联三相主电路7 图23 二极管筘位五电平功率单元9 图24 混合功率单元两单元级联1 0 图25 五电平s h p w m 调制示意图1 l 图2 6 载波带频率变化的p w m 调制1 2 图2 7 混合载波消谐波p w m 调制一1 2 图28 注入零序分量的调制方法1 3 图2 - 9 开关频率优化调制波1 3 圆21 0 五个载波移相调制原理1 4 图2 1 1 注入三次谐波载波移相调制方法1 4 图3 - 1 三相p w m 逆变电路拓扑结构1 7 图3 2 三相电压矢量分布1 7 图3 3 空间电压矢量的分区及合成1 7 图3 4 对称矢量合成方法2 0 图3 - 5 一级单元桥三相逆变电路2 2 图36 左右桥臂电压矢量合成单元相电压矢量2 2 图3 7 七段法左右桥臂调制原理2 3 图3 8 开关频率优化调制原理2 4 图39 五级h 桥三相逆变电路2 4 图31 0 五级h 桥各单元左右桥臂矢量2 5 图4 1 扇区判断仿真模型及仿真波形3 2 图4 2 公用公式x ，y ，z 仿真模型3 3 图4 - 3t 1 ，t 2 仿真模型3 3 图44 矢量切换点模型3 3 图4 - 5p w m 产生电路模型3 4 图4 6 对称调制的几种调制波形3 5 图4 - 7 单个h 桥s v p w m 产生电路3 6 图4 8i 方法三相一级桥仿真波形3 7 v i 图4 - 9i i 方法三相一级桥仿真波形 图4 一i 0i i i 方法三相一级桥仿真波形 图4 1 1 传统载波移相三相一级桥仿真波形 图4 1 2 参考电压幅值为2 0 0 v 时的线电压及傅立叶分析一 图4 一1 3 参考电压幅值为4 0 0 v 时的线电压及傅立叶分析 图4 1 4 参考电压幅值为4 6 7 v 时的线电压及傅立叶分析 图5 1 系统硬件控制框图 图5 2 单元主电路 图5 - 3 旁路切换控制电路 图5 - 4i i c p l3 1 6 j 驱动电路 图555 5 5 正激驱动电源 图5 6 主控板主程序和定时器中断程序 图5 7 单元板主程序和定时器中断程序 v i i ”弛弛叭躬郇卯船钾的跎钉 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二i ：作及取得的 研究成果。摄我所知，除了文中特别力以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垒魍王些塞堂 或其他教育枧梅的学位线i e 书而使_ 箨j 过的材料。与我一阊工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了观确的蠛明并表示谢慧。 学位论文作者魏嗡；但扭 签字隰u 菇年日 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥筐：些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 宵权保留并向国家有关部门或枧构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奎瀚 和借阅。本人授权盒坦：王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容缡入有关 数攫库进行检索，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君适用本授权书) 学位沦文作者魏渤p 忆 签字日期：u 。辞月) 曰 学位沦文作者毕控后去向： 工作单位： 逶讯地址： 导师签名 蘑 签字日期：舻年6 月；日 电话 邮编 致谢 回首研究生阶段三年来自己学习、研究和成长的经历，我衷心感谢一直以 来不断给我以无微不至关怀的我的导师：苏建徽教授。在学习、科研过程中， 苏老师为我提供丰富的实践机会和良好的实验条件，并在他的精心指导和 帮助下，使我的实践能力和理论水平都有很大的提高。在论文的写作过程 中苏老师也给予了很大的帮助和关心。苏老师渊博的学识、敏锐的思维、 诚恳的待人、丰富的工程经验、严谨求实的工作作风和乐观豁达的生活态度， 都深深的影响了我，使我受益终身。在此，再向他表示最真挚的感谢。 非常感谢张国荣老师和卯美琴老师! 不仅仅给予了生活上的关心，在学 习和科研上更是细心的指导。他们的谆谆教导让我深受启迪，使我在各方面 都取得了长足的进步。 深深地感谢能源所的汪海宁博士、杜雪芳老师、杜燕老师、刘翔老师、张 建老师我的关心和帮助。 同时感谢其他各位朝夕相处的同学：梁海涛，李桂臣，贺文涛，陈林，公 平，杨向真，刘宁，吴敏所给予的关心和支持。 最后感谢家人和女友，多谢他们不断的支持和不断的鼓励。相信今后在同 样的支持和鼓励中能够不断的完善自己。 i i i 作者：潘江洪 2 0 0 6 年5 月1 0 日 ； 亏l 富 第1 章绪论 十一五舰划建议掇出，到2 0 2 0 年，中国要文现g d p 翻两褡，能源消赞将 进一步增加。我国迫切需要构筑稳怒、经济、清潴的能源供成体系。建设节约 鳘毒圭会怒令蓐发霞魏一矮重袋内露。缝源工监终麓鬻琵经济静潺囊惠，躐予毒圭会、 经济的发袋颓人民生滔承平的撼商都极为重要。从骶搜有效魏雳g 用能源、节约 笈滠楚建竣繁终鍪程衾熬其镄镩瑷。在2 0 0 3 年熬中莛毫力瀵惩孛，6 。7 0 为 动力电，髓程总容量为5 , 8 亿干嚣黥惫动辊总褰鬟申，只有不剔2 0 0 0 万予嚣躲 电动税怒辩交菝控裁麴。据势瓣，农中蓍，带变确受载、翼裔萤能潜力麓毫褫 至少有l ，8 亿千瓦。而其运行效率比国外低1 5 - 3 0 。按近几年全国的经济发展 状况，目前的实际装机容量远远大于此数据。因此对电动机进行节能改造，潜 力匿大。要建交苇终鬃鼗会，大力攘广交菝诵速技术是实褒这一嚣标簸磐簧手 段，它瞧怒交流毫凄撬节辘改造黪王俸重点。 随着现代电力电予技术及计算机控制技术的迅速发展，假进了电气传动的 技术革命。交流调速取代直流调遣，计算机数字控制取代模拟控制已嗽为发展 趋势。交滚滚凝交频调速是豢令繁终毫襞，改善鬟兰产工艺滚稳，疑惑产赫矮爨， 以及改蛰遮行环境豹一种主鼗手段。变频调速以菇麓效率，掰劝率嚣数f 单元级 联多电学逆交器功率鬻索可滋遮弱9 5 渡上) ，戮及谯舅豹调遴翱囊动髑淤蝗蕤 等诸多俊点两被国悫终公认蔼簸霄发震裁途的调遮方式。戳蓊黥蔫愿交频器， 由可控麓熬流，可控麓递交嚣瓣磐擒藏，开关徽攀低，电压耧魄滚潜渡太，瓣 电网和电机都有影响。随着i g b t 、i g c t 、s g c t 等电力电予元器件的开发， 相应的控制技术的发展和这贱电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业 孛褥型了爨广泛熬应鬟。蠹它翻梅藏蕊裹歪交颤器，鞋舞经舅，露潋安璐p w m 遂变，甚至楚p w 醚夔浚。不仅其毒谐波枣，功率因数迩霄滚大程痰辩提窝。 作为节能目的，燮频器广泛应用于电力、冶鑫、石油、化工、市政、中央 空调、水处理等行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持 续壤长，鼹辩，国家滚滚方察对邀厂夔藏本控测攥恕了要求，淹憾癞帮奄糕成 为电厂芙注焦点，因藏变频器谯电力行韭有着毯大的发展潜力，尤其怒禽艨变 频器秘大凌攀交菝嚣。臻究受零，纹毫力嚣堑，2 0 0 3 华翡交鞭嚣枣场娥摸就这 舞了2 。5 能元。因此，变颓器静节鼹鹰蘑蘸景嚣黎广阕。 1 2 蒯内外研究现状 ：i 琏年来，各种高压变频器不断出现，赢压变频器到目前为止还没有像低压 变猿器那撵近乎统一斡掇羚维擒。投据蠢趱缀藏方式蜀努为童羧褒歪型窝裹一 低藏爱 根器有无中闯藏流环节来分，可班分为交交变频器帮交w 纛- 交交频器， 在交寓交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电磁源型和电流源 型。 高压变频器正向着离可靠性、低成本、商输入功率因数、离效率、低输入 竣蹬谴波、低共模电压嚣l 低d v d t 等方良发鼹。电流源型变频嚣技术成熟，且 胃鞭蘩凝运行，整自予煮藤嚣器 睾串联熬均蕊翊题，赣天谐波对邀溺戆影穗蠢 输出谐波对电机的影响等闷题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要 求圆象限运行的设备，单元级联多电平p w m 电压源型变频器在输入输出谐 波、效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。对于轧 机，卷扬机等要求四象限遮行和动态性能较离的场合，双p w m 结构的三电平 毫爨潆整变频嚣会褥至广泛瓣应爱 l 】。 灏予多电平技术在离惩变频方面应溺较多，那么多窀平技术程此方面的应 用可以代表多电平技术翻前在高压大功率领城的应用现状。近年来高电压大容 量的变频器越来越受到黧视，目前世界上的商压变频器不像低聪变频器那样具 有成熟的、一致性的拓扑结构，而是限于采用目前电压等级的功举器件，如何 面对窝压使厦条件的要求，国内外各变频器生产厂商八铀过海，菇有商招，因 魏其烹奄路结穆虿尽一致，毽都较秀或凌戆瓣决了毫龟垂太窖豢遨一难题。当 然在性能指标及价格上墩备有差冥。如美国爹宾康( r ( ) b i c 。n ) 公司生产的完 美无谐波变频器；洛克书尔( a b ) 公司生产的b u l l e t i n l 5 5 7 和p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列变频器，德国西门予公司生产的s i m o v e r t m v 中压变频器；瑞典a b b 公司生产的a c s l 0 0 0 系列变频器；意大利a n s a l d 0 公司生产的 s i l c o v e r t 豫交凝嚣浚及基本三菱、褰士公霹生产匏完美燹瀵波交频器移 国漶能京豹虢奇、先行、铡德华福公司和藏帮往灵公司生产的窝魇变频器等翻。 而多电平逆变器主凝有以下几种拓扑结构：二极管箝位型，飞跨电容型和 单元级联型p 。 1 2 ，l 二极警箝位型( d i o d ec l a m p ) 二极管箝位型结梅翔图1 - 1 所示。箕结构特点是利用多个二极管对相应静 开关元件进行箝位，解决了功率器件的串联均压问题。 2 图1 1 _ = 二极管箝位三相三电平主电路 二极管箝位型拓扑结构有下列优点： ( 1 ) 不需要缭梅菱杂鹣多绕组邀源交压器蕊壹接实筏高电压，大功率，驭露大大 降低功率变换装置的体积和成本； ( 2 ) 若整流也采用二极管钳位裂结构进行有源整流，可以实现逆变器四象限运 行，能量双向流动； ( 3 ) 可以很方便的控制功率因索。 二摄管舞健型据卦绒梅存在戳下鲮瑶： ( 1 ) - 极管箝位式功率变换电路传递有功功率时，赢流侧电容由于一周期内流入 流出的电流可能不相等，造成宜流侧电容电压不均衡： ( 2 ) 当电乎数驽增衰辩，二援警数嚣缀大，璜热了实际系统懿实瑗难度，超过三 电平时会引起串联箝位二极管自身承受电压不均匀问题； ( 3 ) 电平数超过3 时，它的实现和控制存谯着很大的难度，尤其是用矢量法控制， 矢量令数将隧蓑毫平羧翡立方罐鸯羹： ( 4 ) 每桥臂内# l - 懊t j 功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 1 2 2 飞蹿电容垂( f l y i n g c a p a c i t o r ) 飞跨魄容型结构如图1 - 2 所示。它的结构特点是籍位魄察取代二摄管舞位 覆电路中豹籍位二瑕管。 图1 - 2b 跨电容三相三电平主电路 飞跨魄容鍪熬强羚续棱钱患： 存在灵活的开关组合，因此可以利用这些组含来平衡箝位电容电压平衡问 题，可控制有功功率和无功功率。 案膊 l 葺誊尊 一 一一上l i 善量陲 跨电容型的拓扑结构缺点： 需要大量箝位电解电容。但是电容可靠性差、寿命短、体积大造成系统体 积庞大，因此这一结构在实际应用中较少。 1 2 3 单元级联型 单元级联包括直流侧电压相等的传统单元级联和直流侧电压不等的混合单 元级联，其主电路结构如图1 3 所示。其中a 1 a 5 ，b l a b 5 ，c 1 c 5 可以是 三电平h 桥单元，也可以是二极管箝位五电平h 桥单元，还可以是更多电平单 元的级联。在下一章将着重讨论单元级联逆变器拓扑结构和p w m 控制技术。 图1 3 五单元级联三相主电路 1 3 本文的研究背景及主要研究内容 本文以单元级联型多电平功率变换电路为研究对象，从数学模型分析、系 统仿真等方面对其控制方法进行研究。比较了大功率电力电子变流装置各种拓 扑结构和调制策略。在第二章中总结了目前多电平级联变换器的拓扑结构和控 制策略，并比较了不同拓扑结构和不同控制策略的优缺点、使用场合等。第三、 四章详细地研究了多电平级联逆变器移相s v p w m 控制策略，仿真模型建立及 其波形分析。相移s v p w m 兼有载波相移s p w m 技术提高等效的开关频率，有 效地抑制和消除低次谐波，并且具有相当大的传输带宽的优点和s v p w m 技术 较高的直流电压利用率、低开关频率以及易于数字实现等优点。 论文主要完成以下工作： ( 1 ) 从构成级联型功率变换电路的基本逆变功率单元入手，详细分析级联型 多电平功率变换电路工作原理和不同逆变单元的电路结构。 ( 2 ) 结合载波相移s p w m 技术与s v p w m 技术的优点，把七段法和零矢量 交替等开关频率优化方法运用于p s s v p w m 控制方法，并对其进行了m a t l a b 的s i m u l i n k 系统仿真建模，从而验证这种控制方法的可行性。 ( 3 ) 对七段法和零矢量交替等开关频率优化方法p s s v p w m 技术与传统 s v p w m 技术、载波相移s p w m 技术做出了比较研究。 ( 4 ) 建立了一个基于m a t l a b 的s i m u l i n k 功能块实现的单元级联高压变 频器调速系统仿真模型。并依据此模型进行仿真，完成了对单元串联多电平高 压变频器调速系统的仿真研究和分析，为产品的开发和推广应用提供了理论依 据和技术支持。 第2 章多电平级联逆变器拓扑结构及其相关调制技术 我国高压电动机多为6 k v 和1 0 k v 等级，目前，三电平变频器受到器件耐 压的限制，尚难以实现这个等级的直接高压输出，而单元级联式的输出电压能 够达到1 0 k v 甚至更高，所以在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领 域，几乎已经形成垄断的态势。 2 1 级联多电平逆变器拓扑结构 级联型逆变器分类如图2 1 。传统单元级联型多电平逆变电路是由相同电 压等级的三电平h 桥功率单元级联而成，这种拓扑结构组成的电压源型变频器 由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器，已经为多数高 压变频器产品所采用。近年来，一些学者对级联型逆变电路进行了理论上的扩 展( 如单元内部采用三电平结构) ，但实际应用却很少。所以有必要对新型拓扑 结构进行研究，尤其是在目前电力电子器件和控制技术发展特点的前提下，对 现已成熟的传统级联型多电平电路结构进行优化，以适应新型电力电子器件的 不断发展，并逐步降低级联型高压变频器的体积和造价，进一步推动其在高压 电机节能调速领域的应用。 单，c 电压相等 r 三电平h ( 传统级联) 广_ 相同电平数l 桥级联 h 桥级联 il 单元电压不相等( 单元之 问电压满足成倍关系) 单元级联 型逆变电l五电平1 - 1 路 一桥级联 l 混台电平数 h 桥级联 图2 - 1 级联型逆变器分类 2 1 1 三电平h 桥功率单元级联 由于传统单元级联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污 染小，输出适用普通电动机，近几年发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流 方案。常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，无法实现能量回馈功 能，不适用于轧机、吊机等要求四象限运行的场合，这是这种高压变频器存在 的缺点。传统级联多电平逆变器如图2 2 。它是将具有相同电压的独立直流电 源的三觏平h 桥单元进圣亍级联。其中每褶由n 个帮元组成( 圈中每秘只有三个 单元) ，缚个h 桥单元四个开关s l ，s 2 ，s 3 ，s 4 的不同组合能产生三个不同 的输出电聪，即+ e ，0 和e 。，相电压输出电平数= 2 n + l ，线电压输出电平数 = 4 n + l 。 强2 2 抟绕三单元级联三相燕藏鼹 著褥熬2 - 2 中嚣每樱豹三令擎元壹流毫压姣次菠建：2 e ：轾，衾缮劐懿 下表2 ，l 所示的期望输出的电聪与每个单元输出魄压之间的关系。 表2 1 电压比1 ：2 ：4 的十五电平p w m 调制原理 期望输出电压a l 单元输如电压a 2 单元输国电压a 3 单元输出电压 7 ee2 e4 嚣 6 e02 e4 e 5 ee o4 e e2 e4 e 4 e004 e e2 eo 3 ee。2 e4 e eo4 e 2 eo2 eo o2 e4 e eoo ee 2 e 0 - e2 e4 e oo0o 若继续将图2 - 2 中的每个职元直流电压比改为1 ：3 ：9 ，将得到袭2 2 ，如 ， 下 表2 2 电压比1 ：3 ：9 的二十七电平p w m 调制原理 期望输出电压a 1 单元输出电压a 2 单元输出电压a 3 单元输出电压 1 3 ee3 e9 e 1 2 e o2 e9 e 1 1 ee3 e9 e 1 0 ee09 e 9 e0o9 e 8 e e o 9 e 7 ee3 e 9 e 6 e03 e9 e 5 ee 2 e9 e 4 ee3 eo 3 e03 e0 2 ee3 e0 ee 00 0o0o 根据文献 3 】，假设每相每个单元直流电源满足v 1 v 2 v 3 v n 这种拓扑结 n 构，单相可输出最大电平n = l + 2 z v 。 ( 2 1 ) 由表2 - l 和表2 - 2 及公式2 1 可得，电压比为1 ：2 ：4 的三个单元级联可 以产生十五电平输出电压，并且采用适当的控制，可保证三个单元输出电压同 极性( 即期望输出电压为正，每个单元输出电压也为正) ，不存在功率倒送问 题。但是电压比为1 ：3 ：0 时，虽然理论上可以达到最大输出为二十七个电平， 但是没有任何冗余状态，只有一种开关状态，三个单元输出电压未必同极性， 电压和电流极性相反，存在功率倒送的问题，由于这种拓扑结构的直流电源是 经过二极管整流得到，输出负极性电压的单元将会向自己单元直流侧的电容充 电，结果会使直流侧电容将有电流倒灌。由于上述两种电压比存在着如下问题： 一是电压比1 ：2 ：4 ：，2 ”1 ，有足够的开关冗余状态，但电源利用率较低； 二是电压比1 ：3 ：9 ：，3 州时，虽然直流电源利用率较高，但是没有存在 开关冗余状态，实际控制上存在很多问题。鉴于上面两个原因，有些学者提出 1 ：2 ：6 ，2 + 3 “2 ，但三个单元输出电压还是未必同极性。所以对于高压变 频装置，不宜引入电压等级太低的功率单元。 2 1 2 二极管箝位五电平h 桥功率单元级联 五电平h 桥电路结构如图2 3 。是由两个三电平桥臂并联组成，可以输出_ 2 e 、 e 和0 五种电平1 4 。其输出电平开关状态如表2 3 。它与两个三电平h 桥级联 电路相比，输出电平数相同，使用的主开关器件( 不包括二极管) 数量也完全 相同；其整流变压器结构简单，可以少一半的绕组电源，但p w m 控制方法相 当复杂，尤其是电容中点电位平衡问题。在1 5 j 1 6 【2 l 】等很多文献中都提n - 极管 箝位式中点平衡问题及解决方法。 图2 - 3 二极管筘位五电平功率单元 表2 - 3 二极管箝位五电平输出电平开关状态 输出电压 s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8 2 e0 no no f f o f f o f fo f fo no n 0 no no f fo f fo f fo n0 no f f e o f fo n0 no f fo f fo f f0 no n 0 no no f fo f fo no no f f o f f 0 f fo no n0 f f0 f fo no no f f 0 o f f0 f f0 n 0 n 0 f fo f f o n 0 n o f f0 no no f fo no n o f f0 f f e o f f o f fo n0 no f f0 no n0 n 2 eo f fo f fo n0 no no n 0 f f o f f 如前一小节，根据不同功率单元的直流侧电压成比例，可以得到新的电路 拓扑，同理，我们也可以使二极管箝位的每个单元直流侧电压也成比例关系。 当两单元级联时，我们可以选择电压比为1 ：2 ，高压h 桥部分我们可以采用 g t o ，低压h 桥部分采用i g b t 垆j 。 在实际应用中有日本富士公司采用高压i g b t 开发的f i m n i c 4 6 0 0 f m 4 中 压变频器系列，它以多个中压二极管箝位p w m 逆变器功率单元多重化串联的 方式实现直接高压输出，因此构成了一个双完美无谐波系统。但是该型变频器 的性能价格优势并不大。因为，用三电平技术构成单相逆变功率单元，在器件 数量上并不占优势，要比同样电压和功率等级的三电平三相逆变器足足多用一 倍的器件，同样比普通单相逆变功率单元也正好多出一倍的器件。例如：用 3 3 0 0 v 耐压的1 g b t 器件，采用单元级联主电路，6 k v 系统每相需三个单元串 联，总共9 个单元，共需5 4 只整流二极管，3 6 只i g b t ；而采用二极管筘位五 电平h 桥功率单元，每相需两个功率单元串联，总共6 个单元，共需7 2 只整 流二极管，4 8 只i g b t ，足足多用了1 3 的器件并且使功率单元的冗余成本增 加了一倍，降低了级联变频器冗余性能好的优点，同时增加了装置的成本。 2 1 3 混合功率单元级联 由于二极管箝位五电平h 桥功率单元级联存在上面介绍的不利因素。基于 前面两种基本单元，许多文献【7 】 8 】【1 明都提出并介绍了混合功率单元的级联。混 合两单元级联单相如图2 4 。 l 跚咯 s j 骂嘧8 i 咯 一f 留审 豌 昔固每夺擅 二 圈奇 勉 鼬申鼬 b 图2 - 4 混台功率单兀两单兀级联 三电平h 桥和五电平h 桥级联单元电路有直流侧电压之比1 ：2 、1 ：4 和 1 ：6 三种情况能够使输出电压电平不跳变。直流侧电压比为1 ：2 时，输出电 压为七电平，与三个三电平h 桥级联七电平电路使用的主开关器件数量相同， 只是减少了一个直流电源，减少一个变压器绕组，并未对主电路结构做出了优 化。直流侧电压比为1 ：6 时，三电平h 桥和五电平h 桥两个单元输出电压肯 定存在不同极性的开关状态，功率倒送问题不可避免。而直流侧电压比为1 ：4 时，从理论上可以避免功率倒送问题，但p w m 算法将十分复杂。 2 2 多电平逆变器p w m 技术 在前一节中，介绍了级联逆变器的现有的主要拓扑结构，在这节中将重点 介绍级联逆变器的p w m 的一些相关的调制策略【3 8 1 。多电平变换器的控制方法 由两电平控制方法演化而来，主要可以分为三角载波p w m 技术和空间电压矢 量s v p w m 技术两大类。三角载波p w m 技术可分为消谐波s h p w m ，开关频 率最优s f o p w m 和三角载波移相p s p w m 等方法。三角载波p w m 控制方法 简便易行，因而获得了广泛的应用。s v p w m 技术因其电压利用率高，谐波含 1 0 量低，硬件电路结构简单而受广泛关注，该方法在三电平电路中虽有应用，但 应用于5 电平以上电路时，控制算法非常复杂，如何简化计算，实现实时控制 是当前研究的热点。 2 2 1 消谐波p w m 技术 多电平消谐波s h p w m 2 加方法实质上是两电平正弦波调制在多电平领域的 一个扩展。对于一个n 电平逆变器，有n 1 个具有同相位、同频率f c 和相同的 峰值为a c 且对称的分布的三角波，而参考信号是一个峰值为a m 、频率为f m 的 正弦信号。参考波形与载波形进行比较，如果正弦波的值大于载波的值，则开 通相应的开关器件，反之则关断该器件。对于多电平变换器，幅度调制比m 。 和频率调制比m f 调值比定义如下： 。： 垒!( 2 2 ) 虬2 百蔫f “ 。，：皇 m ( 2 3 ) 五电平s h p w m 调制示意图如图2 - 5 瞩 啸 蔫潦l v 仓- i x ， 流 叫 u l l l l 图2 - 5 五电平s h p w m 调制示意图 如图2 - 5 所示，当正弦参考信号u = a 。s i n ( 2 兀f m ) 1 载波，输出电平4 v d c ； 当u 介于l 、2 载波之间，输出电平为3 v d c ；当u 介于2 、3 载波之间，输出电 平为2 v d c ；当u 介于3 、4 载波之间时输出电平为v d c ；当u 4 载波，输出电 平为0 。 在传统的消谐波p w m 方法中，上部和下部开关的开关频率要远大于中间 开关的开关频率，为了平衡上部、下部和中间开关的开关频率，t o l b e r t 提出了 载波带频率变化的p w m 方法，其原理如图2 - 6 所示。该方法是适当增加中间 各开关所对应的载波带的载波频率，以平衡上部、下部和中间开关的开关频率。 除此之外还有混合载波消谐波方法，其原理如图2 - 7 。 戛 翻2 - 6 载波带颤率交织瓣p w m 调制强2 7 混合载波消谐波p w m 调铡 2 2 2 开关频率优化p w m 技术 s t e i n k e 提出的开关优化的p w m 方法【2 3 揍于上小节中的消谐波多电平 s p w m 技术，而这种方法载波和上小节完全棚同，不同的只是在调制波中注入 了零缮分量。它注入懿楚零痔分量鼹。窝谖溪渡豹表达式魏下掰示： 。：竺盟墨旦# 坠幽( 2 - 4 ) u = k v z 瓯o ( 2 5 ) v b + = k v z o ( 2 6 ) v o + = v c v z e r o ( 2 7 ) 其中：甄s i 砜十论，v b = n k s i r ( 2 n f 。+ 妒+ 马，：m 。s i n ( 2 f f m + 庐+ 筝。 上嚣戆冀法可越通过数字魄鼹实瑗，也可以邋避模攘电路宠成。这耱方法夔调 割滚壤麴蚕2 - 8 。这静控铡方法豹最大调翻魄可越达至l1 1 5 ，与空闻矢量方法 一样凝有较高的直流电聪利用率，但是由予程每相的调制波中都淀入了谐波， 而注入的零序分量在单相系统中无法消除，所以这种调制方法只自运用于三相 系统。 瓣蔫淤j 一 r 。 册 _ l 1 一广 i 】1 一 ll 圉2 - 8 注入零序分量的调制方法 澍予零序分量，我 f 】霹陕不仅仅只叠搬s t e i n k e 捉鑫数，也可叛叠麴三次谐 波等淤下霆耱零序分量，藏中u t 兔摇令籀恕聪。 v 一= 等c 0 8 ( 3 妒) ( 2 _ 8 ) v 蕊o = 三芝惑睦 v z 。= l u ：。 v z e r o 1u 二 根据上面四式，得到下图2 - 9 四种调制波溅【9 l a ) 注入( 2 8 ) 式零劣惹调毒l 渡 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 强) 注入( 2 母) 式零痔嚣调潮渡 ( e ) 注入( 2 - 1 0 ) 焱零序嚣调蠢l 波( d ) 淀入( 2 1 1 ) 式零痔麓调臻l 波 图2 - 9 开关频率优他调制波 熬中图( b ) ( c ) ( d ) 为开关频率优化注入谐波的方法，其调制原理与开关 频率优化的空间矢量调制原理相同。空间矢爨调制波仿真图可参见小节4 2 1 。 2 2 3 载波移相p w m 技术 载波相移的每个单元的p w m 信号是通过一个三角载波和个正弦波比较 产篓三 2 0 1 1 2 2 1 1 3 7 1 。羞嚣要氆凝测逮一个三囊载波秘涎个反握笾黪正弦波产生的，也 可敬怒囊一个正弦波裙两个反相位静三角载波魄较产生。稆互缀联麓多个模块 之间的三角载波有一个相位差0 。该方法原理如图2 1 0 。对于一个n 电平的交 换器，每相采用n 1 个具有相同频率f c 和相同峰峰值a c 的三角载波与一个频 率为f m ，幅值为a 。的藏豫波相比较；n 1 个三角载波对称分布于零参考的正 负鼹侧，蕊且三角波之闻依次相移口，( n - 1 ) 袋2 f ( n 1 ) 。在歪g 袭波与三角 波稳交麴露亥l ，絮果调嘉l 波懿耀蓬大于菜令三角波夔瘸篷，黧开遴鞠痘熬开关 器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的晤崖刚关断该嚣件。由于相 邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的s p w m 脉冲在相位上错 开，从而使最终迭加输出的s p w m 波等效开头频率提高到原来的n 倍( 倍频 情况下提高到2 n 倍) ，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。 ：凇一莩 黼2 0 五个载波移穰潢测原瑾 载波移辐p w m 灞翎羧零已经被广泛菠麓予擎元缓袋中基交簇器，丽且技 术已缀比较成熟。其控制方法简单，在数字系统中易于实现。值烧由于直流电 压利用率比较低，满调制度时，利用率仅为o 8 6 6 。电压利用率的提高可以明显 降低熬流输入变压器的体积，进而减少成本。如我们在图2 5 的熬础上再进行 移相，便可褥至4s h p s p w m ，从理论上谐波台鼹更低。若在图2 - 1 0 的参考信 号中爨麴零痒电压，谈豢公式( 2 - 4 ) ( 2 。5 ) ( 2 ，6 ) ( 2 7 ) 蠖霹褥爨熬2 - 1 1 这秘 谲裁方法。丽理，调翻波滋可以采用如图2 - 9 所示的波形，同样熊达瑙开关频 率优化的作用。 ! j ：一： 图2 “1 1 注入三次谐波载波穆相调制方法 1 4 第3 章级联多电平空间电压矢量p w m 原理 载波瓣p w m 调割方法楚建立在舅爹毫氛稳态鼗学模型基麓上瓣，霆露动 态性熊不理想。而s v p w m 空间矢量控制怒建立在异步电机的动悫模型基础上 的，阁而它的控制效果比s p w m 好2 6 1 。 3 1 空间矢量s v p w m 基本原理及算法 3 ， ，1 嶷闯矢量s v p w m 蒸本嚣理 电压空间矢量p w m 技术是一种磁链轨迹法，是从电机的角度出发，目的 在于使交流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电丰几产 生黪理想磁链圆为基准，邋过选择功率嚣律酌不圊开关模式，使嘏机鲍实际磁 链琴霹遥远瑾爨蔽凌鬣，扶纛生残p w m 波。 电机的理想供电电压为三相正弦，箕表达戏如下： u 。；u 。s i n ( c o t ) ub = u 。s i n ( o 口t 一疗) # 。u 。s i n ( a , t + z ) ( 3 1 ) 按照合成电压矢量的态义( 由p a r k 变换得) ： “；弘2 + 鲫b + 髓2 u c ) ( a = e j 毛( 3 2 ) 嚣必毫疰空霾矢量，露攀爻磁毽空阔矢鬣，港怒疆定予毫隧瓣影璃，弱矿可 由空间电压矢量对对间积分得到。 矿= p 西= 晤( + 倒。+ 口2 虬渺= 詈。+ 口虬+ d 2 纵) ( 。_ 3 ) 其中妒。，甄，y 。满足如下关系： ”括等 l y 。j = 妒m ( 3 4 ) 、ll，、， 书 霈 ，2 3 4 3 出 一 一 咖引 耐 ，。、，l n n s s 芹 霈 ，2 3 4 3 毋 一 一 l | 卜卜 n n 其中，y 。为电机磁链的幅值，即为理想磁链圆的半径a ”据告 b s ， 将式( 3 1 ) 代入式( 3 2 ) 中，得到理想供电电压下的电机空间电压合成矢 量 “= 2 u 。p 一“ ( 3 6 ) 将式( 3 4 ) 所示三相轴系的磁链进行坐标变换，即三相a b c 轴系变换到图 d - q 轴系，其变换式为 1一三 。鱼 将式( 3 7 ) 代入式( 3 4 ) 进行变换，得到d - q 轴系的磁链矢量 ，rs i n 目 y d q ( 目) = l ：l = y m f c 。s p l 3 _ 8 ) 由式( 3 - 5 ) 、式( 3 8 ) 可知，当电压频率比u f 为常数时，磁链圆半径y 。为常 数，这样，随着目( t ) 的变化，磁链矢量甄。( 口) 就形成一个以妒，为半径的圆形轨 迹，得到一个理想磁链圆。电压矢量的相位超前磁链矢量9 0 度，在空间上其理 想轨迹也是一个圆。磁链空间矢量的扇区划分是以电压矢量正六边形各边中点 为界，空间上滞后电压矢量扇区9 0 度来确定的。 三相p w m 逆变电路的拓扑结构如图3 1 ，定义三个开关函数s 。、s ，、s 。， 其中s 。为逆变桥最左边的桥臂，s ，为逆变桥的中间桥臂，s 。则为逆变桥最右 边的桥臂。当s u = 1 代表该桥臂的上桥臂开关管v 1 导通，当s u = 0 时则代表此 桥臂的下桥臂开关管v 4 导通。s 。、s 。与此意义相同。对于1 8 0 0 导通型逆变