（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp及fpga的级联型多电平逆变器研究与设计.pdf

原创性声明 y 1 7 9 心叭0 哪! m 3 矾7 帆 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：量! 丑。 日 期：绌：点：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名：啦日 期：坦坠苎：矽 山东大学硕士学位论文 目录 目勇毛i c o n t e n t s i i i 摘要v a b s t r a c t v i 第一章绪论。1 1 1 课题背景及意义。1 1 2 多电平逆变器的拓扑结构2 1 3 多电平逆变器p w m 控制技术6 1 4 多电平逆变装置的研究现状与发展趋势1 0 1 5 本文研究的主要内容1 1 第二章级联型多电平逆变器原理及仿真1 3 2 1 级联型多电平逆变器的拓扑结构1 3 2 2 级联型多电平逆变的p w m 控制技术16 2 2 1 三角载波移相p w m 控制16 2 2 2 输出分析1 9 2 3 级联h 桥型多电平逆变器的m a t l a b 建模与仿真2 4 2 3 1 系统仿真模型2 5 2 3 2 仿真结果2 7 2 4 本章小结3 2 第三章级联型多电平逆变器硬件设计3 4 3 1 系统总体硬件设计3 4 3 2 主电路硬件设计3 5 3 2 1 功率单元电路设计3 5 3 2 2 驱动电路和保护电路设计3 6 3 2 3 直流电源电路设计3 9 3 3 控制电路硬件设计3 9 山东大学硕士学位论文 3 3 1d s p 工作电路设计4 0 3 3 2f p g a 工作电路设计4 3 3 3 - 3 输入显示电路设计4 6 3 3 4 保护电路设计4 7 3 4 硬件抗干扰设计4 8 3 5 本章小结4 9 第四章级联型多电平逆变器控制系统软件设计5 0 4 1 三角载波移相p w m 算法的实现方法5 0 4 2d s p 软件设计5 2 4 2 1d s p 开发环境5 3 4 2 2d s p 主程序设计5 3 4 2 3d s p 与f p g a 接口程序设计5 5 4 2 4d s p 输入显示程序设计5 6 4 3f p g a 软件设计5 7 4 3 1f p g a 软件开发环境5 8 4 3 。2f p a g 接口模块设计6 0 4 3 3f p a g 读写控制器模块设计6 1 4 3 4 正弦波发生器模块设计6 4 4 3 5 三角载波发生器模块设计6 6 4 3 6p w m 发生器模块设计6 7 4 3 7f p g a 程序设计注意事项6 9 4 4 实验结果与分析7 0 4 5 本章小结7 2 第五章总结及展望7 3 附录7 5 参考文献。7 6 致谢8 0 攻读学位期间发表的学术论文8 1 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s i i i a b s t r a c t ( c h i n e s e ) v a b s t r a c t ( e n g l i s h ) v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2t o p o l o g yo f m u l t i l e v e li n v e r t e r 2 1 3p w m t e c h n i q u eo f m u l t i l e v e li n v e r t e r 6 1 4r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c y 10 1 5m a i nw o r k s 1 1 c h a p t e r2p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o no fc a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r 13 2 1t o p o l o g yo f c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r 1 3 2 2p w m t e c h n i q u eo f m u l t i l e v e li n v e r t e r 1 6 2 2 1p h a s es h i f t e d c a r r i e rp w m 16 2 2 2a n a l y s i so fo u t p u t 19 2 3 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o fc a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e rb a s e do n m a t l a b 。2 4 2 3 1s y s t e mm o d e l i n g 2 5 2 3 2s i m u l a t i o nr e s u l t s 2 7 2 4s u m m a r yo f t h ec h a p t e r 3 2 c h 匕心t e r3h a r d w a r eo fc a s c a d e dm u l t i l e v e ld e r t e r 。3 4 3 1o v e r a l lh a r d w a r ed e s i g n 3 4 3 2h a r d w a r ed e s i g no fm a i nc i r c u i t 3 5 3 2 1d e s i g no f b a s i cp o w e rc e l l 3 5 3 2 2d e s i g no f d r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t 3 6 3 2 3d e s i g no fd cp o w e r 3 9 3 3h a r d w a r ed e s i g no f c o n t r o lc i r c u i t 3 9 i i i 山东大学硕士学位论文 3 3 1d e s i g no f d s pc i r c u i t 4 0 3 3 2d e s i g no f f p g ac i r c u i t 4 3 3 3 3d e s i g no fl n p u ta n dd i s p l a yc i r c u i t 4 6 3 3 4d e s i g no f p r o t e c t i o nc i r c u i t 4 7 3 4a n t i - j a m m i n gh a r d w a r ed e s i g n 4 8 3 5s u m m a r yo f t h ec h a p t e r 4 9 c h a p t e r4s o f t w a r eo fc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc o n t r o l s y s t e m 5 0 4 1r e a l i z a t i o nm e t h o do f p h a s es h i f t e dc a r r i e rp w m 5 0 4 2s o f t w a r ed e s i g no fd s p 。5 2 4 2 1d s pd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 5 3 4 2 2m a i np r o g r a mo fd s p 5 3 4 2 3i n t e r f a c ep r o g r a mb e t w e e nd s pa n df p g a 5 5 4 2 4i n p u ta n dd i s p l a yp r o g r a mo fd s p 5 6 4 3s o f t w a r ed e s i g no ff p g a 5 7 4 3 if p g a d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 5 8 4 3 2d e s i g no f i n t e r f a c em o d u l e 6 0 4 3 3d e s i g no f r e a da n dw r i t ec o n t r o l l e rm o d u l e 6 1 4 3 4d e s i g no fs i nw a v ec r e a t o rm o d u l e 。6 4 4 3 5d e s i g no f t r i a n g l ew a v ec r e a t o rm o d u l e 6 6 4 3 6d e s i g no f p w m c r e a t o rm o d u l e 6 7 4 3 7a t t e m i o md u r i n gp r o g r a m m i n g 6 9 4 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 7 0 4 5s u m m a r yo f t h ec h a p t e r 7 2 c h a p t e r5c o n c l u s i o na n do u t l o o k 7 3 a p p e n d i x 7 5 r e f e r e n c e s 7 6 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 0 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gt h ed e g r e e 8 1 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 多电平逆变器已成为当前电力电子技术研究的热点之一。其中，级联型多电 平逆变器是由若干个基本逆变单元( 例如h 桥逆变器) 通过级联组成的单相或三 相逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成， 形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压。由于整个逆变任务 的高压大功率输出是由多个逆变单元串联完成的，与非级联电路相比受开关管功 率和耐压限制的影响小，同时减小d v d t 和输出电压中的谐波成分所导致的损耗 及干扰等问题。近年来，由于级联多电平逆变器的上述优点，在中高压调速、电 力有源滤波器等应用中已引起了电力电子行业的极大关注，成为中高压能量变换 的首选方案。 “ 本文从理论分析、系统仿真和实际实验等多方面对级联型多电平逆变电路进 行分析研究，设计了一套以d s p 与f p g a 为控制核心的三相5 电平h 桥级联型 多电平逆变器的硬件实验平台。以t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2d s p 为主控芯片，通过 a l t e r af p g a 产生多路p w m 驱动脉冲，控制e x b 8 4 1 驱动芯片驱动h 桥级联 型多电平逆变器i g b t 主回路。 一 本文首先介绍了多电平逆变器的拓扑结构及触发脉冲p w m 控制策略，以级 联型多电平逆变器为研究对象，分析了三角载波移相p w m 控制策略下输出电压 及谐波成分，并通过m a t l a b s i m u l i n k 算法仿真实验加以验证。然后，设计了 i g b t 主电路及d s p 与f p g a 控制电路，对比几种触发脉冲产生方法，采用直接 数字频率合成法设计了通用p w m 调制模块，用f p g a 实现算法及多路p w m 通 道扩展。最后对实验波形进行了分析，给出了实验结论。 关键词：多电平逆变器；载波移相p w m ；d s p , f p g a v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i l e v e li n v e r t e rs t r u c t u r e sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a rf o rh i g hp o w e r a p p l i c a t i o n si nm o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yr e s e a r c h a m o n gt h e m ，t h e c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e ri sb a s e do nan u m b e ro fb a s i cc e l l s ( i e ，h b r i d g e m v e n e oc o n n e c t i n gi ns e r i e st of o r mas i n g l e p h a s eo rt h r e e - p h a s ei n v e r t e r e a c h b a s i cc e l lc a l lp r o d u c es q u a r ev o l t a g ew a v eo rs t e pv o l t a g ew a v e ，a n dc r e a t em o r e l e v e l s t e p so ft h e w a v et oa p p r o x i m a t et h e s i n eo u t p u tv o l t a g et h r o u g ht h e s u p e r p o s i t i o no ft h eo u t p u tw a v e f o r ms y n t h e s i s t h ei n v e r t e ri sc o n s t r c t e db yt h e b a s i cc e l l i ns e r i e st oc o m p l e t et h eh i g hv o l t a g ep o w e ro u t p u t c o m p a r e dw i t l l n o n - c a s c a d e dc i r c u i t s ，t h es w i t c hc o m p o n e n t sp o w e ra n dv o l t a g es t r e s so fc a s c a d e d i n v e r t e ra r en o tl i m i t e d m e a n w h i l ei tc a l ld e c r e a s e 如| d la n da c h i e v ei m p r o v e d h a r m o n i cp e r f o r m a n c ef o rt h em o d u l a t i o no fc a s c a d ei n v e r t e 硌a st h ea d v a n t a g e s m e n t i o n e da b o v e ，i nr e c e n ty e a r s ，t h ec a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rh a sa t t r a c t e dg r e a t a a e n t i o ni nt h ea p p l i c a t i o na r e a ss u c ha sh i g hp o w e rc o n v e r t e r s ，a cd r i v e s ，a n dp o w e r a c t i v eh a r m o n i cf i l t e r s i ti sb e c o m i n gt h ef i r s tc h o i c ei nt h eh i g hv o l t a g ee n e r g y c o n v e r s i o na p p l i c a t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s y s t e ms i m u l a t i o na n da c t u a l e x p e r i m e n t so fc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r , d e s i g na5l e v e lc a s c a d e dh - b r i d g e m u l t i l e v e li n v e r t e rh a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nd s pa n df p g a t h e m a i nc o n t r o l l e r , t m s 3 2 0 l f 2 81 2d s p , i sr e s p o n s i b l ef o rt h ew h o l es y s t e mc o n t r o l ， a n de p1c 6 t14 4 c 8 ，t h ec o p r o c e s s o r , r e a l i z e st h ed i g i t a lp w mm o d u l ea n dp r o d u c e s m u l t i c h a n n e lp w m d r i v i n gp u l s e t h e ni tc o n t r o l st h eh b r i d g ed r i v e rc h i p se x b 8 4 1 t od r i v ei g b tm a i nc i r c u i t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g ya n dt h ep w m c o n t r o ls t r a t e g i e s ，c h o o s e st h ec a s c a d em u l t i l e v e li n v e r t e ra s t h eo b j e c to fs t u d y , a n a l y s e st h ep h a s es h i f t e dc a r r i e rp w m c o n t r o ls t r a t e g yo ft h eo u t p u tv o l t a g ea n d h a r m o n i c ，a n dv e r i f i e st h er e s u l t st h r o u g hm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o na l g o r i t h m v i 山东大学硕士学位论文 s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h ei g b t m a i nc i r c u i ta n dd s pa n df p g ac o n t r o lc i r c u i t ， d i r e c t ，u s i n gd i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i sd e s i g nf o rac o m m o np w i v lm o d u l a t i o n m o d u l ei nf p g a ，t h e nr e a l i z eap w mc h a n n e le x p a n s i o n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l eg i v e n k e y w o r d s ：c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ；p h a s es h i t 气e dc a r r i e rp w m ；d s p ；f p g a v n 山东大学硕士学位论文 1 1 课腰背景及意义 第一章绪论 十一五规划期间，建设节约型社会是我国经济建设发展方面的一项重要内 容。我国是一个能源消耗的大国，各行业生产生活用电需求巨大。据统计2 0 0 8 年全国电力总装机容量超过7 亿千瓦，具有节能功能的新设备和旧设备改造发展 迅速，市场潜力巨大。 在工业用电方面，相当数量的电机处于轻载运行状态，尤其是拖动风机、泵 类负载的电机运行状况更差。对于交流电动机的直接恒速拖动，由于不能实现变 频调速，每年都要造成大量的电能浪费。由于变频器可实现大的电动机的软起、 软停，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降 低无功损耗和对电网的容量要求，因此将直接恒速拖动系统改用中、高压大容量 变频调速拖动系统，就可以达到明显的节电效果。此外，中、高压大容量变频调 速系统在轧钢、水泥、造纸、煤炭等领域中的应用，可以使系统性能最佳，提高 生产效率和产品质量。同时在电气化铁路牵引系统中，大功率异步交流电动机变 频调速系统由于其在重载、高速牵引、制动及机械特性等方面的优势也已基本取 代了直流传动系统。 同时，在电力系统发电、输电、配电的过程中，由于非线性和时变负载的引 入，带来了严重的电网无功损耗和谐波污染，发展柔性交流输电和使用有源电力 滤波器消除供电系统谐波成为解决问题的有效方法。其中，采用高压大容量多电 平逆变器构成的静止同步补偿器s t a t c o m 、统一潮流控制器u p f c 及电力有源 滤波器都是最有效的治理方法【l l 。 多电平逆变器以其优越的性能已成为当前电力电子技术研究的热点之一。其 中，级联型多电平逆变器是由若干个基本逆变单元( 例如h 桥逆变器) 通过级 联形成的单相或三相逆变器。每一个逆变单元电压输出波形为方波或阶梯波，通 过输出波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出 电压。由于多个逆变单元串联完成整个逆变任务，虽然整体输出开关频率变高， 但每个逆变单元开关器件的开关频率并不高，因此与非级联电路相比开关器件承 山东大学硕士学位论文 受的电压应力减小，在高压应用中无需均压电路，同时可避免大的d v d t 所导致 的电机负载绕组之间的局部放电、加速绝缘老化等问题【1 ，2 1 。近年来，由于级联 多电平逆变器的上述优点，在中高压调速领域、交流柔性输电f a c t s 系统、电 力有源滤波器等行业中的应用已引起了电力电子行业的极大关注，成为中高压能 量变换的首选方案。因此针对多电平逆变装置开展全方面的研究，在环保、节能 等方面将具有非常大的经济效益。 1 2 多电平逆变器的拓扑结构 多电平变换器的研究最早是在1 9 8 0 年的i e e e i a s 年会上，日本长冈科技大 学的a n a b a 等人提出了中性点箝位型的三电平电路结构。其基本思想是通过一 定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对 功率逆变器件和控制电路要求都很高，最初并未受到太多关注。直到9 0 年代， 随着g t o 、i g b t 的成熟应用和i g c t 、i e c t 等新型全控型器件的先后出现，以 及以d s p 为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用开 始了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压箝位方 式，可将其大致分为二极管箝位型，电容箝位型和单元级联型三类。其均具有电 平数越高，输出电压谐波含量越低，器件开关频率低，开关损耗小，器件应力小， 无需动态均压等特点【3 】。以三电平逆变器为例，二极管箝位型三电平逆变器电路 结构如图1 1 所示。 2 图1 - 1 单相全桥二极管箝位型三电平逆变器 山东大学硕士学位论文 詈鼍窖皇暑皇! 鼍曼詈曼詈寡詈! 詈曼鼍皇詈暑曼詈詈詈曼! 詈喜詈鲁詈皇曼毫皇皇詈詈詈皂曼皇曼詈! 鲁皇詈詈曼詈曼皇毫量皇鼍! 皇鼍i ! 皇曼量基詈皇詈詈! ! 皇曼皇曼皇詈篁 该电路的每个桥臂由两个开关管串联构成。两个串联器件的中点通过箝位二 极管和直流侧电容的中点连接。电路输出吆、吃2 、0 、一2 、一吃五种电 位，多于两电平逆变器。开关管承受的关断电压是直流电压的一半，但是每一个 桥臂靠近中点的主开关管工作时间比辅助开关管多一倍。直流电容分压过程中的 均压问题也是制约该类型逆变器应用的一个障碍。目前有学者采用对中点电压进 行检测和反馈控制等方法【4 5 】，都可以有效地抑制中性点电压漂移。 相对二极管箝位型结构，电容箝位型多电平逆变器是用飞跨电容对功率开关 器件进行箝位，如图1 2 所示。该电路输出吃、吃2 、0 、一吃2 、一吃五种 电位，其中吃2 和一吃2 这两种电位是通过箝位电容c l 、g 得到的。与二极 管箝位型多电平电路相比，电容箝位型多电平逆变器在电压合成方面的开关状态 选择具有更大灵活性，而且由于飞跨电容的引进，可以通过同一电平的不同开关 组合，使直流分压电容上的电压保持平衡。但是随着电平数增加，筘位电容的数 量也大大增加。大量电容的引入不但会增加系统的复杂性，电容自身的寿命等问 题也会对整个系统的可靠性和寿命造成影响【6 j 。 v c v i i i v 1 3 、吕 _ - v 1 2 。 l v 1 4 、 o = c i r ， 一 。 【 v 2 i 。 i v 2 3 、 c 一 v 2 2 ，孑 v 2 4 t 吕 一 、 _ j 图1 2 单相全桥电容箝位型三电平逆变器 f a n gz p e n g 教授在2 0 0 0 年i e e e 工业应用协会年会上提出了一种电压自平 衡的通用多电平逆变器拓扑结构。这种通用逆变器结构可以实现直流电压自动平 衡而不需添加任何附加电路吲。单相结构如图1 3 所示。 该电路以两电平桥臂为基本单元，按照金字塔结构组成多级电路，每一级两 山东大学硕士学位论文 端的主开关管用来生成所需电平，其余开关管和二极管用来箝位和平衡电容电 压。其中每个基本单元的电压等级相同，第一级由一个基本单元组成，可以输出 两个电平；第二级由两个基本单元组成，和第一级一起可以输出三个电平，如此 类推可以构成一个有所电平的电路。基本单元可以是多种形式的电路，例如两 电平半桥式逆变电路、二极管箝位半桥式三电平逆变电路、电容箝位半桥式三电 平逆变电路等，因此可以派生出多种拓扑结构，例如只保留每一级两端开关管就 生成了电容箝位式结构。该电路具有如下特点i l 】：每一级都是独立工作的；每一 级的相邻开关器件状态都是互锁的；每一级中如果有一个开关器件的开关状态被 确定，则其余器件的开关状态就可以根据互锁原则得出。该电路可以很方便地应 用于无磁路连接、低电磁干扰等场合，例如电容投切电能变换器、双向d e d e 变 换器等。 4 四电平 ， 7 、 五电平! 图1 3 单相通用多电平拓扑结构 吕 b = v k 吕 1 再 ：v d c 凹 x t _ b v ， 再 = - v 如： u v 2 ： 淬 吕： ：v 0 ； v i ： m 电平 山东大学硕士学位论文 除了采用开关器件串联的半桥式逆变结构，采用功率单元串联叠加的级联型 逆变结构也可以实现低耐压器件完成高电压输出。级联型多电平逆变由采用独立 电源供电的桥式功率单元串联而成，无箝位元件电路，不存在直流电容均压问题， 容易实现模块化扩展，控制策略也相对简单，缺点就是需要多个独立电源，整流 器件增多。图1 4 为以h 桥电路为基本功率单元的单相5 电平逆变器，每一个功 率单元具备四种工作状态，即正向导通、反向导通、正向旁路和反向旁路状态【l j 。 还有以二极管箝位式三电平逆变器为基本功率单元的串联叠加成的多电平逆变 器，如图1 5 所示。以这两种拓扑结构为基本单元，还可以得出多种衍生结构， 例如由两种单元混合级联形式的结构，或选用不同开关器件或直流电压等级的混 合结构等。可以根据设计需求从中选取较多输出电平和较少独立直流电源的拓扑 结构，满足提高逆变器输出电压，减少开关损耗等不同要求的应用场合。 图l - 4h 桥功率单元级联型逆变器图1 5 箝位式功率单元级联型逆变器 此外，多电平逆变器还有层叠式和多重叠加式等拓扑结构。层叠式多电平逆 变器针对箝位电容体积容量增加时体积和成本过大的问题，采用层叠的方法，降 低了飞跨电容电压等级，输出电平数和层叠数目成正比。图i - 6 所示层叠式电路 有两层结构，每层有两个功率单元，输出电压的电平数为5 。与飞跨电容式5 电 平逆变器相比，电容数目及承受的电压都要小。多重叠加法是指把个输出电 山东大学硕士学位论文 压为方波的全桥电路输出电压依次移开x n ，如图1 7 所示。在输出侧通过变 压器二次侧进行串联或并联叠加，利用幅值变换和相位变化使叠加后的输出电压 为多电平阶梯波，来达到提高输出电压并改善输出波形和扩大输出功率的目的。 该方法输出侧各个逆变器之间相互绝缘，但是成本较高。 图1 6 单相5 电平层叠式多电平逆变器图1 7 多重叠加式多电平逆变器 1 3 多电平逆变器p w m 控制技术 多电平逆变器p w m 控制的主要目的是控制输出幅值、改善输出波形、优化 输出谐波等。电路拓扑结构不同，对应的p w m 控制方式也有所不同。常用的多 电平逆变器p w m 控制有消除特定谐波法、空间矢量p w m 法、载波控制p w m 法等。 消除特定谐波p w m 直接对输出方波进行p w m 变换，将输出方波中不希望 存在的低次谐波消除并控制输出基波电压的大小。这种方法需要在输出方波电压 中开出一些预先确定好角度的凹槽i s 。如图1 8 所示。 6 ) x 2矗 i 口 - 一 图1 8 消除特定谐波p w m 对于图1 - 8 所示的p w m 波形作傅立叶分析可知，其七次谐波相电压幅值表 事 o 式中有m 个变量，这些变量代表了可以用于消除特定谐波的自由度。可以列 出m 个方程去求解出m 个变量的值，其中一个方程的可以等于基波电压，其 余方程的均为0 且七选取需要消除的谐波次数。通过解方程可以解出这m 个 开关时刻的相位角。方程求解一般采用数值法迭代求解，也可以通过预先设置的 查找表格，给定电压值就能查找出睨值。但是在基波频率比较小时，查找表会比 较大。在消除指定次数谐波的同时，可能会出现其它较低次的特定谐波反而增大 的现象。 空间矢量p w m 法是一种先进的p w m 调制方法。三相多电平逆变器可以视 为一个三相电压源，当其带对称负载时，通过三相正弦电压供电，将产生旋转磁 场，用逆变器的不同开关组合产生的输出电压空间矢量去逼近参考电压的空间矢 量，形成p w m 输出电压波形。对于三相电压、和，在复平面( 实轴口， 虚轴，及零电压) 上定义一个如式( 1 2 ) 所示的空间矢量： 2 石2 石 u = 昙( - i - e u b + ( e j t ) 2 u c ) j ( 1 2 ) = i ( ( 2 u a 一一) + ，；( 一) ) 将三相电压变换到该矢量所在的复平面，即得到参考电压甜，= 【砧。，1 , 而r 、零 序电压“，。和空间矢量q 。对于一个刀个单元级联的逆变器，输出电压有 f u = 等( ( 2 颤- - s b 一) + 3 ( - s c ) ) ( 1 - 3 ) j 其中，e 为直流电源电压，s a x = a ，b ，c ) 为开关函数，每一相有( 2 n + 1 ) 种开 关状态，因此可以得到( 2 n + 1 ) 3 个电压空间矢量。以图1 1 所示结构为基本单元 的二极管筘位型三电平三相逆变器为例，n = l ，有2 7 组开关状态，如图1 - 9 所示， 每一个半桥逆变器有三种状态，“2 表示上桥臂开关器件导通，“l ”表示辅助 开关器件导通，“o 表示下桥臂开关器件导通，共有6 个长向量，6 个中向量， 7 山东大学硕士学位论文 1 2 个短向量和3 个零向量。 扇 扇 扇区2 0 2 01 2 02 2 0 j 八7 扇区1 0 2 1 1 2 1 2 2 12 1 0 徽然。一 觊影溉应 j “ y 1 一篇区6 7 厨区5 图l - 9 三相三电平空间矢量图 其中，整个平面分为6 个大扇区，每个扇区又分成4 个三角形区域，在任一瞬 间，u 都会处于一个三角形内。利用长矢量u 、中矢量和短矢量，在每 个采样周期乏内，控制、和弘使它们作用的伏秒面积之和等于参考电压矢 量作用的伏秒面积，也就是保证逆变器输出电压与参考电压向量一致，即 q = u 乏+ 乏+ u 乏 ( 卜4 ) + 乞+ f 3 = 乏 ( 1 5 ) 其中，、，2 和岛分别是u 、和u 的作用时间。常用的实现多电平空间矢 量p w m 的控制算法有采用6 0 。坐标系的空间矢量p 1 j | m 算法，或可以将多电平空间矢 量分解为若干个两电平空间矢量的组合等【1 9 1 。随着电平数的增多，空间矢量和 相应的开关状态冗余也将进一步增加，因此对系统的性能要求比较高。 载波控制法是一种简单有效的方法。基于载波调制的p w m 方法是直接以三 相的参考电压作为调制波来形成各个开关器件的驱动信号。典型的载波p w m 控 制方法有三角载波层叠法和三角载波移相法等。三角载波层叠法是将多个等幅 值、同频率的三角载波层叠在一起，然后与同一正弦调制波进行比较，在采样时 刻根据正弦调制波与各个三角载波的比较结果输出不同的电平，并决定相应开关 管的开关状态。根据三角载波之间的相位关系，有同相层叠、正负反相层叠及交 8 山东大学硕士学位论文 替反相层 相层叠载波调制方式的触发脉冲和输出波形。 v 一 0溺掰徽然脱一一 一 奄沩淄簸贼国一f 、 v g l k u 国r v g l 3 n + nn nn 0 彩f _ - nv d 一 v h 分- li uuu 0 国f ， v 9 2 1 _ t 0 hi i v 9 2 分 | il | | | 国r 广i ii i 一 彩f v m i0 v k 0 10l 彩7 v 一 i v 9 3 3 0 j i l ；l 缈r - 一 v m 缈f 一 0 l 丘) f 么。 l ； um h0 l 广i 面。一9 0 。 一“ 、几n n 一缈f 图1 - 1 0 层叠载波调制方式 其中，对于零参考线以上的三角载波，当调制波大于载波时，开关器件导通： 对于零参考线以下的三角载波，当调制波小于载波时，开关器件导通。各个开关 器件的开关频率等于调制波频率与每个周期中触发脉冲数目的乘积，所以每个开 关器件的频率都不相同。为了使得各个开关器件的开关和导通损耗接近，各个功 率单元的开关方式需要进行周期性的轮换。 三角载波移相法是采用个相位不同，但幅值和频率相同的三角载波，调制 信号采用幅值和频率都可调的正弦波。通过对调制波和载波进行比较，生成 组p w m 波形，并分别去控制个逆变桥，然后再叠加形成多电平p w m 波形。 与其它p w m 控制方法相比，载波移相法在任何调制比，开关器件可以保持相同 9 山东大学硕士学位论文 的开关频率；由于各级单元桥的输出电压p w m 波形基本保持一致，因此单元桥 之间没有输出功率不平衡的问题；与主电路的模块化结构相一致，三角载波移相 法中针对各个功率单元的载波和调制波也可采用模块化实现【l 2 j 。对于级联型多 电平逆变器，当电平数比较多时，从简化算法来看，使用载波移相p w m 方法是 一种比较好的选择【1 0 l 。鉴于这些优点，三角载波移相p w m 方法已经成为h 桥 级联型多电平逆变器的标准控制方法。在后面的章节会对其输出波形和谐波影响 作进一步数学分析。 1 4