（电力系统及其自动化专业论文）三电平逆变器空间电压矢量调制算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t s i n c et h eb e g i no ft h e218 c e n t u r y , t h er e s e a r c ha n de x p l o i t u r eo f t h r e e - l e v e li n v e r t e rh a sb e e no b t a i n e daf a r r a n g i n ga t t e n t i o ni np o w e r e l e c t r o n i c sa n df l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m f i e l d s t h i st h e s i s s u m m a r i z e st h ea c t u a l i t yo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r sr e s e a r c ha n de x p l o i t u r e i n c l u d e dt h et o p o l o g ys t r u c t u r e ，t h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ， t h eb a l a n c es t r a t e g yo fn e u t r a l - p o i n tv o l t a g ea n dt h ee l i m i n a t i o no fn a r r o w p u l s ew i d t ht h r o u g hr e a d i n gl o t so fr e f e r e n c ep a p e r s t h et h e s i si so r g a n z d a sf o l l o w s ： c h a p t e r2s y s t e m a t i c l ya n a l y s e s t h ei n h e r e n tp r o p e r t ya n db a s i c w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h r e e l e v e li n v e r t e rb a s e do nd i o d e c l a m pt h e r e e l e v e l i n v e r t e rt o p o l o g ys t r u c t u r e i tp r e s e n t st w ok i n d so fc o n t r o la l g o r i t h m st o f u l f i l lt h i ss y s t e m ，d e t a i l l yc o m p a r e sd - gr e f e r e n c ef r a m ea r i t h m e t i cw i t hg h r e f e r e n c ef r a m ea r i t h m e t i co fs p a c ev e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n a r i t h m e t i c s t h e o p t i m i z e dg h r e f e r e n c ef r a m es v p w ma r i t h m e t i ci s s t r e s s l ya n a l y z e d ，w h i c ha v o i d sam a s so fo p e r a t i o n sa n do p t i m i z e st h er o l e o r d e ro fs w i t c hv e c t o r s w ec a nc a l c u l a t et h ed u r a t i o nt i m eo ft h eb a s i c v e c t o r ，j u s tt h r o u g hs o m es i m p l ea r i t h m e t i co p e r a t i o n s c h a p t e r3 s t u d i e st h ec a u s a t i o no fc a p a c i t a n c ev o l t a g e si m b a l a n c e b e l o n g st od i r e c tc u r r e n ts i d e so fd i o d e c l a m pt h r e e - l e v e li n v e r t e r t h e n ，i t d i s c u s s e sr e l e v a n tn e u t r a l - p o i n t - b a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g ya c c o r d i n gt ot h e t w od i f f e r e n tc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s a tt h es a m et i m e ，i t p r e s e n t st h e c o n c r e t ei m p l e m e n tp r o c e s sw i t hf u l la n da c c u r a t ed a t aa n dd i a g r a m s c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fn a r r o wp u l s ew i d t ha n dh o wt o d i s t i n g u i s ht h en a r r o wp u l s ew i d t h i ts t u d i e st h ec a u s a t i o no ft h en a r r o w p u l s ew i d t ha n dp r e s e n t st h ec o n c r e t ei m p l e m e n tp r o c e s st oe l i m i n a t et h e n a r r o wp u l s ew i d t h c h a p t e r5s i m u l a t e st h et w ok i n d so fa l g o r i t h ma n dc o r r e s p o n d i n g n e u t r a l p o i n t b a l a n c e a n de l i m i n a t i o no fn p wc o n t r o l s t r a t e g y w i t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i l 页 m a t l a b i tc o m p a r e st h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea n a l y s e dt w ok i n d s o fa l g o r i t h m s t h ed e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h eg hr e f e r e n c e f r a m es v p w ma r i t h m e t i ci sf e a s i b l ea n ds u p e r i o rt oa t t a i np e r f e c ts i n e w a v ea n dt oc o n t r o ln e u t r a l p o i n t b a l a n c e ，b e s i d e st h en a r r o wp u l s ew i d t hi s a l s op r i m e l ye l i m i n a t e d k e y w o r d = t h r e e l e v e li n v e r t e r ；s p a c ev o l t a g ev e c t o r ；n e u t r a l p o i n t b a n l a n c e ； n a r r o wp u l s ew i d t h ；m a t l a bs i m u l a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文对基于d q 坐标系s v p w m 算法进行了详细的分析，基于g ，h 坐标系s v p w m 算法下采用直流侧中点电流方向和中点电压的检测进行 补偿的中点平衡控制策略。通过算法原理、实现步骤以及仿真结果的分 析，可以对比得出基于g h 坐标系s v p w m 算法思路和逻辑简单清晰， 能够很方便地求出基本矢量及其作用时间，逆变器的输出电压和电流波 形更为理想，很逼近正弦波，中点电位脉动较小，电磁转矩的动态响应 快，转速稳态时能够准确跟踪系统给定值，定子磁链的轨迹也非常近似 于圆形轨迹，因此是一种新的比较好的空间矢量p w m 控制算法。 j 穷磊 扒 西南交通大学曲南父迥大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或结构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 嗍：叩六二 指导老师签名 日期： 3 1 “p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着工业和科学技术的发展，电力电子技术取得了蓬勃发展，各种 各样的技术手段层出不穷。这给人们的生产、生活等各个领域带来了翻 天覆地的变化，大到大型的风力发电站、光伏发电系统和直流输电网络， 小到手机充电器和笔记本电脑的适配器等，毫无疑问逆变器技术在其中 起到了重要的作用【1 】【2 】。从目前所见到的相关报道看，工业、电力、交 通、新能源及其它一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求愈加 迫切，因此研究的背景和意义在于1 3 】： ( 1 ) 、改善电能质量的需要：目前我国电网电压和电流存在严重的质 量问题，其形成原因很复杂。比如电网容量的不足、输变电和各种配电 设备性能问题、设备间的相互影响以及配电系统中各种非线性负载的增 加、电力电子设备的广泛应用、地电和人为因素的影响等使得市电电能 供应的直流在逐渐恶化，其中主要是市电电压的波动、谐波、闪变、以 及市电电流中的无功与谐波分量的影响。多电平逆变技术由于本身具有 输出电压波形好、输出谐波小等优点，采用多电平逆变器制成的静止无 功功率补偿器、电力有源滤波器、综合潮流控制器、直流输电的整流器 以及与此相关的技术等可以构成柔性输电系统，提高电网电能质量。在 风力发电和太阳能发电等方面可通过高压多电平逆变器入网，可以起到 清洁能源的作用。因此研究开发多电平逆变器是电力系统中提高电能质 量发展的需要，也是新的发展趋势。 ( 2 ) 、提高电气传动系统性能的需要：在传统工业技术改造场合，高 压大功率交流电机变频调速正在被推广应用，并逐步取代直流电机调速 技术占到了主导地位。交流电机调速技术已经广泛应用在造纸、冶金、 船舶、化工、铁路和水泥等行业。交流电机调速系统的应用，不仅可以 节能；也可以显著提高整个系统的性能，改善工艺条件，大大提高产品 直流和生产效率。 ( 3 ) 、电力电子技术发展的需要：电力半导体器件是现代电力电子设 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 各的核心，他们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或 不同频率的电能进行交直、直直、直交和交交变换。这种开关模式的 电力电子变换具有较高的效率，但它们不是理想的开关，都具有导通和 开关损耗，因此仍需要对逆变器的性能做进一步的优化。现在应用的电 力半导体器件一般可归为晶闸管( s c r ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、门极关断 晶闸管( g t o ) 、双极结型晶体管( b j t ) 、电力m o s f e t 、静电感应晶体管 ( s i t ) 、绝缘双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、集成门极换 向晶闸管( i g c t ) 等。虽然目前已研制出用于高压的电力半导体器件，但 是耐压等级与期望值之间仍有差距，且耐压越高制造技术也越复杂，因 此必须在电力电子变换领域寻求新的逆变器拓扑结构，多电平逆变器就 是一种可以解决上述诸多难题的有效方法。 ( 4 ) 、节能和环保的需要：据了解，我国中高压电机装机容量为1 8 5 亿千瓦左右，电动机的年生产量为5 0 0 万千瓦。一般来讲中高电压变频 调速能够平均节能3 0 ，节约的能量相当于多建l0 个3 0 万千瓦的电站， 可为国家节约电厂投资约2 0 0 亿元【4 】。随着人们节能意识的增强以及市 场利益的导向，多电平逆变器产品具有广阔的市场前景，必将愈来愈受 到政府和企业的重视。 ( 5 ) 、经济发展的需要：随着我国经济的迅猛发展，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进步，但和工业发达国家相 比我国逆变技术积累的较少。国外生产厂家出于技术保密很多关键技术 都不对外公开，这更加大了我们国内的开发难度，一方面经济发展需要 高性能三电平逆变系统，另一方面这一技术仍存在诸多难题。因此对大 功率三电平逆变器调制进行深入研究以适应社会经济发展的需要，无论 在技术上还是在实际应用上都有十分重要的意义。 1 2 三电平逆变器调制技术的研究现状 目前国外的一些电气公司如瑞士的a b b 、德国的s i m e n s e 、美国的 g e 和意大利的a n s a l d o 都推出了各自的高压大容量多电平逆变器，这标 志着逆变器技术在国外已趋于成熟。对国内来说，高压大容量逆变器方 面的研究和应用和国外对比起来还有很大的差距”】。国内三电平逆变器 的研究可以说是刚起步阶段，从理论上来看，目前仅是对国外产品的简 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 单应用并没有深入研究原理和实现细节；从生产上来看，国内虽然已有 先行、凯奇、利德华福等公司生产自己的产品，但还远没有成熟和形成 规模【6 】。 1 2 1 三电平逆变器拓扑结构 德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年提出了三电平逆变器的电路拓扑，其中每 相桥臂带一对开关管，以辅助中点箝位。19 8 0 年日本学者n a b a e 在此基 础上继续发展，将这些辅助开关管变为一对二极管，分别与上下桥臂串 联的主管中点相连，以辅助中点箝位【7 】。该电路比前者更易于控制，且 主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。从目前所见到 的各种主电路拓扑结构来看，可归结为3 种基本的拓扑结构： ( 1 ) 二极管箝位型逆变器【5 】【8 】 优点：a 电平数越多，输出电压谐波含量越少 b 开关损耗较小，效率较高 c 可控制无功功率流 缺点：a 需要大量筘位二极管 b 存在电容电压不平衡问题 ( 2 ) 飞跨电容型逆变器【5 儿9 】 优点：a 电平数越多，输出电压谐波含量越少 b 开关损耗较小，效率较高 c 可控制无功功率流，可用于高压直流输电 缺点：a 需要大量的箝位电容 b 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大 c 存在电容电压不平衡问题 ( 3 ) 具有独立直流电源的级联逆变器【1 0 】【1 1 】 优点：a 电平数越多，输出电压谐波含量越少 b 开关损耗较小，效率较高 c 无需箝位二极管和电容，易于封装 d 基于低压小容量变换器级联的组或方式，技术成熟易于模块化 e 不存在电容电压平衡问题 缺点：需多个独立电源，不易实现四象限运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 以上三种主要拓扑结构各有优缺点，飞跨电容式虽然不需要筘位二 极管，但是该拓扑结构引入大量的箝位电容，影响了系统的可靠性，造 价高，且抑制电容电位漂移的冗余矢量选择也使得控制算法尤为复杂； 级联型逆变器引入了独立直流源，造成逆变器不适合四象限运行；二极 管箝位型多电平拓扑结构运用最为广泛，它能有效地提高换流系统的耐 压、降压输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中得到普 遍重视，本文以二极管箝位型三电平逆变器为主要研究对象。 1 2 2 脉宽调制技术 所谓多电平逆变器的脉宽调制技术( p w m 技术) ，是指利用半导体开 关器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现 多电平逆变器的变频、变压并有效控制和消除谐波的技术。p w m 技术 从最初的追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通正弦；从 效率最优，到转矩脉动最小，再到消除噪声等，p w m 技术经历了和正 在经历一个不断创新和完善的过程。从目前的资料看，三平逆变器主流 的控制策略有正弦波p w m 法、特定消谐波p w m 法、空间矢量p w m 法等【12 1 。 正弦波p w m 调制法是一种比较成熟的，目前使用较为广泛的p w m 方法。s p w m 法就是以采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加 载到具有惯性的环节上时，其效果基本相同为理论基础，用脉冲宽度按 正弦规律变化和正弦波等效的p w m 波形。即s p w m 波形控制逆变器电 路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦 波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可以调 节逆变电路的频率和幅值【l3 1 。该方法具有简单直观等优点，但缺点是功 率管的开关频率高，开关损耗大，装置效率低等。 特定消谐波p w m 方法通过开关时刻的优化选择，可以在较低的开 关频率下，产生最优的输出电压波形，从而减小了电流波纹和电机的脉 动转矩。它的优点是算法简单且特定消谐实现容易，但缺点是直流电压 利用率较低。文献 1 4 介绍了特定消谐p w m 的算法，提出算出各个频率 对应的开关角度存入内存，实际运行中查表产生p w m 控制信号。由于 这种方法必须要采用牛顿迭代法解一系列的超越方程组，这就决定了运 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 算要花费较多的时间，不利于在线计算，因此这种方法在很多动态要求 高的场合并不适用。文献【15 以三电平配电网静止无功补偿器应用为对 象研究了一种特定谐波消除算法。 常规s v p w m 方法需要进行复杂的三角函数和坐标旋转运算，计算 量大，复杂的算法对高精度实时控制产生了不可忽略的影响 1 6 1 。文献 【1 7 】 1 8 使用了一种空间矢量的扇区标号简化计算判别方法，对开关矢量 时间的计算是三轴旋转到两轴坐标后经过条件判断并计算得到。其算法 中有无理数的近似运算、绝对值的运算、坐标旋转运算等。文献 1 9 得 出了经典的s v p w m 实质是对注入了零序分量的三相调制波进行规则采 样的一种变型s p w m 的结论。文献 2 0 采用非正交的6 0 。坐标系，这 种坐标系有助于简化参考矢量的合成和作用时间的计算。这种s v p w m 方 法的实现过程主要有以下几步：1 ) 、通过坐标变换将筇正交坐标系转换 为6 0 。非正交g j j l 坐标系；2 ) 、将参考电压矢量转换到6 0 。非正交曲 坐标系并选择合成矢量；3 ) 、求解线性方程组取得各矢量的作用时间； 4 ) 、根据控制性能要求选取开关状态。文献 2 1 】针对目前多电平空间矢 量调制方法计算十分复杂的问题，提出了一种新型的基于参考电压矢量 分解的多电平逆变器空间矢量调制方法。s v p w m 法是较为优越和应用 广泛的一种逆变器调制策略，其优越性表现在：在大范围的调制比内有 很好的性能，无须其它控制方法所须的大量角度数据，母线电压利用率 高等。s v p w m 调制方法的研究是三电平逆变器研究的一个热点问题， 现在的研究主要集中在：矢量发生技术的简化和优化、中点电位的控制、 窄脉冲的消除、开关损耗、过调制等方面。本文将在以后章节中详细地 论述。 归纳起来，这些p w m 调制技术的主要目标是【2 2 】：1 ) 输出电压的控 制，即逆变器输出的脉冲序列中伏秒意义上与参考电压波形等效；2 ) 逆 变器本身运行状态的控制，包括电容电压的平衡控制、输出谐波控制、 所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。 1 2 3 中点电位和窄脉冲问题 由于调制策略的不同或是负载的不平衡或者负载边的干扰，流入母 线中点的平均电流不可能为零，使得母线电容的电压分配不均，最终使 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 输出电压发生畸变，甚至严重时造成开关器件的过压损坏，造成输出电 压中含有偶次谐波，众多学者针对这个问题进行了研究。 文献 2 3 2 4 对基于载波的方法讨论了中点电位的控制方法，基本 思路是在参考电压中引入合适的直流偏移从而改变流入中点的相电流或 流入方向并最终控制点电位。文献 2 5 2 6 利用检测中点电流的方向同 时考虑不同功率因数时中点电位的控制方法，该方法实现算法比较复杂， 同时动态响应较差。文献 2 7 2 8 引入平衡因子方法，检测电压和负载 电流，通过调整小矢量的时间分配因子对中点电位的控制，此方法由于 电容电压动态变化，时间分配因子大小难以确定。文献 2 9 3 0 采用在 一定容差范围内切换正小矢量和负小矢量以维持电容电压不至于饱和， 其开关次数增多，损耗也随之加大。 在多电平逆变器中的开关器件，其物理特性所决定的开通关断时间 有限定，因此控制脉冲的宽度必须大于最小限度( 如1 0 01 ts ) 否则将会 丢失输出脉冲，造成输出波形畸变【3 。文献 3 2 提出通过对参考电压矢 量使用非相邻的3 给或者4 个矢量进行合成的方法来避免窄脉冲的出现， 但是会带来一些新的问题，如增加了输出谐波和增加了控制的复杂度。 三电平逆变器存在的窄脉冲问题如果处理不好，会使低频输出电压谐波 增大，影响电机低速的性能【3 3 】【34 1 。 1 3 本文研究的主要内容 三电平逆变器在工业、电力、交通、新能源及其它一些相关领域等 领域的重大节能和环保效果，国内对三电平逆变器需求旺盛但对其理论 的研究和实际的产品都还不成熟。本文以二极管箝位型三电平逆变器为 主要研究对象，研究成果可以推广到更高电平的应用以及其他形式的拓 扑应用中去。研究的内容和完成的工作主要有： l 、对课题研究的背景及意义、三电平逆变器拓扑结构、脉宽调制技 术、中点电位平衡及窄脉冲消除等关键性问题的研究现状进行了综述。 2 、重点研究空间矢量控制技术的三电平逆变器基本原理及其算法讨 论两种不同坐标系下的调制算法来实现：基于d ，q 坐标系s v p w m 算法 和基于g j j l 坐标系s v p w m 算法。研究及阐述了这两种算法各自的具体 实现步骤，主要包括参考电压矢量所在大扇区的判断、所在小三角形区 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 域判断、开关矢量作用时间计算、开关矢量作用顺序等，并以详实的数 据和图表论证此两种算法的正确性和可行性。 3 、通过对三电平逆变器中存在的中性点电压不平衡问题进行深入研 究，分析中点电位偏差、电压矢量、中点电流等因素下的中点电压不平 衡对算法的影响，分析了基于d q 坐标系s v p w m 算法下基于控制因子 m 的滞环比较法中点平衡控制策略和基于g h 坐标系s v p w m 算法下直 流侧中点电流方向和中点电压的检测进行补偿的中点平衡控制策略，并 给出其具体实现过程。 4 、由于器件特性的差异，每种器件必须对脉冲的最小宽度进行限制。 本文对窄脉冲判别方法、窄脉冲的产生机理以及基于g h 坐标系s v p w m 算法下窄脉冲的消除方法进行分析。 5 、通过m a t l a b s i m u l i n k 软件对本文分析的两种坐标系下的 s v p w m 算法和相应的中点平衡及窄脉冲消除策略进行仿真验证，并对 结果进行详细的对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章二极管箝位三电平逆变器s v p w m 算法 2 1 引言 二极管筘位型三电平拓扑结构，能有效地提高换流系统的耐压、降 低输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中得到普遍重视。 在各种调制策略中，s v p w m 方法具有很多优点：1 、在大范围调制比内 具有良好的性能；2 、无需存储大量数据，易于数字化实现；3 、具有较 小的输出谐波含量和较高的电压利用率。s v p w m 方法的基本原理是【3 5 】： 设定某一特定的角频率，使参考电压矢量矿在空间中旋转，当到达空间 矢量图某一个小三角形区域的时候，系统就选定该区域的三个基本电压 矢量，并以这些矢量对应的开关状态去驱动相应主电路中的功率开关元 件。如此进行下去，等到参考矢量旋转一圈后，在主电路中控制功率开 关器件也完成一个周期的工作量，相应的输出一个周期的正弦波【36 1 。但 是在实际的操作中将面临着各种问题，比如：如何有效的对功率器件进 行有效组合，来减少功率开关损耗? 如何应对中点电位不平衡问题? 如 何消除窄脉冲问题? 本文将在下面的章节中分别研究讨论这些问题。 2 2 二极管箝位式三电平逆变器的工作原理 2 2 一三电平逆变器的拓扑结构分析 图2 一l 为二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构图，它由2 个输入 电容，1 2 个开关管，1 2 个续流二极管，6 个箝位二极管组成。2 个输入 电容c 1 ，c 2 均分直流侧输入电压c ，每个电容上的电压为y d 。由于 箝位二极管的作用，每个开关管在关断时所承受的电压为电容电压即 场，因此三电平逆变器可以在不增加器件耐压等级的情况下成倍的提 二 高输入电压。根据三电平逆变器的定义，逆变器的每相桥臂的4 个主开 关管有3 种不同的通断组合，对应3 种不同的输出电位，用p ，o ，n 符 号相应表示，对于三电平逆变器来说，每一相可以有三种开关状态，定 义每相的开关函数为s i ( i = a 、b 、c ) 为三值函数【2 6 】【28 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构 以输出相电压a 相为例( b 、c 相类似) ，分析图示三电平逆变器主 电路工作原理，并假设器件均为理想器件，不计其导通管压降【2 5 】【3 4 】【37 1 。 定义负载电流由逆变器流向电机或其它负载时的方向为正方向。 、当给t t 1 2 触发脉冲导通，t 1 3 ，t 1 4 关断时，若负载电流为 正方向，则电源对电容c 1 充电，电流从p 点流过主开关管t 1 1 ，t 1 2 ，该 相输出端电位等同于p 点电位，输出电压v = + 场必；若负载电流为负方 二 向，则电流流过与主开关管t 1 l ，t 1 2 反并联的续流二极管d 1 l ，d 1 2 对电 容c l 充电，电流注入p 点，该相输出端电位仍然等同于p 点电位，输 出电压v = + d 以。 ，二 、当给t 1 2 ，t l3 触发脉冲导通，t t 1 4 关断时，若负载电流为正 方向，则电源对电容c l 充电，电流从o 点顺序流过钳位二极管d l ，主 开关管t 1 2 ，该相输出端电位等同于。点电位，输出电压v = 0若负载 电流为负方向，则电流顺序流过主开关管t 1 3 ，箝位二极管d 2 ，电流注 入。点，该相输出端电位等同于o 点电位，输出电压v = 0 ，电源对电容 c 2 充电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 、当给t 1 3 ，t 1 4 触发脉冲导通，t 1 1 ，t 1 2 关断时，若负载电流为 正方向，则电流从n 点流过与主开关管t 3 ，t 1 4 反并联的续流二极管d 1 3 ， d 1 4 对电容c 2 充电，该相输出端电位等同于n 点电位，输出电压 v = 一v d ；若负载电流为负方向，则电源对电容c 2 充电，电流流过主开 关管t 1 3 ，t 1 4 注入n 点，该相输出端电位仍然等同于n 点电位，输出电 压v = 一呖。 2 2 2 三电平逆变器工作状态间的转换 各相桥臂上开关器件的驱动原则如下：对应于a 、b 、c 各相的三种 状态，为了保证各相每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，应 保证该相电位不能在+ 和一场以两种电平之间直接变化，而是通过中 性点电位进行过渡，其通态特点为：每一相总是相邻的两个开关器件导 通，其它两个器件关断，从而得到不同开关状态组合及相应的3 种输出 电压；t l l 与t 1 3 不能同时导通，它们是逻辑非的关系，同理t 1 2 与t 1 4 也是逻辑非的关系，所以在运行过程中，应始终保证每相桥臂的1 、3 管 互锁，2 、4 管互锁，即l 管导通，3 管关断。表2 1 给出了a 相电位 发生变化时，功率开关器件的工作状态。 表2 1 三电平逆变器a 相开关状态 变换前功率器件状态变换后功率器件状态 a 相状态变化 t 1 1t 1 2 t 1 3t 1 4 t a 1t 1 2t 13t 1 4 ojpo f fo no no f fo no no f fo f f p _ oo no no f fo f fo f fo no no f f o no f fo no no f fo f fo f fo no n njoo f fo f fo no no f fo no no f f 2 3 s v p w m 状态分布图啪3 m m 5 1 三电平逆变器调制系统中，开关函数s 扑s b 、s 。对三相对称系统来 说共可以组合成3 3 ( 2 7 ) 种开关状态，而每一种开关状态对应一个电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 空间矢量，因此三电平逆变器电压空间矢量共有2 7 个不同的矢量组成。 定义逆变器输出空间电压矢量为y = 詈( 乃+ e _ ，2 珞+ p _ ，4 比) ，玖、玩、 比为逆变器输出的三相相电压。在电容电压分压均匀的情况下，把三电 平逆变器输出电压带入电压矢量定义式里，可得到其矢量图，如图2 2 所示。 i i i i i 甲 y 97 n p p 以6 b o p n 0 p 0 n o n k 4 p p n d 一入刚1 0 0 w 厂7 ，y 7 譬鳓 牒n n o f k o 0 0 p n n 0 p o p 0 n 0 云，1o n p v k p 2 n ov i a q 图2 - 2 三电平逆变器的空间电压矢量分布图 通过计算分析可知道，三电平逆变器矢量图中最长的矢量幅值为 一 11 三一v d c ，其他矢量幅值依次为：v d c ，0 ，共有4 种矢量幅值。 3 3 3 图2 2 中所有空间矢量可以分类为：零矢量、小矢量( 内六边形的顶点) 、 中矢量( 外六边形边的中点) 和大矢量( 外六边形的顶点) 。6 个大矢量将 矢量空间分为i 六个6 0 0 扇区，在每一个扇区中又由其包含的各矢 量的顶点组成a b c d 四个小区域，共得到2 4 个小区域。矢量图的分析 一般按照对称的原则，所以只要分析其中i 扇区即可。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 基于d q 坐标系s v p w m 算法分析 在传统的s v p w m 方法中，我们选取筇正交坐标系，此时基本电压 空间矢量之间的角度均为6 0 。的倍数，矢量作用时间的计算需要求解复 杂的三角函数方程。这些计算涉及到三相静止坐标系( a b c 坐标系) 、 两相静止坐标系( 筇坐标系) 和两相旋转坐标系( d q 坐标系) 静止 三相到静止两相，以及静止两相到旋转两相之间的变换和逆变换。 2 4 1 a b c 坐标系至d q 坐标系的变换【3 4 】【3 5 】【3 8 】 1 、 a b c 坐标系至筇坐标系的变换( c l a r k e 变换) 参考电压矢量与相电压的关系如图2 - 3 所示。设与参考电压对应的 三相相电压为v a h ，圪，由p a r k 矢量定义： g e - - 昙( 圪+ p ，2 玢+ p ，4 阼)( 2 1 ) 由实部、虚部分别相等，得出： v a - - 三( 圪一旦一旦) 三应立， q 。2 3 。2 2 。 三相平衡系统，有耽+ + 圪= 0( 2 3 ) 由以上三式联立求解可以得到： 刚2 舛- - 1 3 _ - - 1 历3 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 将2 7 个空间矢量进行从口一b c 坐标系至筇坐标系的解耦分析，可 以得到2 7 个矢量在筇坐标平面的矢量，将重复的矢量合并可以发现在 筇坐标系中共有1 9 种不同的矢量。 2 _ 他 2o 压一射 ，o埘西 “ 圪屹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 曰 ， ，c 彳 口 图2 33 s 2 s 坐标变换 筇坐标系至d g 坐标系的旋转变换( p a r k 变换) 9 。l 7 父d ， 国 f 乡。 o ，如图2 - 4 所示，两相静止坐标系筇中的向量在转子磁链同步旋转 d - q 坐标系中分解，可以得到旋转变换： 乏 = 。i c s o m s 秒s i n s 秒j i 。v v o c 2 6 ， 对式( 2 - 6 ) z 求逆后可得： 陪瞄劣明 仁7 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 2 参考电压矢量所在扇区的判断 参考电压矢量所处的扇区位置可根据参考电压矢量的角度来确定， 设v = k 么伊，当秒( 0 0 ，6 0 0 】时，则参考矢量位于扇区i ；当护( 6 0 01 2 0 0 】 时，则参考矢量位于扇区i i ；当口( 1 2 0 0 ，1 8 0 0 】时，则参考矢量位于扇区 i i i ；当口( 1 8 0 0 ，2 4 0 0 】时，则参考矢量位于扇区i v ；当口( 2 4 0 0 ，3 0 0 0 】时， 则参考矢量位于扇区v ；当口( 3 0 0 0 ，3 6 0 0 时，则参考矢量位于扇区。 2 4 3 工作模式的划分和界定【3 8 】【4 1 】 如图2 - 5 所示，将任意一个6 0 。扇区划分a 、b 、c 、d 四个小三角 形。当某一长度的参考矢量y + 在某一扇区内旋转时有可能会跨越不同的 三角形区域，据此将矢量工作模式划分为a 模式、a c 模式、b c d 模式 和b d 四种。 医 1 当参考电压模长矸半，v 。工作在三角形a 中，称为a 模式。 图2 5矢量切换角示意图 2 当参考电压模长巫6 场c 形吾场c ，此时y 在三角形a 、c 间，称为 a c 模式。如图2 - 6 所示，通过三角形运算可以得到切换角q ： 夙= 二s i n ( 譬场c ) 一詈。v r s i n 8 1 v q v r s i n ( 3 一二。) 时，矢量位于c 中，否 则在a 中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 当参考电压模长丢环牟，此时矿在三角形b 、c 、d 间， 称为b c d 模式。如图2 - 5 所示，同样通过三角形运算可以得到切换角岛： 口：= 詈一a r e c 。s ( k + _ 1 2 广- 3 一k 2 ) ，其中足= 酉r 3 v o c643 阼 当o 杉s i n ( n 3 - 0 ：) 时位于d 中。 4 当参考电压模长矸半，此时矿在三角形b 、d 间，称为b d 模 式。当0 i 2 时，矢量位于b 区；当巧2 圪砟3 2 时，矢量位 于d 区。 2 4 4 矢量作用时间的计算 矢量作用时间分配图如图2 - 6 所示，s v p w m 调制算法的基本原理 是利用与参考电压最接近的3 个开关矢量组合，并控制其作用时间，使 一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相同。以第1 扇区 为例，则各种情况分析如下： 图2 - 6矢量作用时间分配图 根据伏秒平衡原理具体计算公式如下：致氏+ + 兄如= 诈丁，并使得 奴+ f y + f ：= 丁，其中t ”f y 、t ：分别为k 、巧、圪在一个采样周期内的持续 时间，r 为采样周期。 即： 根据上式解得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 形a 区域时，矢量合成表达式为： ( 2 - 8 ) m 等鼢嘲r 弘9 ， ( 2 - 1 0 ) 当参考矢量y 位于三角形b 区域时，矢量合成表达式为： l 矿1 丁l + 矿1 3 丁2 + y 7 丁3 = v t i t i + t 2 + t 3 = t 玑脚山+ 嘲m 学鼢：畅丁 i t o + t i + 丁2 = t 解得： ) 一r 3 当参考矢量矿落在三角形c 中，矢量合成表达式为： ik 磊+ 巧五+ 圪正= v 丁 【瓦+ 五+ 互= t ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 三 。 伊 产 割 峨r 艏 孙玎 考 印互 当 儡把 瓦 l 0 rn 卜p 丁堡3 陆 + + r r玎n ，盯儿旧、 旦压 阱旦压 善，磋黟警 旦压 + 旦括 翌肛 一 一笺一圮q黟警 o l 2 n n n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 眠融! 笋阶哮鼢2 2 p 注 丁。：r 一2 压v q r m ，c 肛芸( 玢+ 扩v q _、 3 r ：= ，一翌( 玢一拶v q v d c 、 3 7 4 当旷位于三角形d 区域时，矢量合成表达式为： j 匕瓦+ v 7 五+ 巧4 互= 矿t 【磊+ 五+ 互= 丁 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 鼢。+ 学鼢+ 嘲趾阶 r 。= 丁一亟丁 场c 肛器( 玩+ v 孝q 一丁( 2 - 1 9 ) 肛丁一器c 玩一 同理其它扇区各个小三角形区域的矢量作用时间可根据上面同样的 方法求得，结果列于表2 - 2 至表2 - 6 。 一3 m r，、【 ： ： 得 郎 解 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表2 - 2第扇区内矢量作用时间表 f 肛丁一亟r 卜r + 罢c 玢一势 i v d c 三角形a卜器c 聃三角形cj 丁l ：2 4 3 v q r r 卜罢喏撕， l 卜卜嚣c 聃挣 f 肛2 丁一亟rf 趾2 丁一亟r l v o c i v d c 三角形b 卜器c m r 三角形d 卜薏c 聃匆 卜器c 老娟， l小翌v d cc 3 7 表2 - 3 第i 扇区内矢量作用时间表 in 翌、cc 胁砻 7 i- t - c 、_ t 3 t 7 c 胁务 三角形a乃：2 4 3 v 9 丁三角形c卜n 薏c 阱 f场c l 丁2 ：r 一2 4 亏v q r 卜一丢c 聃 【 v d c i2 n 翌v c ( 3 7 卜2 r + 器c 玩一砻 三角形b丁1 ：2 q r 3 v q t r三角形dj 肛亟丁 i v d c 卜一器c 聃卜小罢c 聃匆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 表2 - 4第扇区内矢量作用时间表 ir + a 、v o c ( 3 f 丁。= r + 2 , 3 v q 丁 三角形a 卜器c m + 三角形c 卜刁一器c 场+ l r 2 ：一2 v 1 3 v q r 卜n 薏c 胁势 【 v o c 卜2 n 杀c 聃势 i2 n 器c 、善3 三角形b 卜刁一薏c 肛 三角形d 卜器c 嘲+ 势 l r 2 ：一2 q 5 v q 丁 i 丁2 ：一丁一2 , q 5 v q 丁 l v d c 表2 5第v 扇区内矢量作用时间表 f 耻r + 亟丁 卜丁十器c 一势 i v o c 三角形a卜一兹c 聃。三角形cj 丁1 = 刁一2 v s v - 丁 卜薏c 胁 i场c 卜丁+ 器c 均+ 虽 l2 丁+ 亟v d c 丁l丁+ 亟v d c 丁 三角形b i_ r _ 坳c r c ( w 3 三角形d 卜一器c 聃 卜器c 肛卜器c 肛r 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表2 - 6第扇区内矢量作用时间表 i卜翌v o cc 3 卜卜芸c 乃+ 三角形a丁l = 一一2 j 3 v q r三角形c卜小器c 胁势 l v o c l 丁2 = r + 2 q 1 3 v q 丁 卜器c 阱 i2 卜、v v c ( 3 7 l2 卜、v o c3 三角形bj 丁l = 一丁一2 ，f 3 v q 丁三角形dj 丁l ：一2 f 3 g q 丁 l v d c l v o c 卜器c 玩+ 卜器c 聃r 2 5 基于g h 坐标系s v p w m 算法分析【2 0 】【3 9 】【4 2 。4 5 】 由上面推导可以知道，基于d q 坐标系的s v p w m 算法思路简单且 逻辑清晰，容易理解，但缺点是计算量