（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：r e c e n t l y , t h r e e - l e v e li n v e r t e r sh a v eb e e nb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a r i nm e d i u m - h i g hv o l t a g ea cd r i v es y s t e m sa n df a c t s e q u i p m e n t s ，m a i n l yb e c a u s eo f t h e i rh i g hv o l t a g e - c a p a b i l i t y , h i g ho u t p u tq u a l i t y , l o ws w i t c h i n gl o s s e sa n dl o we m c c o n c e r n s t h et h e s i sp r i m a r i l ym a k e sa ni n d e p t hr e s e a r c ho nt h em u l t i l e v e li n v e r t e r t o p o l o g i c a l s t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o r da n da n a l y z e dt h eb a l a n c e p r o b l e mo f d i o d e - c l a m p e dc o n v e r t e r sn e u t r a l p o i n tv o l t a g e ，a n df i n d st h em o d u l a t i o na l g o r i t h mo f n e u t r a l - p o i n te l e c t r o n i cc h a r g ea n di t sm o d i f ym e t h o d s t h et h e s i sm a k e sr a t h e r d e t a i l e ds u m m a r i z ef o rt h er e s e a r c h s i g n i f i c a t i o na n d a c t u a l i t yd e v e l o p m e n to fm u l t i l e v e li n v e r t e rf i r s t l y t h e nt h et h e s i si n v e s t i g a t e st h et h r e e b a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r e sf o rm u l t i l e v e li n v e r t e ri n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo f w o r k i n g a n de a c ha d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e o nm eb a s i s ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h et w o c o n t r o lm e t h o d so fi n v e r t e r s ，w h i c hi ss p w ma n ds v p w m i t m a i n l yd i s c u s s e st h e s v p w mm e t h o da n da n a l y z e st h ek e y s t o n eo ft h r e e - l e v e ls v p w m a n d i tp u t sf o r w a r d t h ea l g o r i t h mo fs v p w m ，w h i c hu s e st h el i t t l e t r i a n g l ev e r t e x v e c t o rs y n t h e s i z e d r e f e r e n c ev e c t o r , a n dc o m e so u tt h el i t t l et r i a n g l er e g i o n a lj u d g m e n tr u l e s ，e x p o r t se v e r y s y n t h e s i z ev o l t a g ev e c t o r se f f e c tt i m ea n dv e c t o ro p t i m i z e dm e t h o d a n dt h e ni tu s e s b a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fd i o d e - c l a m p e dt h r e e l e v e li n v e r t e ra sb a s i c ，a n a l y s e st h e r e a s o no fl o p s i d e d n e u t r a l p o i n tv o l t a g e ，a n dg i v e st h em o d u l a t e da l g o r i t h mo f n e u t r a l - p o i n te l e c t r o n i cc h a r g e i tl a b o r st h er e a s o n so fi n v a l i d a t i o ni nt h es i m u l a t i o n a n dp u t sf o r w a r dt h ec o r r e c t i o nm e t h o do f i m p r o v i n gi n v a l i d a t i o ni n s t a n c e s a tt h ee n do ft h et h e s i s ，i tb u i l d st h es i m u l a t i o nm o d e l sw h i c hu s e ss p w ma n d s v p w ma sc o n t r o l l e dm e t h o d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e lw h i c hu s e s s v p w m c o n t r o l l e dm e t h o dw i t hn e u t r a l p o i n tv o l t a g eb a l a n c ef u n c t i o n i td e s c r i b e st h ep u t t i n g u pi d e a sa n dt h ee f f e c to fm a i nf u n c t i o nm o d u l ei nd e t a i l ，a n dv a l i d a t e st h ee x a c t i t u d e a n dp o s s i b i l i t yo fe v e r yp r o j e c tr e f e n e db e f o r eu s e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r s ；s p w m ；s v p w m ；n e u t r a l p o i n tv o l t a g e b a l a n c e c i 。a s s n o ：t m 4 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者签名：讯晔 导师签名：；角谊一粥 签字r 期：工吁年6 月笏日签字日期：砂唧年c f 月哗日 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工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月同 致谢 光阴荏苒，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心支 持我的老师、家人、朋友们表示由衷的谢意。 回顾我攻读硕士期间，自始至终得到了我的导师汤钰鹏副教授的悉心指导和 无微不至的关怀照顾。本论文的工作无论是选题、实践、论文成稿都倾注了汤老 师大量的心血。在学术上，汤老师知识渊博，态度严谨，求真务实，是我不断学 习的榜样；在生活中，他平易近人，胸襟开阔，亦使我终生受教。在此向我的恩 师汤钰鹏老师表达最诚挚的敬意和衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王文军、刘成宗等同学对我论文中研究工 作给予了热情帮助，穆云丽、盛彩飞给了我无尽的关怀与支持，感谢他们一路陪 我走来，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1课题背景和意义 1 引言 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代诞生以来，经过半个世纪的飞速发展，至今 已被广泛应用于需要电能变换的的各个领域。在低压小功率领域，电力电子技术 的许多方面己渐趋成熟，将来的研究目标是高功率、高效率、高性能；而在高压 大功率的工业和输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重 点【1 1 。 1 1 1多电平逆变器的产生背景 多电平逆变器是以电力系统中直流输配电、无功功率补偿、电力有源滤波器 等应用发展起来的需要，高压大功率交流变频调速系统大量应用的需求，以及2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的世界各国 对节能技术与环保技术的广泛关注为背景的。 首先，多电平逆变器发展是电力系统发展的需要。为了治理污染、提高电力 系统的控制能力和输电能力，美国电力研究院于2 0 世纪8 0 年代提出了柔性交流 输配电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 的新概念。所谓柔性 交流输电系统，其本质就是将高压电力电子以及现代控制技术，如静止无功发生 器( s v g ) 、电力有源滤波器( a p f ) 、综合潮流控制器( u p f c ) 应用到电力系统 中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输出能力，治理电力系 统的无功与谐波污染，提高电能质量，使电力系统高效、稳定、可靠地运行，使 用户放心地用电。事实证明，加装先进的静止无功补偿器、电力有源滤波器与综 合潮流控制器的办法是非常有效的，而这些设备的组成，都是要用到高压大功率 的多电平逆变器。 其次，它是高压大功率交流电动机变频调速的需要。传统的两电平逆变器， 由于其固有的缺点，如d u d t 大，e m i 大，开关频率高，逆变效率低，不适合于高 压应用等，要达到使交流电动机调速系统节能、整个系统的性能达到最佳、改善 工艺条件、提高生产效率、大大提高产品的质量的效果，就必须研究开发多电平 逆变器。 第三，它是节能的需要。工业大功率风机、水泵，如钢铁工业用的高炉鼓风 机、炼钢制氧机、除尘风机；石油化工生产用的压缩机；电力工业用的给水泵、 引风机；煤矿用的排水泵和排风扇以及城市自来水厂用的供水泵等，这些驱动电 机都是4 0 0 4 0 0 0 0 k w 、3 1 0 k v 的高压大功率交流电动机。这些设备由于没有调速 功能，天天都在大量的浪费电能，被称作耗电巨大的“电老虎”。而要实现交流电 动机的变频调速运行，就必须采用多电平逆变器。所以从节能的角度出发，也促 进了多电平逆变器的研究和发展【z j1 3 j 。 1 1 2 我国研究多电平逆变器的重要意义 在我国，研究多电平逆变器更是符合我们国情的需要。 一方面，由于能源与工业发展的不平衡，西部能源多但用电少，而东部能源 少但用电多，这就决定了我国的电网建设只能是“西电东送，南北互供”，以三峡 水电站为核心进行辐射。因此我国电网具有以下特点：超大规模：超长距离；超 大容量的电力传输；超级水力火力发电中心与能源基地；超重负载中心；能源中 心与负载中心联系非常薄弱：交、直流混合输电多种控制装置混合等。这些特点 决定了我国的市电电网将有可能会遇到严重的安全问题。2 0 0 8 年初的南方重大雪 灾已经给我们敲响了沉重的警钟，我国的电网存在严重的问题，提高我国电网的 安全性刻不容缓。 另一方面，我国当i j 在能源十分紧张的情况下，能源的浪费现象却十分严重。 据有关单位统计，在我国，发电量的6 0 7 0 用于驱动电机做功，其中9 0 的电 动机是交流电动机，且大部分是直接拖动。由于采用的是直接恒速拖动，每年造 成的电能浪费很大。如果再考虑电能从发出到传输和使用中的损耗，如调峰、励 磁、网损、无功、谐波以及各种用电设备上的自身浪费，全国总的数量加起来是 十分惊人的。如工业用电3 0 以上的各种风机、泵类负载，全国有4 7 0 0 万台，总 功率约为1 3 亿k w ，由于此类负载的工况变化交大，如果采用交流电动机调速技 术实现变速运行，节能效果非常明显，假定平均节电按2 0 计算，全国一年节省 的电能约为5 0 0 亿k w h ，相当于1 5 0 0 万k w 发电站一年的发电量。此外，还可以 节省数百亿元的电力建设费用，减少2 0 0 0 万吨的发电用煤，5 0 力吨的二氧化硫和 1 2 0 0 万吨的二氧化碳污染排放。在建设可持续发展、节约型社会的今天，研究多 电平逆变器符合我们的基本国情，对我国经济建设有着长远意义1 4 】。 目前，国内的多电平逆变器领域的研究非常活跃，但是性能并不是很理想， 国外公司占据了大部分市场。为此，必须加大该领域的科研与丌发的力度，提高 我国逆变器的性能，从而满足我国经济快速发展的需要。 1 2多电平逆变器发展过程及优势 1 2 1多电平逆变器的发展过程 多电平逆变技术可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，早在1 9 6 2 年就在阿波罗登月指 令舱逆变器中应用了输出电压电平数大于3 的逆变技术。 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 提出来了一种三电平逆变器，在两电平半桥式逆变 器电路基础上，加入了开关管辅助箝位电路，得到了三电平电压输出，是多电平 逆变器的雏形。 1 9 8 0 年，日本长冈科技大学的南波江章( a k i r an a b a e ) 等人在i e e e 工业应 用( i a s ) 年会上提出了二极管箝位式三电平逆变器主电路结构，翻开了多电平逆 变器研究的崭新的一页，进入到多电平逆变器发展的新阶段。 1 9 8 3 年，p m b h a g w a t 等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极 管箝位式逆变器。 2 0 0 0 年，在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上，f a n g z p e n g 在综合了多种箝位式 多电平逆变器特点之后，提出了一种通用式的多电平逆变器主电路结构。它可以 不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个 真j 下的有实用价值的多电平逆变器主电路结构。 经历了这么多年，历尽无数学者的潜心研究，多电平逆变技术已经蓬勃发展 起来，并越来越成为研究的热剧2 1 。 1 2 2 多电平逆变器的优势 多电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，有着明显的优势： ( 1 ) 每个功率器件仅承受l f n 一1 ) 的母线电压( n 为电平数) ， 因而可以使用低 耐压器件实现高压大功率的输出。 ( 2 ) 电平数的增加改善了输出的波形，减小了输出电压波形畸变，t h d 大大降 低。 ( 3 ) 可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相i 司的输出电 压波形，因此开关损耗小，系统的效率高。 ( 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，与两电平逆变器相比， 开关器件所承受的开关应力d v d t 大大减小；在高压电机驱动中，有效防止电机转 子绕组绝缘击穿；同时改善了装置的e m i 特性。 ( 5 ) 无需输出变压器，大大减小了系统的体积和损耗【5 】。 1 3国内外研究现状 多电平逆变器的拓扑结构目前主要分为三类基本的拓扑结构：二极管箝位型 多电平逆变器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 、飞跨电容型多电平逆变器 ( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 、和级联型多电平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 。 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 术的一个重要的方面。多电平逆变器采用脉宽控制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， p w m ) ，目前分为三大类：载波调制p w m 控制法( c a r t i e rw a v em o d u l a t ep w m ) 、 消除特定谐波p w m 控制法( s d e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ) ，空间电压矢量 p w m 控制法( s p a c e v e c t o r p w m ) 。 目前多电平逆变器的研究主要集中在拓扑结构，控制方法，以及多电平逆变 器技术的所固有的一些缺陷的克服上，例如二极管箝位型逆变器的中点电位平衡 问题等。 目前，国际上很多著名的电气公司，包括西门子、a b b 、g e 、阿尔斯通、东 芝、三菱、安川、三星等公司都已推出成熟产品。如g e 公司推出了“i n n o v a t i o n ”， 系列变频器。该变频器采用先进的功率器件i g c t ，主电路拓扑为三电平二极管箝 位结构，控制策略为无速度传感器的矢量控制，性能优越。a b b 公司推出的三电 平a c s1 0 0 0 系列高压变频器，主电路功率器件也为i g c t ，控制策略为无速度传 感器的直接转矩控制，具有响应迅速、控制简单、调速性能优越等特点。 这几年，我国对多电平逆变器的研究也逐渐成为一个热点，并有相应产品的 实际应用，如：我国电力系统自动化研究所研究5 0 0 k v a r 静止无功补偿器，采用了 g t o 三电平逆变；成都的东方凯奇电气公司生产的采用i g c t 作为功率器件的多 电平变频器已经进入市场；广东的中山明扬电器公司所生产的高压大功率多电平 变频器已经进入实用化。 多电平变换器拓扑结构自诞生以来，引起了越来越多的重视，其成熟的产品 正逐渐应用于电力工业的各个领域，市场需求旺盛。我国在这方面的研究工作己 经起步。我们应该加大人力，物力，财力的投入，加强这方面的研究工作，只有 理论先行，才能更好的指导实际的应用。 1 4 本文所做工作 本文主要从以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 研究了三电平逆变器基本拓扑结构，分析了工作原理，总结每种拓扑结构 4 的优缺点。 但) 研究了s p w m 和s v p w m 两种控制方法，详细阐述了各自的工作原理， 尤其是对s v p w m 控制方法进行了深入的研究。 ( 3 ) 详尽分析了二极管箝位型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，提出了一 种中点电荷调制算法，引入调节因子调整冗余矢量作用时间的控制方法，并分析 了该方法部分失效的原因，在此基础上提出修f 算法。 ( 4 ) 在m a t l a b s i m u l i j l l ( 仿真环境下搭建s p w m 和s v p w m 两种控制方法的 仿真模型，以及具有中点电位平衡功能的仿真模型，验证了理论分析和所提方法 的j 下确性。 2 多电平逆变器拓扑结构 本章以介绍三电平逆变器为主，总结了目前常见的几种多电平逆变器的拓扑 结构及工作原理，并总结了各自的特点。 2 1二极管箝位型三电平逆变器 二极管箝位型三电平逆变器，也称为中点箝位型( n e u t r a l - p o i n t c l a m p e d ，n p c ) 三电平逆变器，是多电平逆变电路拓扑结构电路中发展最早的一种结构。这种电 路通过多个功率器件串联，按一定的开关逻辑产生需要的电平数，在输出端合成 相应的正弦波。 2 1 1 拓扑结构与工作原理 如图2 1 所示，为二极管筘位型三电平逆变器的主电路结构。三电平n p c 逆 变器的直流侧由两个相同电容串联组成，三个桥臂中的每个桥臂都由4 个主功率 开关器件及相应的反并联二极管串联组成，另外还由两个串联二极管与内侧的两 个开关器件并联组成中点箝位电路【6 】【7 】。 电路中箝位二极管的作用是把桥臂上与其相连的点上的点位箝到零位，也就 是直流电压的中点电位。 卜jl 一一1 、；f 一o + s b l ；十 s c l ：l 牵 c l 三k 瓢以l 李聿圭奋本 士s 型 本 l o i 一一 zss ”一：l 今 z 广 。一一 ss b 3 jf 7 7 盔2ss c 芝_ 冬 c 2e s “ s b 4 全 s c 4 a i 1 - u v w 图2 - 1 二极管箝何型二电平逆变器主电路拓扑结构 f i g 2 1t o p o l o g ys t r u c t u r eo f d i o d e - c l a m p e dt h r e e l e v e lc o n v e n e r 三相逆变器逆变器的每个桥臂四个开关器件组合，一共可以得到1 6 种开关状 6 态，但有效状态只有三种。定义三态开关变量蜕、邑、只分别表示各桥臂的三种 开关状态，用变量疋表示a 相的开关状态。 uu ( a ) 1 态( b ) o 态( c ) - 1 态 图2 - 2a 相的三种开关状态 f i g 2 - 2t h r e es t a t e so fs w i t c h e so f ap h a s e 如图2 2 所示，a 相桥臂的共有三种输出状态。如果a 相的开关管墨、墨导 通，最、疋关断，输出电压u 直接与直流电压的正极p 端相连，其等效电路图如 图2 - 2 ( a ) 所示，u 们= 2 ，这种状态定义为1 态，即疋= l ：如果a 相的开关管 墨、墨导通，墨、足关断，输出端u 相当于直接连接到分压电容的中性点o 上， 其等效电路图如图2 - 2 ( b ) 所示，u 。d = 0 ，这种状态定义为0 态，即咒= 0 ；如果a 相的开关管最、瓯导通，s 、最关断，输出电压与直流电压负极直接相连，其等 效电路图如图2 - 2 ( c ) 所示，u 加= 一2 ，这种状态定义为一l 态，即疋= 一1 。 从表2 1 开关管的三种开关状态，可以看出，墨与只不能同时导通，s 与最的 开关状态互补，是与蜀的丌关状态互补。每个开关管承受的正向阻断电压为 【，。2 ，桥臂中i 、日j 的两个开关管是、s 导通时问最长，引起的发热量最大，因而 设计时也应以这两个开关管的散热为准【2 】f 8 1 。 表2 1 二极管箝位型输出电压与开关状态之间的关系 t a b l e 2 - 2o u t p u tv o l t a g e sa n ds w i t c h e s s t a t eo fd i o d e - c l a m p e dt h r e e - l e v e lc o n v e r t e r 状态变量 开关状态 输出电压 瓯s 是s 只 u k | 2 lll 00 o oollo ud c 21oo11 注：“1 ”表示开关器1 ，l ：导通状态，“0 ”表示开关器 ；，i ：关断状态。 三相输出相电压，可以分别用三相丌关变量疋、咒、疋和输入直流来表 7 示，即： u 爿o = s o u a , 2 t 1 8 0 = s b u d c 2 u c o = sc u d c 2 三相输出的线电压分别为 ( s o - - 1 ，0 ，- 1 ) ( 昆= 1 ，0 ，- 1 ) ( 2 1 ) ( 芝= 1 ，0 ，- 1 ) 笼 = 誓 三： 差 肿匪羽 2 1 2 二极管箝位型三电平逆变器特点 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 基于上述的基本分析总结二极管筘位型三电平逆变器的优缺点如下： 优点： ( 1 ) 对器件的耐压要求不高。开关元器件所承受的关断电压为直流母线电压的 一半。 ( 2 ) 逆变电路输出为三电平阶梯波，其形状接近于j 下弦波，在开关频率相同的 情况下，谐波含量比两电平电路要小得多，而且电平数越多，输出电压谐波含量 越少。 ( 3 ) 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。 缺点： ( 1 ) 需要大量箝位二极管。 ( 2 ) 同一桥臂的功率器件开关频率不同，每个桥臂中部的开关管同靠近直流母 线的开关器件相比，前者导通时问远大于后者，造成开关器件的利用率不同，前 者流过的电流较多，承担的负荷较大。 ( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡的问题，这是此电路的致命弱点。直流侧电 容由于一个周期内流入和流出的电流不同，导致某些电容总在放电，另一些总在 充电，使得电容电压不均衡，最终导致输出电平不对称。因而需要通过有效的控 制策略来平衡中点电压，否则实际输出波形将和理论相差甚远。 将二极管筘位型三电平逆变器推广到多电平逆变器( 电平数为n ) 的思考： ( 1 ) n 电平逆变器需要n 1 个分压电容。电平数为n 的三相逆变器含有6 ( n 1 ) 个全控型功率器件和6 ( n 2 ) 个箝位二极管。 ( 2 ) 主开关管的导通时间不相等，越是靠近桥臂中点的，开关管的导通时间越 长，流过电流越多，负荷越重，功耗越大。 ( 3 ) 当电平数超过三时，筘位二极管因需要阻断多倍电压，通常由多个相同标 称值的二极管串联，由于开关特性的不一致，可引起二极管两端的过电压，因而 需要均压措施和很大的r c 吸收电路，导致系统庞大，成本增加，实际电路相当困 难，因此七电平以上的二极管箝位电路基本失去了实用价值。 2 2飞跨电容型三电平逆变器 飞跨电容型三电平逆变器，也叫做悬浮电容三电平逆变器。飞跨电容筘位多电 平逆变器是法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 于1 9 9 2 年在p e s c 会议上首先提出来 的，它采用飞跨电容取代二极管，对功率开关管进行直接箝位的。二极管具有单 向导电性，可以用来实现单向筘位；电容是存储电能的无源元件，因此他们能参 与电压合成并且承担主丌关管关断时的电压，而n 它们能通过充放电或者筘位， 保持直流母线电容电压的平衡。避免了二极管箝位型三电平逆变器中主、从功率 开关管的阻断电压不均衡和筘位二极管反相电压难以快速恢复的问题。 2 2 1 拓扑结构及工作原理 9 如图2 3 所示，为飞跨电容型三电平逆变器主电路拓扑结构。 厂广丙了丁乃 | c l f 藤藤高 一 s 。劲( c 2i - s 刚沿 s 咧( uvw 图2 - 3 飞跨电容型三电平逆变器主电路拓扑结构 f i g 2 - 3t o p o l o g ys t r u c t u r eo ff l y i n g - c a p a c a i t o rt h r e e - l e v e li n v e r t e r 表2 2 是飞跨电容型三电平逆变器以a 相为例，输出电压与开关状态之间的 关系。开关最。和鼠。工作状态互补，开关疋：和疋，工作状态互补。电路正常工作时， 飞跨电容上的电压必须保持在2 ，这需要在调制方法上保证飞跨电压的平衡， 这样才能使电路正常工作。 u ( a ) l 态 ( b ) o + 态( c ) o 一态( d ) 一1 态 图2 - 4 a 相的三种关状态 f i g 2 - 4t h r e es t a t e so f s w i t c h e so f ap h a s e 定义三念歹i ：关变量疋、毛、分别表示各桥臂的三种，f ：关状态，用变量疋表 示a 相的开关状态。当开关芝。和芝：导通时，输出与直流母线电压正极相连，输 出高电平，这种状态定义为1 念，即疋= 1 ；当开关疋。和艺，导通时，直流母线对 飞跨电容充电，此时电路输出零电平，用“o + 来表示，即s a = 0 ；当开关疋2 和疋。 导通时，飞跨电容通过负载放电，此时电路输出零电平，用“0 来表示，即s a = 0 ； l o 当开关疋，和疋。导通时，输出与直流母线电压负极相连，输出低电平，这种状念 定义为1 态，即疋= - 1 。 从上述分析不难看出，“1 ”和“1 两种状态不影响飞跨电容的电压，而“o + ” 和“0 ”状态分别对飞跨电容进行放电和充电，为了维持电容电压的平衡，必须使 “o + 和“0 两种状态所持续的时间相等 9 1 。 表2 2 飞跨电容型输出电压与开关状态之间的关系( a 相) t a b l e 2 - 2o u t p u tv o l t a g e sa n ds w i t c h e s s t a t eo ff l y i n g c a p a c a i t o rt h r e e l e v e li n v e r t e r 状态变量 开关状态 输出电压 s ， 墨 是墨 墨 u d c | 2 111o o 0 ( o + ) lol o 0 0 ( 0 一) ol0 1 一ud c 2 1ool 1 与二极管箝位型类似，三相输出相电压，可以分别用三相开关变量疋、最、s c 和输入直流来表示，即： 善 = 誓 三： 茎 c 2 9 ， 2 2 2 飞跨电容型三电平逆变器特点 总结飞跨电容型逆变器的优缺点如下： 优点： ( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少，对器件的耐压要求不高。 ( 2 ) 由于飞跨电容的引进，电容箝位型逆变器的开关状态比二极管箝位式逆变 器具有更大的灵活性，可以在同一电平下有不同的开关组合，有利于平衡功率开 关的导通时间和直流电源的中分压电容上的电压保持均衡。 缺点： ( 1 ) 需要大量箝位电容。电容是一个可靠性差，寿命短的器件，而且体积很大。 在高压场合，电容的寿命和体积问题尤其突出，这也是这一结构在实际中应用较 少的原因。 ( 2 ) 在运行过程中必须严格控制飞跨电容电压平衡，以保证逆变器的安全运 行。 将飞跨电容型三电平逆变器推广到多电平逆变器( 电平数为n ) 的思考： ( 1 ) 飞跨电容型拓扑结构可以扩展到任意电平中去，对于n 电平三相逆变器， 需要6 ( n 1 ) 个全控型功率开关管，( n 1 ) 个分压电容。3 ( n 1 ) ( n 2 ) 2 个筘 位电容。 ( 2 ) 逆变器的电平数容易扩展是它的一个显著优点，只需要一个独立直流电 源，简化了整流器的设计。 2 3级联型多电平逆变器 早在1 9 7 5 年由r h b a c k e r 等人对级联型拓扑申请了专利。m m a r c h e s o n i 等人 在1 9 8 8 年p e s c 会议上提出了级联型多电平变换器，用于实现等离子体的稳定要 求【l o 】。直到1 9 9 7 年，两项关于级联拓扑在电机传动和电网中的应用的专利申请后， 这种结构才开始得到了广泛的应用。 前两节中提到的二极管箝位型和电容箝位型逆变电路的共同特点是两者都只 需要一个独立的直流电源，属于电力电子器件的串联结构。为了输出多个电平这 两种电路都采用了多个直流电容分压的办法，而随之产生的电容均压问题往往只 能靠控制算法加以解决。在这一节分析的级联型电路是从改变拓扑的角度解决这 个问题。 2 3 1拓扑结构及工作原理 所谓的级联，就是将多个独立的单相全桥逆变电路串联起来的意思。如图2 5 所示，为星形连接的级联型五电平三相逆变器拓扑结构，也可以连接成三角形连 接方式。这种变换器由6 个单相全桥电路级联而成。每相有两个单项全桥的变换 1 2 器构成，因而每相需要两个独立的直流电源。级联型的最低电平数为五。 图2 5 级联型五电平三相逆变器拓扑结构( 星形联结) f i g 2 - 5t o p o l o g ys t r u c t u r eo f c a s c a d e df i v e - l e v e lc o n v e r t e r 从拓扑结构中不难看出，箝位型与级联型在结构上有着很大的不同，表2 3 总 结它们在结构方面的不同。 表2 3 箝位型与级联型电路结构对比 t a b 2 2c o m p a r i s o no fc l a m p e dw i lc a s c a d e dc i r c u i ts t r u c t u r e 项目箝位型级联型 基本单元基本单元是半桥式两电平逆变器基本单元是、卜桥式两电平逆变器组成 的h 桥 结构 开关器什串联的、| ，- 桥式结构h 桥直接串联结构 直流电源一个高压直流电源，通过直流电容串多个彼此独立，没有直接点的联系的 联分压得到的彼此有电的联系的直流直流l 乜源 电源 箝位电路有箝位元件及电路 无箝位元f ；，l ：及电路 均压有均压问题及相戍的克服电路没有均乐问题无克服均压问题的电路 图2 - 6 给出了单臂的电路结构，由两个两电平的h 桥单元级联构成。尽管每个 单元只有两种电平，但是级联后可以形成多种组合，八个开关管的具体开关状态 和对应的输出电压关系参见表2 4 。其中，在输出和一的情况下，桥臂上面 的单元中只有蔓和& 丌通，相当于该单元被短路掉，只有桥臂的下面的单元单独 作用【1 。 图2 - 6 级联型五电平变化器的单臂电路 f i g 。2 5s i n g l ea r me l e c t r i cb r i d g eo f c a s c a d e df i v e - l e v e lc o n v e r t e r 表2 4 级联型五电平逆变器输出电压与开关状态 t a b 2 _ 4o u t p u tv o l t a g e sa n ds w i t c h e s s t a t eo fc a s c a d e df i v e - l e v e lc o n v e r t e r 输出 开关状态 电压 s足是 s 。 s s最 s 、 最 2 1ooll0o1 v d c 0l0ll00l 0 0101o1o 1 叫d c ol0lo1l0 _ 2 01l00llo 注：“1 ”表示开关器件导通状态，“0 ”表示开关器什关断状态。 2 3 2 级联型多电平逆变器特点 总结级联型多电平逆变器的优缺点如下： 优点： ( 1 ) 对于n 电平逆变器，需要( n 1 ) 2 个单相全桥逆变器和独立电源，输出 相电压电平为n ，输出线电压电平数为2 n 1 。电平数越多，输出电压波形中的谐 波含量越少，级联型最低电平数为5 。 ( 2 ) 不用箝位二极管和筘位电容，在三种多电平逆变器结构中，当输出电平数 相同时，所需的元器件数量最少，易于封装。容易实现模块化，易于扩展。 ( 3 ) 基于低压小容量逆变器级联的组成方式，技术成熟，容易实现，比较适合 于七电平或九电平以上的多电平逆变器应用场合。 1 4 ( 4 ) 容易实现软丌关技术，避免了笨重、耗能的阻容吸收电路。 ( 5 ) 不存在电容电压平衡问题。 ( 6 ) 控制方法简单，每一个基本单元可以进行独立控制。 缺点： ( 1 ) 需要的独立直流电源个数较多。当采用不控整流得到这些直流电源时，为 减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折的多重化实现，这种变压器体积庞 大，成本高，设计困难。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 ) 不容易实现四象限运行【1 2 j 。 2 4本章小结 本章主要研究了三种典型的拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型、级联型逆 变器的拓扑结构。前两种主要介绍三电平的情况，级联型由于最低电平数是五电 平，因而级联型介绍五电平逆变器。二极管箝位型电路需要大量箝位二极管，飞 跨电容型需要大量成本高、可靠性差的电容，级联型逆变器则需要多个直流电源 设计困难，因此权衡考虑最终选择二极管箝位型作为三电平逆变器的主电路。 1 5 3 三电平逆变器控制方法的研究 在电气传动中，广泛地应用p w m 控制技术。p w m 控制技术是利用半导体开 关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周 期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的 的一种控制技术。p w m 控制技术有很多种，并且还在不断发展中。 对于逆变器来说，逆变器输出性能取决于调制算法的优劣，本文将从正弦 p w m ( s p w m ) 和空间矢量p w m ( s v p w m ) 两种控制策略，分别进行研究。 3 1正弦p w m 控制方法 三电平逆变器的载波p w m 控制技术，就是通过三角载波与正弦调制波进行比 较，用正弦波幅值绝对值大于三角波幅值绝对值的方式得到逆变开关管p w m 脉宽” 控制信号。由于这种控制方法是以正弦波为调制波进行p w m 调制的，故称为f 弦 脉宽控制，即s p w m ( s i n u s o d i ap w m ) 。这种s p w m 实现的典型方法有自然采样 法、规则采样法、等面积采样法等，其中后两种方法比较适合于计算机离散计算。 对于二极管筘位型三电平逆变器的典型载波控制方法是三角载波层叠法 ( s u b h a r m o n i c sp w m ) ，本节主要研究这种方法。 三角载波层叠法是直接从两电平s p w m 法发展而来的，它是由两组频率和幅 值相同的三角载波分成上下两层层叠。而且两组三角波对称地分布于横轴上下， 并用同一个正弦波进行调制的。根据两个三角载波的相位关系又可以分为载波同 o 磷2 u a0 p w m 控制法和波反相层叠p w m 。 一e 2 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ( a ) 载波同相 1 6 留 “ 、 努芗l l 石 、 一2 _、一，矿 、l彳n。 ，旷0。 、j；1；。；。； ，r。、博i婪，卜!。，k；。、 、， 辩州，自；，t，|=二拼nn驴，“，1一m n；玛幻!t_|一n，霉；，1|一“n l 0弧；， ， 的- 叠甜 层相 o e 2 地0 y ! | ； 、 一 一嚣，2 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ( b ) 载波反相 图3 - 1 载波层叠p w m 控制方法的工作波形 f i g 3 1w a v e f o r mo fc a r r i e rw a v em o d u l a t ep w m 如图3 1 所示，是载波层叠p w m 控制方法的工作波形，其中图3 1 ( a ) 是载 波同相的情况，3 2 ( b ) 是载波反相的情况。载波同向是指上、下三角载波的相位 完全相同，载波反相是指上、下三角载波相位相反，相差半个载波周期。图中“ u ，分别为上、下层的三角载波，“，为正弦调制波( “。指a 相j 下弦调制波) 。 产生p w m 的原则是：在正弦调制波的正半周期时，正弦波的幅值大于三角波 时，输出电平为e 2 ，产生电压的p w m 脉冲列；在正弦调制波的负半周期时，正 弦波的幅值小于三角波时，输出电平为一驯2 ，产生电压的p w m 脉冲列；其他部 分输出电压零脉冲。在载波反相的情况下，上、下层载波对称于坐标横轴，因此 通过正弦波与三角波进行比较的输出电压p w m 波形是正半周与负半周相同的，而 载波同相的情况下则不同【i 引。 3 2空间矢量p w m 控制方法 空间矢量p w m 控制方法( s p a c ev e c t o rp w m ) s v p w m 控制技术最初源于电 动机磁链跟踪技术。它从交流电动机的工作特点出发，着眼于如何使交流电动机 获得幅值恒定的圆形磁通轨迹，即难弦磁通链轨迹。以三相对称f 弦波电压供电 时，交流电动机的理想磁通的圆形轨迹为基准，用逆变器的不同开关模式所产生 的实际磁通去逼近基准磁通链的圆形轨迹，并由它们比较的结果决定逆变器的开 关方式，形成p w m 输出电压波形。 这种方法把交流电动机和逆变器看成了一个整体来处理的，所得的开关模式 方式具有电压利用率高、输出谐波小、谐波分布优良以及矢量选择灵活等优点， 1 7 甜 u r 狁、， ， b； 。，。； u，荆； ， 岢“褂 较适合应用在三电平逆变交流驱动的场合。下面将从s v p w m 控制方法的基本思 想，空间矢量扇区划分与选择，矢量作用时间计算以及开关量的优化几个方面对 三电平逆变器的s v p w m 调制方法进行研究。 3 2 1电压空间矢量的基本思想 交流调速系统中，异步电动机三相电流正弦化的的目标是希望在空间产生圆 形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。磁链跟踪控制就是按照旋转磁