（电力电子与电力传动专业论文）npc三电平逆变器及其容错技术的研究.pdf

， 一 参 0 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盈：金蒸日期：x ，年6 月匆日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：，f 年石月口日 b g q 谚f 其| 日 摘要 近年来，高压大功率多电平逆变器因其输出波形好、器件耐压要求相对较低、等效 开关频率高、对动态均压无要求等优点，得到了广泛的实际应用。但是，多电平逆变器 也存在一定的缺点，拓扑结构中的开关器件较多，电路比较复杂。这样就加大了系统的 使用成本，复杂化了系统的控制，因而增大了系统发生故障的概率，降低了系统的可靠 程度。本文的主要工作就是基于最常见的短路故障问题，对多电平逆变器的容错技术进 行了研究。 本文以最常见的n p c - - - 电平逆变器的拓扑结构为基础，着重分析了空间电压矢量 ( s v p w m ) 控制算法，并以故障类型中最常见的短路故障为例，在基于s v p w m 控制算 法的基础上，重点对三电平逆变器的容错技术进行了理论和实验研究。 本文首先介绍了n p c 型三电平逆变器的拓扑结构和基本工作原理、空间电压矢量 ( s v p w m ) 算法以及容错技术的应用。然后，以上述原理为基础，研究了三电平逆变器 s v p w m 软件控制算法，通过分析得到的短路故障后的空间电压矢量图，提出了一种采 用冗余空间矢量代替故障失效矢量的冗余控制算法。 经过理论研究后，采用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了系统的仿真模型，实现了基于 s v p w m 算法的冗余控制策略，通过仿真验证了该算法的可行性。 利用实验室资源，综合搭建了n p c - - 电平逆变器硬件电路结构，主要包括主电路和 隔离驱动电路，d s p 编程采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型芯片，包括s v p w i v i 调制算法及容错策 略等编程。通过硬件和软件的不断调试，分析得到的实验波形和数据，证明了课题设计 的s v p w m 控制策略的正确性，以及所采用的冗余算法的可行性，可有效解决系统短路 故障问题。 关键词：三电平；s v p w m ；冗余空间矢量；d s p 婚 、 t i j r e s e a r c ho nt h ef a u l t t o l e r a n tc o n t r o la l g o r i t h mo fs v p w m f o rn p ct h r e e 1 e v e li n v e r t e r s s u nj i n y a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aw e n z h o n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e li n v e r t c = rh a sb e e nw i d e l yu s e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n b e c a u s eo fi t sh i g hp o w e rf a c t o r , l o wh a r m o n i c s ，h i 曲p o w e ra n das e r i e so fa d v a n t a g e si n l a r g e c a p a c i t yh i g h - p r e s s u r es i t u a t i o n s h o w e v e r , t h e m u l t i - l e v e li n v e r t e rh a ss o m e s h o r t c o m i n g s ，s u c ha sm o r es w i t c h i n gd e v i c e s ，c o m p l e xc i r c u i t sa n d s oo n t h i si n c r e a s e st h e u s eo ft h es y s t e mc o s t , c o m p l e x i t yo ft h es y s t e mc o n t r o l ，t h em o r es e r i o u so fw h i c hi st o i n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fs y s t e mf a i l u r e ，g r e a t l yr e d u c i n gt h er e l i a b i l i t y b a s e do nt h em o s t c o m m o np r o b l e mo fs h o r tc i r c u i t ，t h ef a u l t - t o l e r a n tt e c h n i q u e sf o rn p ct h r e e l e v e li n v e r t e r s a r es t u d i e di nt h i sa r t i c l e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em o s tc o m m o nt o p o l o g yo ft h r e e l e v e ln p ci n v e r t e r , t h es p a c e v e c t o r ( s v p w m ) c o n t r o la l g o r i t h mi sa n a l y z e d ，a n dt a r g e t e dt ot h em o s tc o m m o nf a u l to f s h o r tc i r c u i t ，f a u l t - t o l e r a n tt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r et h ef o c u so ft h r e e - l e v e l i n v e r t e rt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et y p eo ft h r e e l e v e ln p ci n v e r t e rt o p o l o g y , t h eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l eo fv o l t a g es p a c ev e c t o r ( s v p w m ) a l g o r i t h ma n df a u l t t o l e r a n tt e c h n o l o g y t h e n , b a s e d0 1 1t h ea b o v ep r i n c i p l e ，t h es o f t w a r ec o n t r o la l g o r i t h mo fs v p w m i ss t u d i e d ， a n dt h ef a u l t - t o l e r a n tc o n t r o la l g o r i t h mi so b t a i n e d ，u s i n gr e d u n d a n tv e c t o ri n s t e a do ff a i l u r e v e c t o rb ya n a l y z i n gt h es p a c ea f t e rt h es h o r tc i r c u i t a f t e rat h e o r e t i c a ls t u d y , b a s e do nf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o nm o d e lo ft h e s y s t e mi ss e tu pt oa c h i e v et h es v p w ma l g o r i t h mu s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h e r e s u l t s s h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m u s i n gl a b o r a t o r yr e s o u r c e s ，ac o m p r e h e n s i v eh a r d w a r ec i r c u i t f o r t h r e e - l e v e ln p c i n v e r t e ri sb u i l t ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ta n di s o l a t i o nd r i v ec i r c u i t t h es o l , r a r ei s c o n t r o l l e db yt h et y p eo fd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，i n c l u d i n gs v p w mm o d u l a t i o na n d i i - h f a u l t - t o l e r a n t s t r a t e g i e sp r o g r a m m i n g c o n t i n u o u s l yt h r o u g h h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e b u g g i n g ，w a v e f o r ma n a l y s i sa n dd a t af r o me x p e r i m e n t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g n o ft h es v p w mc o n t r o ls t r a t e g yi s s u e s ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf a u l t - t o l e r a n ta l g o r i t h r nt o s o l v et h es y s t e ms h o r t c i r c u i tf a i l u r e k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) ； r e d u n d a n ts p a c ev e c t o r ；d s p 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 目录 绪论1 课题的研究背景。1 课题的研究现状。2 1 2 1多电平逆变器的研究现状2 1 2 2 多电平逆变器的控制策略4 1 2 3容错技术的研究现状4 本课题的研究目标及主要内容5 本章小结6 n p c 型三电平逆变器s v p w m 控制策略的研究7 n p c 三电平逆变器的拓扑结构及工作原理7 2 1 1 三电平逆变器的拓扑结构7 2 1 2 n p c 三电平逆变器的工作原理9 n p c 三电平逆变器的空间电压矢量。1 1 三电平逆变器s v p w m 的控制策略。1 4 2 3 1 参考电压矢量扇区和区间的确定。1 5 2 3 2 基本电压矢量的确定1 6 2 3 3 基本电压矢量作用时间的计算1 6 2 3 4 基本电压矢量作用顺序的排列1 8 本章小结1 9 n p c 型三电平逆变器容错技术的研究2 0 提高多电平逆变器可靠性的措施2 1 多电平逆变器的容错实现方法2 1 3 2 1飞跨电容型多电平逆变器的容错技术2 2 3 2 2 级联型多电平逆变器的容错技术2 2 3 2 3 二极管箝位型多电平逆变器的容错技术31 n p c 三电平逆变器短路故障的容错控制策略3 1 本章小结3 3 n p c 型三电平逆变器及容错技术的m a t l a b 仿真研究3 4 4 1 m a t l a b 仿真技术简介。3 4 4 2 n p c 三电平逆变器正常工作下仿真模型的建立3 4 4 2 1 系统总模型及仿真模块3 4 4 2 2 仿真波形。3 9 4 3 短路故障下冗余策略仿真模型的建立4 l 4 3 1 系统总结构图及冗余控制模块4 1 4 3 2 仿真波形一4 2 4 4 本章小结4 4 第5 章n p c 三电平逆变器的硬件及d s p 软件设计4 5 5 1 逆变器的硬件电路设计4 5 5 1 1主电路器件的选择。4 5 5 1 2 隔离驱动电路器件的选择4 6 5 1 3常用缓冲电路介绍。4 7 5 2d s p 设计。4 8 5 2 1d s p 芯片简介。4 8 5 2 2 控制系统d s p 编程4 9 5 2 3 数据q 格式表示方法5 0 5 2 4s v p w m 控制策略的设计5 0 5 3 本章小结5 5 第6 章实验装置和仿真波形。5 6 6 1 逆变器系统的硬件电路及d s p 芯片5 6 6 2 硬件仿真结果5 6 6 2 1主电路功率开关器件的p w m 驱动波形。5 6 6 2 2 硬件电路的电压仿真波形5 8 6 3 本章小结5 9 结论及展望6 0 参考文献。6 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 5 致谢6 6 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 电力电子技术主要分析了电力电子器件的设计理论和应用电路，可以高效能地实现 对电能的控制和变换，从而产生各种容量和形式的电能，它是专门对电能变换的方法理 论和应用进行研究的学科。上世纪8 0 年代以后，随着有关学科的快速发展，现代电力 电子技术有了很大的进步。它是一门新兴的交叉学科，集功率集成、电子技术、自动控 制、计算机控制技术等学科为一体。近年来，多电平逆变器成为了电力电子应用领域的 研究热点，可以有效的实现逆变器的大容量高压化。 大功率的变换可以通过多种途径实现，其中多电平逆变器尤为受到研究者们的关 注，因其具有低的器件电压应力、低的系统e m i 和小的输出波形t h d 等一系列的优点。 在1 9 8 0 年i a s 年会上，由a n a b a e 等人最早提出了多电平逆变器的概念。在他们提 出的电路结构基础上，b h a g w a t 等人在1 9 8 3 年把三电平电路扩展到n 电平电路，进一 步对n p c 的统一电路结构作研究，给大功率高压逆变器的工作研究增加了新的途径。 在近二十多年的时间里，从提出多电平逆变器的概念至今，其拓扑结构已经达到三类并 产生了一系列的改进拓扑结构，由此也提出和研究了多种与结构相对应的控制调制方 法。多电平逆变器因其具有一系列的优点，使其成为大功率高压变换研究的热点，优点 如下： 1 增加了电平数，从而使输出电压波形得到改善，输出电压波形畸变( t h d ) 减小； 2 单个功率开关管器件仅承受l ( n 一1 ) 的直流母线电压( n 为电平数) ，因此要实现 大功率高压输出时，可选用较低耐压值的器件，省去了动态均压电路； 3 直流母线电压相同时，与两电平逆变器相比，电平数的增加大大减小了d v d t 器 件应力，这样在驱动高压大电机时，可以很好的改善e m i 特性，有效预防转子绕组绝 缘击穿； 4 省去输出变压器，使得系统的体积和损耗大大减小： 5 开关损耗小、效率高，两电平逆变器以高开关频率获得相同的输出电压波形时， 多电平逆变器用较低的开关频率就可以获得。 除了具有以上优点，多电平逆变器的拓扑结构也存在一定的缺点，这样就局限了它 们在实际中的应用。同时，增加的电平数，大大复杂化了逆变器的拓扑结构和控制方法， 第1 章绪论 降低了系统变换器的可靠性，使得系统发生故障的可能性增大。系统装置的可靠性程度 反映了装置随时间变化在一定的条件下实现一定功能的能力大小。除了装置的性能指标 外，可靠性也已成为一个尤为重要的质量指标。在设计装置时，对系统进行可靠性分析 以及得到如何提高可靠性的措施，这是必须要解决的问题。本论文的工作，就是针对上 述问题，对如何实现多电平逆变器的容错技术进行了研究。 1 2 课题的研究现状 1 2 1多电平逆变器的研究现状 电力电子器件的发展和逆变器的发展是紧密结合在一起的。最早期时，大容量高压 交流调速系统使用的器件主要是晶闸管，由于晶闸管不能实现自关断且开关频率低，这 样就大大限制了逆变器的性能，使得系统调速范围较窄。2 0 世纪8 0 年代以后，人们研 制得到了g t o 、b j t 、m o s f e t 等一系列可实现自关断的电力电子器件，尤其是以双极 型复合i g b t 、i g c t 为典型器件的产生，大大推进了电力电子器件向着高频化、智能化、 大容量和易驱动的方向发展。随着电力电子器件的发展，大容量高压逆变器技术也迅速 发展起来。 多电平变频器在大容量高压逆变器的实际应用中，有着明显的优势。其中单个功率 开关器件仅承受直流侧母线电压几分之一的反向电压，在使用低速开关器件高电压等级 的情况下，就可以用高速开关器件( i g b t 等) 的低电压等级取代，这样就使得开关频率 提高，输出波形得到改善，大大减少了波形脉动，最终提高了电机效率，节约使用成本。 在规定电流谐波和输出电压相同的情况下，多电平拓扑的应用还可以降低器件的开关频 率，从而减小器件的开关损耗，提高系统的效率。当直流电压相同时，对于多电平逆变 器来说，其d v d t 比两电平逆变器要小，这就减少了电机定子绕组上的尖峰电压和电磁 干扰，对电机的安全运行十分有利。 在大容量高压逆变器的研制中，多电平结构的推广给其提供了一条崭新的思路，从 2 0 世纪8 0 年代开始，慢慢的成为大功率无功补偿和电机传动等领域的研究热点。多电 平逆变器到目前为止，在理论和拓扑结构上产生了很多个分支，已经有了很大的发展。 当前人们常用的多电平逆变器的基本电路拓扑可分为三类：飞跨电容箝位式多电平 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 ) 、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 ) 和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 ) ，其中，最为 常用的是二极管箝位型( n p c ) 三电平逆变器。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 二极管箝位型( n p c ) 多电平拓扑电路的结构简单、控制方便，这种结构一提出就成 为工业界和学术界的研究热点。对其控制方法，从载波调制、谐波优化，到空间电压矢 量调制，到现在已经逐渐完善的p w m 控制策略，研究者们对此过程中带来的电容电压 不平衡问题，提出了多种实用的电压平衡解决方案。对其拓扑研究，学者们也提出了另 外的改进结构，可以有效地解决拓扑中箝位二极管承受不同反向电压的问题。这种结构 的适用领域，早期多用在有源滤波及无功调节的场合，2 0 世纪8 0 年代后期以来，伴随 着深入的研究工作和逐渐完善的控制技术，学者们对电容电压的均衡问题已经提出了很 好的解决方案，所以也已经将该拓扑电路结构用在电机拖动等应用领域。 在用户电力技术和灵活交流输电场合，多电平逆变器也有着广泛的应用，主要的应 用有： ( 1 ) 适用于大容量高压的交流变频调速高性能技术。多电平逆变器得到的多级电压 阶梯波大大的减少了d v d t ，比较适用于变频调速系统。从电路拓扑结构上看，新型多 电平逆变器有着效率较高，动态性能好等突出优点，对电机和电网产生的谐波少，所以 特别适合于大容量高压场合，并且日益受到重视。我国当前面临的工业用电存在的巨大 浪费和环境污染问题，使得多电平逆变器对大力发展高压大容量交流调速技术是一种很 可行的解决途径； ( 2 ) 应用于电能质量的综合治理中。多电平逆变器可以得到多种输出电平，电压波 形就会有更多的阶梯来模拟正弦波，大大减少了输出波形的失真度，同时也减少了谐波。 在电能质量的综合治理中，多电平逆变器越来越受到人们的重视； ( 3 ) 以蓄电池、太阳能电池、燃料电池和直流发电机为主直流电源的场合，如通讯 静止变流器( 4 8 v d c 2 2 0 v5 0 h z a c ) 、航空静止变流器( 2 7 0 v d c 115 v4 0 0 h z a c ) 。 多电平结构相比于传统的两电平电路，控制方法比较灵活，便于控制与调节输出电 压的幅值和相位，其谐波含量较低，对清洁能源可以起到比较重要的作用。多电平逆变 器应用的另一个重要场合是大电机高压变频调速领域。它可以降低传统两电平变频器的 d v d t 和器件应力等问题。多电平逆变器在高压变频器领域的应用，除了将传统两电平 逆变器的电压等级扩展外，还大大的减少出口端的谐波含量。伴随着电力电子器件的普 及使用，电网受到的谐波污染也日益严重，有源滤波和无功补偿装置也逐渐向高电压大 容量的发展，因此多电平逆变器有着非常广阔的应用前景。当前，像阿尔斯通、西门子、 a b b 等世界知名大公司，已研究开发出多种比较适用的多电平装置，对于国内各大企 业，也越来越关注多电平逆变器。 3 第1 章绪论 1 2 2 多电平逆变器的控制策略 目前，多电平逆变器的控制方法主要有：正弦三角载波调制、阶梯波调制、指定谐 波消去p w m 、优化开关频率p w n i 、目标代价函数最小p w m 和空间电压矢量p w m 等。 下面主要介绍三种常用多电平逆变器的基本控制【1 5 】。 1 级联型多电平逆变器的控制 对于级联型的多电平逆变器装置，学者们研究的主要问题是如何提高系统的可靠 性。这种多电平逆变器的控制通常采用恒压频比控制实现，当前需要解决的主要问题是 采用哪种好的控制方式可以大大的降低谐波，一般情况下采用基于谐波消去的单脉冲 法、相移p w m 方法和最优空间矢量控制方法等。 2 二极管箝位式多电平逆变器的控制 一般对于二极管箝位式多电平逆变器的控制，主要有三种：1 ) 指定谐波消去法 ( s h e p w m ) ；2 ) 基于载波的p w m 技术( s ，w m ) ；3 ) 空间电压矢量法( s v p w m ) 。 ( 1 ) 指定谐波消去法( s h e p w m ) 此控制方法主要通过优化选择开关时刻，消除特定的低次谐波，得到的输出波形质 量高，但计算量过大，除了需要离线计算外，还要保存大量的数据。所以对控制芯片的 要求较高，一般使用在对输出有很高要求的场合。 ( 2 ) 基于载波的p w m 技术( s h p w m ) a 开关频率优化p w i v i 技术( s f o p w m ) ：一种改进的s p w m 技术，基于传统的多 电平s p w m ，零序电压z s v i ( z e r 0s e q u e n c ev o l t a g ei n j e c t i o r ) 注入，补偿窄脉冲，使得 输出电压的t h d 大大减小，同时提高了直流侧电压的利用率。 b 正弦波p w m 技术：一种常用的控制方式，将三角载波与正弦波比较，利用得到 的开关信号来控制逆变器，按照正弦波和载波数量的多少不同分为多调制波p w m 和多 载波p w m 。 o ft h r e e - l e v e l ( 3 ) 空间电压矢量法( s v p w m ) 图1 - 2 三电平多载波s p w m 调制 n f i g l - 2 t h es p w mm o d u l a t i o no f t h t e e - l e v e lm u l t i - c a r r i e r 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 空间电压矢量p w m 调制原理：采用一个旋转的空间电压矢量代替三相正弦交流电 压，可实现的矢量轨迹是一个正六边形，划分该正六边形为多个扇区，用该六边形的若 干顶点合成得到每个扇区内的点。空间电压矢量算法实现了较大的调制范围，大大提高 了直流侧电压的利用率。多电平空间矢量控制方式的调制思路与两电平s v p w i v i 是相似 的，但其有更紧密的空间电压矢量，更自然的过渡合成，所以合成的磁链更接近圆形磁 场，而且可以实现平衡直流侧分压电容的电位。此法也有一定的缺点，控制算法比较复 杂，对五电平以上的电路不太适用，很多学者也提出了其它的s v p w m 简化算法，也有 对实际问题提出了改进的s v p w m 控制算法等。 1 2 3 容错技术的研究现状 近三十几年来容错技术发展的速度很快，首次出现在计算机中。这是由于现代工业 技术的快速发展要求计算机的可靠性必须要高。此外动态系统，对容错状态工作也有一 定的需要，因为任何系统都会出现故障状态。由于长期不问断工作的需要或某些任务的 需要，希望系统在某些单元故障的情况下，仍能正常地不间断地工作。要实现上述容错 要求，一方面可以用牺牲性能来维持控制的稳定性，即工作可靠但性能下降；另一方面， 用冗余资源使故障部分切除并切换上正常的部件或用正常部件承担更多工作。 在冗余设计时，必须考虑几个方面的问题： ( 1 ) 单元可靠性是系统可靠性的基础，因此必须努力提高单元的可靠性； ( 2 ) 对于简单并联冗余系统，当冗余超过一定数量时，可靠性提高的速度大为减缓， 同时采用冗余也就意味着成本的增加，因此在设计时必须考虑费效比问题； ( 3 ) 采用何种冗余方法要根据实际情况决定，一般在低级别部位采用冗余的效果比 在高级部位采用冗余的效果好； ( 4 ) 并不是所有单元都可以冗余，比如当失效单元无法有效地隔离时，就无法采用 冗余。 1 3 本课题的研究目标及主要内容 本课题的研究目标是利用实验室资源，搭建基于n p c - - - 电平逆变器的拓扑结构，控 制方式采用空间电压矢量( s v p w m ) 调制技术，同时采用冗余技术，解决三电平逆变器 发生短路故障的问题。系统的主电路、控制电路、驱动电路等硬件电路均自行设计研发， d s p 控制芯片采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型。最终通过实验调试，完成基于空间矢量控制技术 5 第l 章绪论 的算法，并在逆变器发生短路故障时，利用冗余技术维持系统正常运行。本课题研究的 主要内容： 1 分析二极管箝位型( n p c ) 三电平逆变器的电压空间矢量种类，如何确定参考电压 矢量所处的扇区及区间，矢量作用时间及矢量脉冲发送原则。 2 系统发生短路故障时，采用冗余空间电压矢量代替故障失效矢量实现冗余算法。 3 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，搭建采用空间电压矢量控制的三电平逆变器拓扑结 构，观察相电压和线电压波形。并采用冗余控制算法，分析电压波形。 4 对硬件电路进行设计和实验。采用d s p 编程实现基于s v p w m 算法的三电平逆变 器控制，并且在系统发生短路故障时，采用冗余技术维持系统正常运行。 5 结合软硬件，不断调试三电平逆变器的控制策略，研究分析仿真结果，最终实现 容错技术。 1 4 本章小结 本章对多电平逆变器的技术进行了介绍，包括多电平逆变器技术的研究现状、应用 及其常见的几种控制策略，其中对多电平逆变器的优点及几种拓扑结构进行了简要的说 明。最后介绍了本课题的主要研究内容。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章n p c 型三电平逆变器s v p w m 控制策略的研究 2 1 n p c 三电平逆变器的拓扑结构及工作原理 基于两电平逆变器的主电路结构，对其进行改进就得到了三电平逆变器的拓扑电 路。三电平逆变器的结构具有使开关功率器件的工作频率大大降低，开关器件的应力减 小，输出电压谐波含量降低等一系列的优点。目前三电平逆变器主要有三种主电路结构： 级联型( c a s c a d e d ) 三电平逆变器、飞跨电容箝位式( f l yc a p a c i t o r s ) 三电平逆变器和二极 管箝位型( d i o d ec l a m p e d ) 三电平逆变器。 2 1 1 三电平逆变器的拓扑结构 1 级联型三电平逆变器【1 8 】( c a s c a d e dt h r e e 1 e v e li n v e r t e r ) 1 9 7 5 年，由p h a m m o n d 提出了一种输入端采用隔离直流电源，输出端由多个h 逆 变桥串联的结构。合成一个期望的电压时，通过几个独立的直流电源实现，拓扑结构如 图2 1 所示( 图中只画了一相，其余两相与之相同) 。级联式逆变器是提出最早的一种多 电平逆变器结构，也被称为隔离直流电源式逆变器。该种逆变器通过任意组合每级的四 个开关器件得到三种不同的电压值，结构中无需添加箝位二极管或电容。这种拓扑具有 以下一系列优点： ( 1 ) 结构简单，不需要电容或箝位二极管，便于模块化设计和封装； ( 2 ) 开关器件由于开通和关断在基频下实现，所以开关损耗小，效率高； ( 3 ) 输出越多的电平数，得到越小的电压谐波含量； ( 4 ) 不存在直流侧电压不均衡的问题。 但该结构也存在一定的缺点，输入端需要多个独立直流，而且不易实现四象限运行。 图2 1 级联型三电平逆变器 f i 9 2 - 1c a s c a d e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 7 第2 章n p c 型三电平逆变器s v p w m 控制策略的研究 2 飞跨电容箝位式三电平逆变器( f l y i n g - c 印a c i t o rt h r e e 1 e v e li n v e r t e r ) 在1 9 9 2 年由h f o c h 和t a m e y n a r d 提出了飞跨电容箝位式逆变器的结构，其拓扑 如图2 2 所示。与二极管箝位式结构不同之处在于使用并联电容代替了并联的箝位二极 管，也就是飞跨电容箝位式逆变器通过电容进行箝位。 图2 - 2 飞跨电容型三电平逆变器 f i 9 2 - 2f l y i n g - c a p a c i t o rt h r e e - l e v e li n v e r t e r 如下表2 1 所示，对应飞跨电容型三电平的开关状态和输出相电压之间的对应关系。 表2 - l 飞跨蝴l 三电平逆变器开关状态与相电压帕对应关系 t i b k 2 一l t l他1 31 4 相电压 lloo 珞忍 lo lo o ol0l o o ll一忍 相比与二极管箝位式逆变器，飞跨电容箝位式逆变器具有更为灵活的开关选择。在 相同的空间电压矢量合成时可以选择多种电压矢量，从而均衡了直流侧的电容电压，最 终大大优化了飞跨电容箝位式逆变器拓扑的控制策略。但该种逆变器也有一定的缺点， 在用大量电容取代大量二极管的同时，大大增加了系统的成本和体积。另外在获得相同 的电平时可以选择多种不同的开关组合，这就大大复杂化了系统的控制。 3 二极管箝位型三电平逆变器( d i o d e c l a m p e d t h r e e 1 e v e li n v e r t e r ) 两电平逆变器电路输出的相电压值有两种：吃2 和一吃2 ( 屹表示直流侧输出电 压) 。如果要得到更接近正弦波的波形，就要使逆变电路的相电压输出更多的电平数， 也称该电路为中点箝位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d - - n p c ) 逆变电路。如图2 3 是中点箝位 三电平逆变电路图。 该电路的每一相桥臂结构包括四个开关器件、四个续流二极管和两个箝位二极管。 通过箝位二极管连接两个串联开关器件的中点和直流侧电容的中点。在开关管导通时， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 箝位二极管可给电流提供通道以防止电容短路。 n p c 三电平逆变器的主电路结构中，平均每个主开关管器件承受直流侧母线电压一 半的正向阻断电压。相比与传统的两电平逆变器拓扑结构，二极管中点箝位式三电平逆 变器的优点主要有：器件具有承受正向阻断电压两倍的能力；可以大大的减少谐波，降 低开关频率，减小系统损耗，如要达到相同的输出性能指标并以开关频率来衡量，三电 平是两电平开关频率的1 5 ；其电压上升率( d v d t ) 是两电平逆变器的1 2 ，电流上升率 ( d i d t ) 也伴随着减少，可大大降低对电机的绝缘性能的损害，增长电机的工作寿命；由 于增加了电平数，相对降低每个电平的幅值，减少了电压的变化，主电路含有的电流脉 动成分减小，同时也降低电磁噪声和转矩脉动；若三电平逆变器连接三相对称的星形负 载且中点悬空，负载中就不会产生3 的倍数次的谐波电流。 p “ 图2 - 3 二极管筘位型三电平逆变器主电路图 f i 9 2 - 3d i o d e - e l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 2 1 2n p c 三电平逆变器的工作原理 以图2 3 所示三电平逆变器的主电路，分析a 相的输出相电压工作原理，开关器件 不计其导通压降，为理想器件。负载电流由三电平逆变器流向负载的方向定义为正方向。 ( 1 ) 当开通s i 、s 2 ，关断s 3 、s 4 时，若负载电流为正方向，则电源对电容c l 充电， 此时电流从p 点流向主开关器件s i 、s 2 ，输出端电位与p 点相同，输出电压u - + 圪2 ； 若电流流过与主开关管s l 、s 2 反并联的续流二极管，则负载电流为负方向，此时对电容 c l 充电，电流流入p 点，该相输出端电位也与p 点电位相同，输出电压u - + 2 ，如 图2 4 ( a ) 所示工作模式。 9 第2 章n p c 型三电平逆变器s v p w m 控制策略的研究 n ( a ) 工作模式1 ( m o d e1 ) p p n ( b ) 工作模式2 ( m o d e 2 ) ( c ) 工作模式3 ( m o d e 3 ) 图2 _ 4 工作模式分析 f i 9 2 - 4 a n a l y s i so fw o r km o d e s ( 2 ) 当开通s 2 、s 3 ，关断s i 、s 4 时，若负载电流为正方向，电流从o 点依次流向 箝位二极管d l 、主开关管s 2 ，此时该相输出端电位与o 点电位相同，输出电压u = 0 ， 电源对电容c l 充电。若负载电流为负方向，电源对电容c 2 充电，则电流依次流向主开 关管s 3 、箝位二极管d 2 ，电流流入o 点，此时该相输出端电位与o 点电位相同，输出 电压u = 0 ，如图2 4 ( b ) 所示工作模式。 ( 3 ) 当开通s 3 、s 4 ，关断s i 、s 2 时，若负载电流为正方向，则对电容c 2 放电，电 流从n 点流过与主开关管s 3 、s 4 反并联的续流二极管，得到的电压端电位u = 一吃2 ， 等同于n 点；如果负载电流流入n 点，则为负方向，经过功率开关管s 3 、s 4 ，此时该 相输出端电位也与n 点电位相同，输出电压u = 一吃2 ，电源对电容c 2 充电，如图2 4 ( c ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 所示工作模式。 由n p c 三电平逆变器的定义可知，逆变器桥臂的每4 个主开关器件对应3 种不同 的输出电位屹2 、0 、- 吃2 ，有3 种不同的通断组合，分别表示为符号p 、o 、n ，如 下表2 2 所示。 表2 - 2 开关状态与箱1 出相由压的列瞳弓乓系 t a b l e2 - 2t h ee o n r e s p o n d i n gr e l 鲥, o a s h i pb e t w e m is w i t c hs 输出开关状态输出 状态 s ls 2s 3骈电压 p 通通断断 + ，2 o断 遁通 断o n 断断通通 一珞，2 2 2n p c 三电平逆变器的空间电压矢量 给交流电动机输入三相正弦电流，是为了在空间形成圆形旋转磁场，最终得到恒定 的电磁转矩。看做交流电动机和逆变器为一体，改变逆变器的控制方法以得到圆形旋转 磁场，称此方法为磁链跟踪控制，这种控制的实现方法是选择不同的电压空间矢量得到 磁场，因此也叫做“空间电压矢量p w m ( s p a c e v e c t o r p w m w s v p w m ) 控制。 1 空间电压矢量分布图 假设三相对称系统所带负载为交流电机，给电机加上三相正弦电压时，在静止坐标 系口一上，此时交流电机得到的气隙磁通为圆形运动轨迹。定义三相正弦电压瞬时值 表达式为： u a = s i n ( c o t ) u b = 砜s i n ( c o t 一娶) ( 2 1 ) j = 吒s i n ( c o t + 娶) 则与之对应的空间电压矢量的表达式为： 跖= 普( + 口u b + a 2 u c ) ( 口= 3 ) ( 2 2 ) 采用三相逆变器时，负载电机气隙磁通矢量的运行轨迹也可以用上面这种方法来分 析。定义逆变器的中性点用n 表示，零电位的参考点用0 表示，z 切、z 幻、代表电 第2 章n p c 型三电平逆变器$ v p w i v l 控制策略的研究 蚝= ；( + 口 i - o 2 u c n ) = ( u a o q u b o g i4 口2 ) = 一j ( 2 - 3 ) l 2 u a o z 锄 同时有 = u b o - - “n o ( 2 - 4 ) 【2 u c o z