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三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究.pdf

三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究

zhl5188
2011-04-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究pdf》,可适用于高等教育领域

北京交通大学硕士学位论文三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究姓名:张晔申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:汤钰鹏中文摘要近年来三电平逆变器由于具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小的优点在中高压调速领域、交流柔性供电系统的无功补偿中得到了广泛的应用。本文主要对三电平逆变器的拓扑结构及调制策略进行了深入研究论述和分析了二极管箝位型中点电位的平衡问题并得出中点电荷调制算法以及修萨方法。本文首先对多电平逆变器的研究意义和发展现状做了较为详细的综述。其次研究了多电平逆变器的三种基本拓扑结构包括工作原理和各自的优缺点。在此基础上研究了逆变器的两种控制方法载波调制PWM方法和空间矢量PWM方法。着重论述了空间矢量PWM控制方法分析了三电平空间电压矢量调制基本原理提出了一种采用小三角形顶点矢量合成参考矢量的空间矢量脉宽调制算法给出了小三角形区域判断规则、推导出各合成电压矢量的作用时间及矢量优化方法。然后以中点箝位型三电平逆变器的基本拓扑结构为基础分析了中点电位不平衡的原因并提出了中点电荷调制算法面对试验中的失效情况详细分析原因并提出了改善失效情况的修正方法。本文最后在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了分别以SPWM和SVPWM作为控制方法的仿真模型及具有中点电位平衡功能的SVPWM控制方法的仿真模型。详细叙述了模型的搭建思路及主要功能模块作用用仿真结果验证了之前所述各项方案的正确和可行性。关键词:三电平逆变器SPWMSVPWM中点电位平衡分类号:TMABSTRACTABSTRACT:Recently,threelevelinvertershavebeenbecomingincreasinglypopularinmediumhighvoltageacdrivesystemsandFACTSequipmentsmainlybecauseoftheirhighvoltagecapability,highoutputquality,lowswitchinglossesandlowEMCconcerns.ThethesisprimarilymakesanindepthresearchonthemultilevelinvertertopologicalstructureandcontrolmethordandanalyzedthebalanceproblemofDiodeclampedconverter’sneutralpointvoltageandfindsthemodulationalgorithmofneutralpointelectronicchargeanditsmodifymethods.Thethesismakesratherdetailedsummarizefortheresearchsignificationandactualitydevelopmentofmultilevelinverterfirstly.Thenthethesisinvestigatesthethreebasictopologicalstructuresformultilevelinverterincludingtheprincipleofworkingandeachadvantageanddisadvantage.OnmebasisthethesisinvestigatesthetwocontrolmethodsofinverterswhichisSPWMandSVPWM.ItmainlydiscussestheSVPWMmethodandanalyzesthekeystoneofthreelevelSVPWM.AnditputsforwardthealgorithmofSVPWMwhichusesthelittletrianglevertexvectorsynthesizedreferencevector,andcomesoutthelittletriangleregionaljudgmentrulesexportseverysynthesizevoltagevector’Seffecttimeandvectoroptimizedmethod.Andthenitusesbasictopologicalstructureofdiodeclampedthreelevelinverterasbasicanalysesthereasonoflopsidedneutralpointvoltageandgivesthemodulatedalgorithmofneutralpointelectroniccharge.Itlaborsthereasonsofinvalidationinthesimulation.andputsforwardthecorrectionmethodofimprovinginvalidationinstances.AttheendofthethesisitbuildsthesimulationmodelswhichusesSPWMandSVPWMascontrolledmethodandthesimulationmodelwhichusesSVPWMcontrolledmethodwithneutralpointvoltagebalancefunction.Itdescribestheputtingupideasandtheeffectofmainfunctionmoduleindetailandvalidatestheexactitudeandpossibilityofeveryprojectrefen'edbeforeusedtheresultofsimulation.KEYWORDS:threelevelinvertersSPWMSVPWMneutral.pointvoltagebalanceCI。ASSNo:TM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:工吁年月笏日签字日期:砂唧年cf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。.课题背景和意义引言电力电子技术自世纪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【。..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世纪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世纪年代提出了柔性交流输配电系统(FlexibleACTransmissionSystem简称FACTS)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(SVG)、电力有源滤波器(APF)、综合潮流控制器(UPFC)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du/dt大EMI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.kW、.kV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【ZJJ。..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。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Ij{『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%.%用于驱动电机做功其中%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%以上的各种风机、泵类负载全国有万台总功率约为.亿kW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%计算全国一年节省的电能约为亿kW·h相当于万kW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万吨的发电用煤力.吨的二氧化硫和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】。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。.多电平逆变器发展过程及优势..多电平逆变器的发展过程多电平逆变技术可以追溯到世纪年代早在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的逆变技术。年德国学者Holtz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。年日本长冈科技大学的南波江章(A.KiraNabae)等人在IEEE工业应用(IAS)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。年P.M.Bhagwat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。年在IEEE工业应用(IAS)年会上FangZ.Peng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。..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:()每个功率器件仅承受l/fN一)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。()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THD大大降低。()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。()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dv/dt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EMI特性。()无需输出变压器大大减小了系统的体积和损耗【】。.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(Diode.clampedmultilevelinverter)、飞跨电容型多电平逆变器(Flying.capacitormultilevelinverter)、和级联型多电平逆变器(Cascadedmultilevelinverter)。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(PulsewidthModulationPWM)目前分为三大类:载波调制PWM控制法(CartierwavemodulatePwM)、消除特定谐波PWM控制法(SdectedharmoniceliminationPwM)空间电压矢量PWM控制法(SpaceVectorPWM)。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、ABB、GE、阿尔斯通、东芝、三菱、安川、三星等公司都已推出成熟产品。如GE公司推出了“INNOVATION”系列变频器。该变频器采用先进的功率器件IGCT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。ABB公司推出的三电平ACS系列高压变频器主电路功率器件也为IGCT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±kvar静止无功补偿器采用了GTO三电平逆变成都的东方凯奇电气公司生产的采用IGCT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。.本文所做工作本文主要从以下几个方面进行了研究:()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的优缺点。但)研究了SPWM和SVPWM两种控制方法详细阐述了各自的工作原理尤其是对SVPWM控制方法进行了深入的研究。()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。()在MATLAB/SimuliJll(仿真环境下搭建SPWM和SVPWM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。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。.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(NeutralPointClampedNPC)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。..拓扑结构与工作原理如图.所示为二极管筘位型三电平逆变器的主电路结构。三电平NPC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【】【】。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’、f一o.sbL.十Scl:l牵Cl∈三k≮瓢以l李聿圭奋本士s型}/.本lOI●一一Zss”一:l今z广●。一一ssbjf盔ssc芝冬CES“^Sb.全Sc.AI~UVW图二极管箝何型二电平逆变器主电路拓扑结构Fig.Topologystructureofdiodeclampedthree·levelconvener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种开关状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)态(b)O态(c)态图A相的三种开关状态Fig.ThreestatesofswitchesofAphase如图.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(a)所示U们=%/这种状态定义为态即疋=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(b)所示U。D=这种状态定义为态即咒=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(c)所示U加=一%/这种状态定义为一l态即疋=一。从表.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【。/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【】f。表.二极管箝位型输出电压与开关状态之间的关系TableOutputvoltagesandswitches’stateofdiodeclampedthreelevelconverter状态变量开关状态输出电压瓯S是S只Uk|lllOOOllOUdc}.OO注:“”表示开关器l:导通状态“”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%来表示即:U爿o=soUa,/t=SbUdc/Uco=scUdc/三相输出的线电压分别为(so)(昆=)()(芝=)笼=誓三:÷差肿匪羽..二极管箝位型三电平逆变器特点()()()()()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:()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。()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。()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:()需要大量箝位二极管。()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。()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:()N电平逆变器需要N.个分压电容。电平数为N的三相逆变器含有(N.)个全控型功率器件和(N.)个箝位二极管。()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。()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RC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。.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.Meynard和H.Foch于年在PESC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。..拓扑结构及工作原理如图.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|clf藤藤高一s。劲(cI∞s刚沿s咧(UVW图飞跨电容型三电平逆变器主电路拓扑结构Fig.Topologystructureofflyingcapacaitorthreelevelinverter表.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%/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)一态图A相的三种关状态Fig.ThreestatesofswitchesofAphase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念即疋=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Sa=当开关疋和疋。导通时飞跨电容通过负载放电此时电路输出零电平用“."来表示即Sa=lO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.态即疋=。从上述分析不难看出“”和“.’’两种状态不影响飞跨电容的电压而“o”和“.”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“."两种状态所持续的时间相等。表飞跨电容型输出电压与开关状态之间的关系(A相)TableOutputvoltagesandswitches’stateofflying·capacaitorthreelevelinverter状态变量开关状态输出电压s墨是墨墨Udc|OO(o)lOlO(一)Ol一Udc{.OOl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、Sc和输入直流%来表示即:善=誓三:÷茎c·..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:()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。()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:()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。()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:()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(N.)个全控型功率开关管(N.)个分压电容。(N.)(N.)/个筘位电容。()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。.级联型多电平逆变器早在年由R.H.Backer等人对级联型拓扑申请了专利。M.Marchesoni等人在年PESC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【lo】。直到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。..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。这种变换器由个单相全桥电路级联而成。每相有两个单项全桥的变换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.级联型五电平三相逆变器拓扑结构(星形联结)Fig.Topologystructureofcascadedfivelevelconverter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.总结它们在结构方面的不同。表.箝位型与级联型电路结构对比Tab.ComparisonofclampedwiⅡlcascadedcircuitstructure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fl: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。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【¨。图级联型五电平变化器的单臂电路Fig。Singlearmelectricbridgeofcascadedfivelevelconverter表级联型五电平逆变器输出电压与开关状态Tab.Outputvoltagesandswitches’stateofcascadedfivelevelconverter输出开关状态电压S足是s。Ss最s、最%OOllOVdcllllOO叫dcOllOl%lllO注:“”表示开关器件导通状态“”表示开关器什关断状态。..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:()对于N电平逆变器需要(N.)/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N.。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。()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。()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。()容易实现软丌关技术避免了笨重、耗能的阻容吸收电路。()不存在电容电压平衡问题。()控制方法简单每一个基本单元可以进行独立控制。缺点:()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。()不容易实现四象限运行【J。.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。三电平逆变器控制方法的研究在电气传动中广泛地应用PWM控制技术。PWM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。PWM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PWM(SPwM)和空间矢量PWM(SVPWM)两种控制策略分别进行研究。.正弦PWM控制方法三电平逆变器的载波PWM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PWM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PWM调制的故称为『F弦脉宽控制即SPWM(SinusodiaPWM)。这种SPWM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(sub.HarmoniCSPWM)本节主要研究这种方法。三角载波层叠法是直接从两电平SPWM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uaPWM控制法和波反相层叠PWM。一E/l一一一一一一一一一一一一一一一一一一一(a)载波同相留‘“、努¨芗lL石/、、、一、一矿、、L彳n.。●●。。旷。。。。、、、、j。。r。。。。。、、博i婪卜!。k。。。、、辩州㈠¨¨¨"自.T|=二拼N㈠n驴^““.●一㈠Mn^玛幻!T|一㈨㈧n霉㈡|一“㈧n¨¨l弧的∥叠甜层相Oe/地¨Y!|\/、÷一一嚣l一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一(b)载波反相图载波层叠PWM控制方法的工作波形Fig.·waveformofcarrierwavemodulatePWM如图.所示是载波层叠PWM控制方法的工作波形其中图.(a)是载波同相的情况.(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PWM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/产生电压的PWM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产生电压的PWM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PWM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。.空间矢量PWM控制方法空间矢量PWM控制方法(SpaceVectorPWM)SVPWM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PWM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甜Ⅵ㈡U《r狁、㈠¨¨●b㈠¨¨。。¨¨¨u荆㈨岢“褂㈠较适合应用在三电平逆变交流驱动的场合。下面将从SVPWM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SVPWM调制方法进行研究。..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场轨迹为圆的目标来形成PWM加以控制效果更加直接。由于磁链是由电压矢量相加得到的所以也称为电压空间矢量控制。对于三相异步电动机由于其绕组分布在空间上互差。因而可用vx、圪、旷来表示它们在时序上相差方向始终沿各相的轴线大小随时间变化。设三相逆变器输出的电压是对称的正弦电压且%、Ub、Uc分别加在xyz轴上。定义:吒=‰sin(cot)ub=%sin(cot一警)(.)咋=%sin(cot竽)则这三个空间矢量可以合成一个旋转的空间矢量V在空间以角频率CO旋转。三个矢量合成的矢量V可以表示为:'.trV=KKK=詈(心au口“。)=口。)(.)对于三相电机在对称正弦电压供电的时候由于每项的方程式形式相同因此对三相可以用空间矢量方程式表示:睢肌警()其中R为定子绕组电阻为电子绕组电流合成的电流矢量∥为定子合成磁链空间矢量。当电机低速旋转时定子电压与磁链空I’日J矢量可近似表示为:队警()这个式子说明电压空问矢量的大小与磁链的变化率相等。当旋转磁场为圆时即妙=川P埘时电压空间矢量可表示为:y=警=国W∽啦)=w∽栊’()从该式可以看出当逆变器的输出电压空间矢量为圆时电机的旋转磁场也为圆这就是电压空Iq矢量的基本思想三电平逆变器电压空I’日J矢量的概念也来源于此【。..三电平的开关状态与电压矢量三电平逆变器可以拖动各种各样的负载并不一定像电机负载那样对称的分布的三相绕组因此对于普遍意义上的SVPWM方法空间更多的是数学上的意义并不都是物理上的意义。普遍意义上的电压空间矢量从数学的角度出发将三相逆变器的各相电压定义在互差。的坐标轴上将三相的输出电压%、ub、uc看做三个空问矢量对应的空间电压相量定义为:’f置y=KKK=詈(“。au口“。)(a=P。)(.)理想的三电平逆变器电路开关模型如图所示每项桥臂结构可以简化成为一个与直流电源相通的单刀三掷开关S。PEN图.三电平逆变器的开关模型Fig.Threelevelconverterswitchmodel以图中O点为逆变器零电位参考点则三电平逆变电路的一个桥臂只有三种输出状态E/、和一驯三种输出电平即每相输出电压分别有正(P)、零(o)、负(N)三种丌关状态。定义开关变量疋、墨、疋代表各相桥臂的输出状态则各项电压表示为:%=罢疋%=詈疋%=詈≮再三电平逆变器中引入开关函数S(i表示第i相i=口bc『表示开关状态J=P,ON)。对于每一相引入一个丌关变量墨(i=口bc)定义:IJ=P墨=S={J=()卜lJ=N三相三电平逆变器可以输出=种电压状态组合对应不同的逆变器开关状态此时将S带入式(.)可得电压空间矢量向量为:y=·手(.靶口口s。)=苔E(s。一s。一So)j,fi(s。一≮)()将种组合带入上式可算得电压空间矢量具体电压矢量参见附录A。种开关状态实际上只对应了个空问向量并且这些空间向量的幅值只有四种根据幅值的大小将这些向量分为大矢量(模长,'r.dc)中矢量(模长华)qj小矢量(模长等)和零矢量(模长o)其中小矢量和零矢量的状态存在冗余后面研j究中点电位平衡问题时我们将利用得到这一点。在口一∥平面上组空间状态所对应的空间向量如图.所示。图中带箭头且长度不同的实线既代表空间电压矢量的模长同时又示出了该矢量空间位置(以口轴J下方向为参考)【】【。NPPJJLNPNOPNPPNN/P、‘k八、\/’/PPOjPON\\/\/\P饼伙//淤{/\l彪\P眦ZoPn£N\殄形一五。。∑∥o≥u~r\入/\ONO/nwf\rVNNPONPPNP图.三电平逆变器空间电压向量图Fig.Spacevectordiagramofthreelevelinverter..扇区划分及区域判断要生成圆形的旋转电压空间矢量只用个基本的电压空间矢量来作用是不够的还要由基本的电压空问矢量合成需要的参考矢量接下来的两个小节将研究这一问题。在前d,节中计算的电压矢量y即是我们要通过控制开关器件来合成的参考矢量吃。在确定了参考矢量%后下一步就要判断参考矢量具体落在什么位置以便选择具体有哪些矢量来进行合成。为了计算的方便将整个平面划分为六个大区域每个大区域再分为个个小区域共划分成个小区域。对于参考矢量形首先判断其落在哪一个大区域然后判断具体落在大区域中的哪个小区域之中。表区域划分Tab.Sectordivisionofthreelevelspacevector以口轴起始逆时针方句电角度(单位:。)~~~区域IIIllⅣVⅥ具体的划分是从口轴开始逆时针方向每。定义为一个大区域这样空问被分为六个大区域(I~WI)表.给出了区域号及角度。判断大区域的方法相对容易就是检测参考矢量的幅角幅角在哪个区域内参考矢量就是落在陔区域中。IIV图电压欠量区域划分Fig.Sectordivisionofspacevectora在每一个大区域中以矢量的顶点为界又可以分为四个小区域共分为个小区域小区域划分及编号如图所示。接下来进行参考矢量所在的具体小区域判断方法为了便于说明我们以I区为例其他区域的判断方法相同。如图.所示假设参考矢量%落在I区内按照平行四边形的原则将其向。和。方向上进行矢量分解分解分别得到矢量吆M和%枷【】。Fig.Decompositionofreferencevectorg定义参数口、b分别为%埘、%.鲫与大矢量的模长之比:口=矧p易=I"l篙rerJ【()易f‰J’其中i%.。l、l%捌f表示%.。、%.鲫的模长随着%的幅值和角度的不同而变化lVpNNl是大矢量的模长为定值驯。根据a、b的值进行如表判断得出参考适量具体落在哪一个小三角形区域中。表参考矢量位置判断Tab.Referencespacevectorjudgingmethod口b口b目标欠量<.<O.<.区<O.<.>.区>O.<.区<O.>.区图ab分析图Fig..Analysisofa这里需要解释a为何要与.进行比较来进行区域判断的。如图所示以参考矢量%落在l小区为例说明l小区的形状AOBF为正三角形%.。长度等于CD的长度EA是过参考矢量圪顶点与区边缘BF平行的线段ACDE也为正三角形因此%.。长度与CE的长度相等即%.。If%.甜l与OE的长度相等。换句话说I%埘II%.鲫I的长度总是等于通过%顶点且与BF平行的的三角形的边长相等。假设%的顶点始终沿着区边缘BF上运动的话那么l%.小..I%.卯l将始终等于OF的长度即此时ab为恒定值o.。因此ab=o.是判断区与、、区的分界线并且是严格判断的。此方法判断参考矢量杉所在小区域简洁有效计算容易实现方便。..电压矢量作用时间计算判断了参考矢量所在的区域后下一步就要确定合成参考矢量的具体矢量然后计算它的作用时间。从三电平逆变器的空间矢量图不难看出电压矢量具有一定的对称性。因此在讨论具体形成的过程中只需讨论第一扇区的情况对于其他扇区的情况可以通过旋转和对称的关系得到。为了减少逆变器输出电压的谐波合成矢量时候一般都要尽量选用参考矢量所在区域的最小三角形上的三个顶点上的矢量根据伏秒等效合成的原理来合成。扇区I中每个小区域所对应的电压矢量详情见表.所示。如图所示%参考矢量落在区内就用咋DⅣ、‰(或%DⅣ)和哆DD(或‰)来合成落在区内就用‰、‰、‰(或吃洲)来合成。在求解矢量方程前首先定义电压调制比的概念它是空间中任意参考矢量表.扇区I中小区域对戍的电压矢量Tab.SpacevectorofeveryregioninsectorI区域对应的电压矢量l咋Po(或VooⅣ)、)IooD(或‘PP、吮M)、%oD(或%ⅣⅣ)‰、‰(或%鲫)、‰(或‰)‰、‰、‰(或‰)‰、咋DⅣ、K彻(或Vo伽)与大矢量的模长之比:m=鹣p㈣=÷二÷f.I‰l、一如图所示以参考矢量落在区为例选取矢量咋洲、KM、‘DD作用。C对应矢量圪DⅣ弓对应矢量屹州、t对应矢量%DD(或%ⅣⅣ)的作用时间五为开关周期(即载波的周期)具体计算方法如下【】【】:瓦=正瓦Z五%=e‰Ⅳ珐匕州五‰D联立可以解出三个合成矢量各自作用的时间的多少:z=msr

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三电平逆变器控制方法与中点电位平衡的研究

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