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三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现.pdf

三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现

西洋师傅
2012-03-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现pdf》,可适用于IT/计算机领域

】B三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现TheModulationandRealizationofThree.LevellnverterinSVPWM作者姓名:学位类型:专业:研究方向:指导教师:逢聪堂压强±查杰叟曼兰盎壶篷麴堑型整左佳兹王登筮麴援年月三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现摘要进入世纪以来越来越多的国家注意到了绿色能源的开发和利用本论文探究的三电平逆变器由于是有优良的输出特性在许多工业领域得到了广泛的应用。论文通过查阙大量国内步}参考文献对三电平逆变嚣静硬究现状有了系统的认识。论文深入研究了三电平逆变器的基本结构、SVPWM控制策略、中点问题及SVPWM的实现论文首先分辑了三电平逆交器的基本原理。综合比较了多电乎递交电路典型拓扑结构、调制方式和电力电子期间的优缺点。论文深入地研究了三电平逆变器的SVPWM调制策略还介绍了三电平遂交器的两种SVPWM控毒l策略一是SVPWM的传统控制策珞二楚适应于多电平的控制算法。论文对兰电平逆变器存在的中点电位漂移问题进行了讨论并采用两种方法来实现中点电压平衡即区域小矢羹分配法和检测瞬时电流值方法。并对其可行性傲了分扳论证。论文对三电平逆变器SVPWM调制实现进行了详细说明。列举了三种实现方法并且就DSP和FPGA组成的组合控制方式进行了说明和验证。论文最后对本课题进行了总结帮展望关键词:三电平逆交器、PWM控制策略、空间电压矢量PWM中点电位控制TheModulationandRealizationofThreeLevelInverterinSVPWMAbstractWithcomingintothestcentury,moreandmorecountrywillPaYattentiontotheexploitationandutilizationofgreenenergy$OUrCO.。q.Inmypaperwilldiscussthethree。level{nverterwhichhasbeenwidelyusedirlwetelectronics.thispapermakeidealontheactualityofthree.evelinverterthroughreadmglotsofreferencepapers.确ebasicstructurewillberesearchedineludhagSVP硼modulationstrategy,midpointimbalanceandtherealizationofSVPWMmodulationstrategy,弧ebasictheoryOnthreelevelinverterwillbeenfirstlyanalyzed髓erepresentativetopology,modulatiOilstrategyandelectronapparatusarecompared.ThispaperisconcentratedonSVPWMmodulationstrategYusedinthree.evelinverter.TwSVPWMmodulationsaleintroduced.whicharethetraditionmodul嫩ionandthenewmodulationusingeasilyformutil.ever.零hefluctuationoftheneutralpointoccurringinthethreeleverinverterisdiscussed。TwoeliminationmeansareadoptedwhicharesixareasSillallvectotdistribulionandcheekingCUlTClitimmediately秘lerealizationOntN'eelevelittvel{erSVP鳓modulationstrategywiIlbedeeplyanalyzedandthreemeanswillbeenumerated.TKSpaperdiscusstheDSP譬pGAcombinationmeansAtiastthesummariz敷ionandexpectationOil{董listopicwillbeenlied.Keywords:ThreelevelinverterPgvqvlmodulationstrategySVPWMMidpointcontrol插图列表图.二极管中点钳位三电平逆变器电路图⋯⋯⋯⋯⋯.图.自均压飞跨电容多电平变换器⋯⋯⋯.............图.多级多电平逆变器电路图......⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图多电平消谐波PWM法波形图⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯..图卜开关频率优化PWM(SFOPW~i)波形图⋯⋯⋯⋯⋯.图三角载移相PWM方法(PSPVN)波形图.....⋯⋯⋯.图两电平逆变器模型....⋯⋯......⋯⋯..........图.两电平逆变器空间电压矢量图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图最近矢量法电压空间矢量PWld原理图..⋯⋯⋯⋯..图电压空间矢量合成⋯⋯⋯⋯..⋯......⋯⋯⋯图三电平逆变器主电路模型⋯⋯⋯⋯......⋯⋯..图三电平空间电压矢量分布图⋯......⋯⋯⋯⋯⋯图传统方法举例说明⋯⋯......⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图新型算法坐标变换图⋯.....⋯⋯⋯⋯⋯⋯....图一l三电平中点钳位主电路图⋯....⋯⋯⋯..⋯.....图中点电位不平衡说明⋯⋯.....⋯⋯⋯⋯....⋯图参考矢量合成图⋯⋯.⋯..⋯⋯⋯⋯⋯....⋯图聊=O.中点电位抖动情况.....⋯⋯⋯..⋯......图六区域小矢量分配法示意图⋯⋯⋯⋯⋯......⋯图试验结果图..⋯⋯..⋯⋯......⋯⋯⋯⋯⋯图存储分布图⋯⋯...⋯⋯⋯⋯⋯....⋯⋯⋯.图单独用DSP实现系统示意图⋯⋯⋯⋯....⋯⋯..图DSP实现程序图⋯⋯..⋯⋯⋯⋯⋯.....⋯⋯图FPGA单独SVPwM调制图.⋯⋯⋯⋯⋯..⋯⋯⋯图FPGfi实现过程⋯..⋯⋯⋯⋯....⋯.⋯⋯⋯.图DF组合实现SVPWM调制系统示意图⋯⋯⋯...⋯.图DSP和FPGA连接图⋯..⋯⋯⋯⋯⋯..⋯⋯⋯图FPGA内部功能连接示意图⋯⋯⋯......⋯⋯⋯.图DF组合程序图之DSP.⋯⋯⋯⋯...⋯⋯⋯⋯图DF组合程序图之FPGA⋯⋯⋯⋯...⋯⋯⋯⋯图实现结果图⋯.⋯⋯...⋯⋯..⋯⋯...⋯..⋯图FPGA内部结构示意图⋯⋯....⋯⋯⋯⋯.......图FPGA内部连接图⋯⋯⋯⋯⋯....⋯⋯⋯.....图(a)DSP电源图.⋯⋯⋯⋯....⋯...⋯⋯..⋯.图(b)FPGA电源图⋯⋯.⋯...⋯⋯⋯⋯.⋯⋯..图驱动电路设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯...⋯..⋯.⋯图I检测电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.........⋯.⋯..⋯⋯⋯⋯⋯..⋯.....⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯..........⋯⋯...⋯⋯.⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯..⋯.....⋯⋯..⋯⋯..⋯..⋯⋯⋯..⋯⋯..................⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯..⋯⋯..................⋯⋯..⋯.......⋯⋯⋯⋯....................表格清单表一l三种拓扑结构的比较⋯⋯⋯⋯....⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯...⋯..表多电乎逆变器开关器件与模块的发展概况⋯⋯⋯.⋯.⋯⋯⋯⋯.表不同开关组合时的电压值⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯.⋯⋯⋯⋯⋯..l表电流开关函数表⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯.⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯表六区域小矢量分鬣法模式和时闯分布表⋯⋯.⋯。。⋯⋯⋯⋯⋯.独裁性声鞠本人声明所璺交的学能论文怒本人在导烬描导下进彳亍的研究工作及取褥的研究成果。据我掰娟除了文中特剐加豁标注和致谢的地方外。论文中不龟食其德太已经发表或撰写遗熬磅究藏暴也不恁含隽获褥金腿王些太堂戏其他教育机构的学缎或证书箍使用避的捞料。与找一强互终懿麓恚黠本臻究掰骰熬轻毽贡觳筠毫褒谚文中捧了凌磺戆说明并表示谢意。学位论文俸者签名蒋豫签字瓯枷辞朋“学位论文舨投使耀授权书本学位论文传者宪全了解佥壁兰遨太堂.有关保餐、使震学键论文的规定商权保留并向阐家有关部门戚机构送交论文的复印件和磁蠹允诲论文被蠢壤移氆阕。本人授投佥整罴塑太璧可数将学位论文的众部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或摇摇等复露l手段保存、汇编学经谗文。(保密的学位论文在擀密屠遴瑶本授权书)学位论文作者艇名秭移签字爨期:弦辞朋“爨学位论文作者毕业厢去向王佟攀傻:通褫地址:赢飘确分导师签名。。(/Ⅳl掺签字墨赞≯一Z年峭≯如电话:郝编:致谢本论文是在王群京教授、姜卫东老师的悉心指导和亲切关怀下完成的王群京教授渊博的学识、严谨的治学态度、对科学研究孜孜不倦的追求以及离尚麴人格使我受益匪浅成为促使我前进和学习的檬模l王教授不仅在学业上给我以扁迪和教诲而且在生活上给我以关心和支持在此我要向王老师表示衷心的感谢。姜卫东老师孜孜不倦的探索糖享枣、敏锐的学术洞察力佼我终身难忘。在近三年攻读硕士研究生期阀我得到姜老师的悉心指导和亲切关怀从姜老师身上我不仅学到了专业知识还学到了怎样做学术他所传授的是我~生的财富。在硕士论文完成期闻德到了新型传动实验室很多老师和同学的指导和帮助。特别感谢鲍晓华老师胡存刚老师赵涛老师他们在日常的生活和学习中给我很多的帮助和支持。此外还要感谢陈权、李争、王安邦、夏鲲、任冰李餐饪涛等同学他们也对研究工作提出了很好的建议和意见。最稻我要感谢我的父母和兄弟。有了他们的鼓励和支持我才能够安心的完成学业健优是我前进的动力和支柱。作者:谭聪年月第一章绪论.多电平变流技术研究教义及发展概掘..研究工作的意义交频器自世纪年代问世到儇纪年代在主要工北化国家已广泛傻鼹。世纪年代以来睫着人船节能环保意识的加强变频器酶应用越来越普及广泛应用于国民经济的备行各业和人民的日常生活中变频器产品也从以大功率双极晶体管(GTR)fi主的时代发展为以绝缘栅晶体管((IGBT)为主的时代|。逆交技术是变频器技术当中重要的一个环节一直以来受到各个豳家的关注相继投入了大量的精力从事能源魄研究其中在如何提高电能利用率降低损耗提高中高压大容量等方面取得了突飞猛进的发展。电力电予学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科应运丽生特别在中高压变流技术当中发挥了霾要的佟罔。一方面人饿希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容最等级另~方面为了满足输出电压等级改善波形的情况下降低输出电压的谐波成分结构简单爨予操作。但是现在的大多数研究都是以魉牲复杂健来换取提高电压等级的办法。一段时间以来人们采用如下的方法:)功率开关器件的串联方式但是所有串联的器件必须嗣时开通和关断对开关特性要求很严后来增加均压电路又抬高了成本使得装置的可靠性降低。)多重化方式将数个低压小容量逆交器的输出通过变压器进行串联来获得高电压但怒带来开关频率低增大材料成本增大装疆体积和重量。)降压强压方式即在输入侧剥用变压器降艇中间环节仍采用低压等级变换器最后再次利用变压器抬高输出电压这是一种治镖不治本的方法而且存在中间环节电流过大系统效率下降增加装置体积和重景。露对这些缺点人们期羹找到一种直接岗筮交换装置既不鬻变压器进行升降隘器件也不需要承受很高的电压应力。大功率半导体器件的出现特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)大功率晶体管(GTR)和门极可关断晶体管(GTO)集成门极换向式晶体管(IGCT)等新一代功率器件的研制成功使得采用高一商直接变换方式成为可能。年德国学者tIoltz提出三毫平逆变器主电路及其方案其中每相桥臂中带一对开关管以辅助中点箱位。而焉年日本长冈科技大学的A.Nabae等人在IAS年会上首次提出中点钱傻式(NeutralPointClamped)遂变嚣以蘑为裔压大容量电压型逆交器的发展开辟了一条新的思路⋯。所谓多电平变换器~般认为是建立在三电乎变换器的基础上所以本文的重点也以三电平为基础展开论述和研究。.|.蓬蠹势辑究璃敞躐外多电平逆变器已缀有了成品出现如ABB公司的商压大嚣量变频器就是漾用IGCT中点钳位电脏型三电平逆变嚣燎高输出电压可将避KV。又如邕懑伊泰普HVDCT工褪运行电蕊最离为KV输送功攀为MW筑路长KM宅霞表了豢今HVDCT家乎。鍪予我嚣遮藏辽瓣耱滚分毒及受蒋笈震寝不擎衡发磁HVDCT显褥饕常蕊要。裁丽变频器总的潜程带溺应为亿元其中常压燮灏器约占市场份额的%左右中、蹴压变频器需求数激相对比较少僵出予单台变频器功攀大、售价菇应占市场的%左右档弗电平方藤围内融蠢几家臻爨暴滔基于lKV’KVlG爵器搏单元帛鼗攀辐轿式主惑踌缭擒鹣惑匿交蒙装嚣这耱圭鸯鹫臻稳蠹予鬃释多瑟复杂蘩号诿麓嚣蔻楚褥熬体霹靠往比较麓其输出功率也幂嘲。总体来说多电平变换掖术(尤其是三电平)在国外尽管存糯一蟪尚未完善静域方俺怒三电平逆变器不仅熊应用于大劫率离输入电压的逆畿蛹合而且能瘦翔予懿静正无凌{}德、茂力窝潆滤波器等邀力魄子装置中。爨忿程灵活邀力系统黟弼户篷杰技术方露惑鸯广瘸瓣应受。特爨袭菇奁:fl≥褰热能麓莲蓬夫褰量交流变颓谣速技术弦)多电平双PWM离颧熬瀛逆变调速系统窝蕊西象鞭运行(”》窿压整流输电(HVDCT)(碡)电戆麓缀稼龠治理中的皮麓糍潮内等方厩。虽然焚照调遮系统的研究瓣懈活跃而且市场镶漱旺盛但是猩产业化方面还不是缀理惩该技术的研究还处于萌芽状态有大蟹瓣工捧需要研究嚣去徽。虽随着瑟嫠惫力邀子器终及Bsp警靛控裂蕊冀鹣逶遴罄菠这一技术登臻巍丈功辜纛囊赣合大驻嘉手。簧凌壹滚惫滚嚣鬟遣及蹇滚奄聪漾筷窀魏嚣O交换嚣歪逐溪被霞用IGCT及IGBT的两电平娥者三电平PwM变换器所取代。本世纪随滋减少电磁噪声等琊燎标凇的提高三魄平变换器方案必将樽熏n广泛的应用。因此本文拟通过对三电平遄变器魄调剃中点平甏及控戮策醛邀行瀑入研究寻求~耱籍单靛算法以及逸霜匏孛点电使平磐繁路特聚在三蕊擎蜜褒遘程中稳爨独糖蕊数字实瑰(DF实褒)蔻多毫平逆变蔹术懿嵇亵提供一整骞徐蓬豹参考褥借鉴。.秽呶平变流技术概港I..基本概念一、多邀平变换器戆撼矜臻梅获嚣蔫所见豁蚕释雾魄平交换器窆毫路辩羚结稳粟看至黉礤璐舞结为三中基本的壤扑结构:I)二=极管错位型(Diodeclamp))飞跨电释溅(Flyingcapacitor):)具有独立畿流电源的级联逆燮器溅(cascadedinvorterwithseparateDCsources)。l。二极管锩位型(DiodeClamped)多电平变换器图l一所示是一个三相全桥二极管钳位三呶平变换器的主电路结构其中由于钳位二极管和分压电容的作用使得%=以每个桥臂有个开关器件串联其中每相邻的个同时处于导通或者关断状态从而得到不同开关状态组合及其相应的输出电压。当然也有很多学者在这个拓扑结构的基础上进行扩充褥到受多的电平数例如扩充到N电平只需将直流分压魄容改为(n)个串联每个桥臂主开关器件改为(n)个串联每个桥臂的钳位二极管数量改为(n一)(n一)个每(n一)个串联厝分别跨接在正负半桥臂砖应开关器件之闰进行钳位秀根据与三电平类似的控错《方法控制郄司。翻二极臂中点钳位三点平逆变嚣电路潮、自均压飞跨电容多电平变换器该拓扑结构最早是在年的PESC会议上提出来的图所示是三相自均孤飞跨电容五电平交换器的主电路结构图。由图可见与二极管钳位多电平变换器不同这稚电路采援豹蔑跨按在串联开关器j牛之间豹串联电容进行钳位的。但是和上面提到的二极管钳位多电平变换器相比他的电压合成更加灵活可以从不同的开关组合得到相同的输出电压。当然该电路也可以进行扩充以便褥到更多的电平数例如希望得到N电平那每相所需要的开头器件为(n一)个直流分压电容(n)个以及钳位电容(n)(n一)/个。、级联多电平变换器图飞跨电容多电平逆变器电路图级联多电平逆变器拓扑结构由各自独立的电路单元串联在一起以满足电路需要的高电压要求从图中l.a是串级逆变电路的单元结构蔼整个三相串级遣路(图.b)是由个单相全轿逛路级联丽成每个矗流电源给一个单相全桥逆变器供电不同电平逆变器的交流电压串联起来得到相关的电压。通过增加相应的单元结构也可以得到更多的电平数。C圈l.a圈卜.b图多缀多电平逆变器电路图.以上三种方式的比较通过对上面的三种多电平逆变电路的分别描述可以知道:虽然电路结构有所不翔但是存在各自豹优点}缺点现列出如表ll所示。本论文基于二极管钳位型(DiodeClamped)多电平变换器展开论述的文献n¨”还有些其他的拓扑结构这里关于多电平的拓扑结构是在这三种的基础上创新的。表三种拓扑结构的比较二极管钳位飞跨电容级连多电平主要优点双向功率流动自动均压。双向无须均压元体功率流动少电平受搿主要缺点电容均压复杂体积大成本高需要更多独立电中点电位偏移开关损耗大源鞲电平需每一个轿甓需要每一橇臂爨要每一糈譬霸要要开关器(M)(M)(M)件钳位器件鼹个二极管一个电容独立电源应用范围应用广泛应用较少燃料电池供电的离压系统太阳能电池电东汽车多电浊系统二、多电平逆变器PWM控制策路多电平逆变器功能的实现不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础还要有相应的Pv^l控制方式作为保障才能保证系统高性能和高效率的运行。大量的PWM控制方法于是巍运而生从广义的范畴看多电平逆变器的P剐控制技术可以分为两大类即载波p贼技术和窆闻矢量PWM技术““m。、几种基本的多电平载波PWM控制技术基于载波的多电平逆变嚣PWM控制技术是最常用的多电平PWM控制技术之一它是疆电平SPWM技术在多电平中的直接发展瘫手多电平逆变电路拓扑的复杂性以及纂本拓扑的多样性较之与鼹电平逆变器它的PWM控制方法更加多样性。在这里对一些常见的基于载波的多电平PwM方法作简单介绍:l多电平潢谐波PWM法(S}{P酬)SHPWM法的原理是电路的每相使用一个正弦调制波与几个三角波进行比较例如对于一个n电平的逆变器每相采用n一个具有相同频率的和相同峰一峰值的三角波与一个正弦波相比较当正弦波与三角波相交的时刻如果正弦波的蛭值大于莱个三角形的堰傻则开通相应的开关器件如粱正弦波的幅值小于某个三角形的幅值则关断相应的开关器件。为了使n一个三角载波所占区域使连续的它们在空间上是紧密相连且整个载波击对称分布于零参考的正负两侧。始霉l一所示嬲斛燃.嬲劂燃圈l多电平消{暂波P掰法波形图II开关频率优化PWM(SFOPWM)EhSteinke提出的开关频率优化PWM法是另一种三角载波PWM方法这种方法与SHP铆d法类似它们的载波要求相同.佩是前者的正弦波中淀入了零序分爨对于一个三相系统这个零序分囊是三相正弦波瞬时最大最小篮的平均镳所以SFOPEM法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量质所得的波形然后与SHPWM一样和三角载波进行比较。如图所示。图开关频率优化PWM(SFOPmJ)波形图III三角载波移相PWM方法(PSPWM)上面给出的两种多电平PWM控制方法主要是针对二极管钳位多电平逆变器拓扑提出的而PSPWM法是专门针对级联型多电平逆变器的PWM方法。它每个模块豹SPWM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生所以模块的正弦波都相阉懊每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之阆夜一个相移遮一相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开从而使各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关频率得到提高因此在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。如图魇示图l一三角载移相P删方法(PSPWM)波形图、空阂矢量PWM技术(SVP硼)矢嫩调制技术源予电机的磁场定向控毒《。电机的磁场定囱控侉』豹目驰是通过坐标变换将原来强藕合的三相交流电机系统转化为两相直流系统藕合性大大降低在两相坐标系下采用直流奄机的控制方式进行控制其控制也变缮根对箍单。将这转控制方法移楗到三相逆变电源系统的控制中将三相系统的电压统一考虑并在两相系统进行控制。这种控制方法称为电压空间矢量控制它的特点在于对三相系统的统~表述和控制以及对幅值和相位弼爵控制这两个方面。电愿空褥矢量控制的PWM产生方式称为空闻矢量调制。我们将在下章中跟大家详细说明空间矢量PWM技术的原理。三、多电平递变开关器件的研究经过几十年的发展器传制造技术不叛提嘉经历了以晶阑篱为代表翡分立器件以可荚断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表豹功率集成电路(PIC)等三个发展时期。文献”谈到从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PIDPIC通过f极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件从而实现了真正意义上的可控硅。关予多电平逆变嚣开关器件与摸块豹发展概况爵参见表表i一多电平逆变器开关器件与模块的发展概况发展历程器件类型控制模式结构特点第一代晶俸管普逶垄双良半控换鞠分立元件分立器件组分立元件型逆导型关断电流成的模块分立器件与(DO)快速型型控制辅助电路组成的模块晶体管门极可关断全控集成器传集成器件与第二代型G钧电流型辅勃电路组成的模块功率集成巨型晶体管GTR控制器件(PID)绝缘栅双极晶体管IGBT集成器件或几个集成集成门极换流晶体管IGCT器件弓辅助电路智能魅投关断晶体管ETO电臻组戒的管麓模块第三代智能功率集成电路(SPIC)全控含脊功率器件在肉的功率集成高压功率集成电路(HVIC)电压型多功能单元集成的.智电路(PIC)智能化功率模块(IPM)控制能化的超大面积集成(IPM)电路在器件结构上从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等缀合在一起豹复杂模块。功率集成器{宰从单一器件发展到模块的速度更为迅速今天已经开发出其有智能化功能的模块(IPM)。所有这一切为高频逆变技术的开发为逆变器实现高频化、小型化、轻掇化为节能、节材、提离效率与可纛性奠定了基础。随着电力电子技术鲍发展特别是可关断晶阉蟹GTO电力晶体管G’R绝缘门极晶体管IGBT集成门极换流晶闱管IGCT和射极关断晶闸管ETO等具有自关断能力全控功率元件的发展再Ni控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制从而使逆变装置瓣快速性可靠瞧及经济性不断提蔫遂交嚣豹性能也褥到不颤完善。适合中高压逆变装嚣的功率器件有门极自关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT和射极关断晶闸管ETO等。下面分别介绍:(i)GTO是最早的大功率自关断器件其优点是高耐压、大电流密度和大电流下的低导通压降缺点是关断时间长关断不均匀易产生局部过热而失效而且需要复杂的缓冲电路笛这些不足之处严重地限制了GTO在中高压交频领域的应穰:()IGBT具有快速的开关特性易驱动关断均匀无需缓冲电路是一种性能优良的功率器件目前的最高额定值是V/A适应于较高频率的应用场合。其主要缺点是通态压降高和关断时的电沆拖尾现象。()IGCT是在GTO的基础上发展起来鑫勺新器件兼有IGBT和GTO两翡的优点又克服了两者的不足之处是一种较为理想的兆瓦级、中高压开必器件。()ETO是一种MOSFET控制的晶闸管所以既具有晶闸管所具有的高阻断电压、大电流密度和低通态压降又具有MOSFET器件的电压驱动、开关特性好等优点。所以ETOj}常适合于中高压、高频率的应用场合。理论和实际都表明ETO具有j}常大的发展潜力。..面晒的问题从上面的概述当中我们可以看到在多电平PWId调翩中存在着各种研究方向也就产生出在该镢域的热点秘难点。、科研人员目前还一直致力于研究统一的多电平电路拓扑结构希望能找到它的基本单元进而由基本单元进行扩散达到五电平七电平等更多舱电平数更加遥近正弦波降低谐波含量提离电压利藤率。但是随着电平的增多不可避免的将带来结构复杂操作困难等问题。比如在三电平中出现的中点电位不平衡问题高频时开关损耗问题。、如前所述在控制策略方面建立起各种P剐控制方法之间的本质联系能用较好的控制方法不但使PWM波调制筠单瑟显有助于先前提到的中点电位不平衡问题的解决。本文将从普通调制开始本质性的剖析中点电位不平衡产生的原因在调制PWM波形中对这些因数进行合理的调制从而在一定程度上使得中点电位趋蜀平衡改善整个装置豹稳定牲能。、由于电子技术的迅猛发展多电平PWM变换器根据实际篙要可以眭j专门的控制芯片比如HEFMu^等控制也可以通过单片机DSP甚至现场霹编程逻辑电路(FPGA)控制或者相互缀成主从电路扩容亳路等。本文将在普通控制的基础上提出利用DSP和FPGA菇围组成沪F控制电路完成三电平SVPBN的输出。。本文研究的主要内容第一章主要讲述多电平变流技术研究意义及发展概况分别阐述多电平技术在园内外的应用情况和前景概要说明多电平变流技术的基本概念和需要解决熬润麓。第二章从两电平开始分析空间矢量PWM的原理导出三电平svP脒调制方法并且介绍新型的适合多电平的SVPWM算法。第三章将就中点电位平衡问题提出自己的分析方法丽数学方法从本质上剖析中点亳位不平衡现象提出有效的解决方法。第四章将就三电平如何实现问题综合了几种常见的数字调制方法并进行了比较。第五章掇出了耀DSPFPGA实现三电平输出。第六章总结和展望。.引言第二章三电平逆交器SVP砌I算法世纪年代以来人们罄力于通过研究电力电子技术来改善能源傣息等各个方面的应用求得最佳的运行效果。在电力电子电路方面高频化成为人们研究的热点和难点。通过理论和实践的论证提高工作频率可阻改善波形减少由于滤波电抗和电容以及燮歪器带来豹体积从两使得装潼小臻化可靠性能也有所提高。但是简频化闯时也带来了一犊负避影响比如在开关损耗方面。随着开关次数的增加电力电子装置中的电力器件的损耗也随着频率的增加而增鸯韪成为器件能耗的重要缰藏部分对于我们研究的三电平递交器来说还齑i摇的一个问题就是稳定性和可靠性的问题。在三电平逆变器主电路拓扑结构中电路为了避免同一桥臂上下开关直通需要加上死区时间限制频率如果过高也会使死区对间的积累效应越严重。面临这些问题人们着力予理论和控锎策昭的研究以及研制可靠性更好的电力电子器件。在这j}申背景下多专平变换器软开关技术等相关技术相继产生。D.A.Nabae等针对大功攀逆变器开关频率低的特点提出了三电平变换器它通过对主电路的改进使所有器件工作在较低的工侔频率降低损耗提离工作效率同时多电平逆交嚣暴有较低的du/dtdi/dt谐波含艟少等优点可以说多电平的产生无疑是大中容量换漉电路的一个熏大进展。目前国内外对三电平变换器进行了多方面的研究和实验在中点电位平衡方面控制策略方面拓羚电路结构方面还有窄脉冲方面都成为了该装置的研究热点m。多年以来人们为了实现高频化的高压大功率交换采用了适当的电籍拓扑和控制方法比如采用功率器件的串并联技术和多重化技术等。后来人们想到了三电平变换器该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平每桥臂用个开关管窜联用一对串联错位二极管和内惯l开关管并联其中心抽头嬲第三电平连接实现中点钱位形成所谓驰中点钳位变换器。在这个电路中主功率管关断的时候仅仅承受直流母线电压的一半所以特别适合高压大功率应用场合。使用三电平逆交器可以使开关器件在每个周期内开关一次达到和传统换流器开关几次的效莱露此在褶同的开关频率下可以溃除更多的谐波分量提岗系统容量减少开关损耗提高系统的效率。在PWM调制方面人们也试图通过各种调试方法获取完美的正弦波形如第一章所介绍的随着数字芯片豹产生空闻矢量脓宽调镧成为了人们研究和应用的热点从本章起我将以三电平中点钳位逆变器为拓扑结构以空阅矢最脉宽调制为研究方式分别就原理中点电位平衡和实现展开讨论首先介绍两电平空间矢量脉宽调制技术的原理“l。。遂变器SVPIB!调剖琢理空间矢量脉宽调f刚(SVPWM)的最初目的是使电机获得圆形旋转磁场现在空间矢鳖脉宽调制已发展成为一种和SPWM并行的PWM调制技术。实际上SPWM楚基于辩城顽税豹等效雨SVPWM蹩蒸予矢量空间旋转矢量的等效空间矢量投影到ABC嫩标就变成了时域信号因此两种PWM存在着必然的联系在⋯定条件下可以相互等效。下面以二极管箝位式逆变器结构为例分析SVPWM的原理。..两电平逆变器空间电压矢量一、鼯嘏平逆变器模激图所示为最简单的两电平逆变器模型。分压电容将直流电压分成两个相等的电压值中点按地.其中每相的同一桥臂中上下两个开关元件的动作是互李}豹即在任何一个眩刻它键总是一个断开一个髻嗵。这样能缳证不发生短路现象.图~l两电平逆变器模型三相开关£、S、瓯各有个值o其中“l表示相应桥臂的上部E。开关元韩导通输出电珏为“”表示下部开关元件导遴输出窀匿为Ed欺有种状态。二、电鹾空间矢量在上述的种状态中各相电压可由下式求得lo%=f最一(砖咒疋)易()‰=.sj一(·RSo)IE。(一一)%=I(疋最墨)日()将种开关状态组合代入上式即得到相应的输出电压如表所示表一l不同开关组鸯时的电压值s。shsc%‰吃.KO联一{日一{岛詈日KOlO一言玛扛一言日形()ll一兰F三F三F形‘d。d‘dlO詈局一日~易矿lOEd一毛Ed毛Ed圪jjjllO毛Ed毛Ed一去E坎lllOOO驴分柝表不难发现不同开关组合露豹输爨电压可以用一个模为亏玩的空间电压矢量在复平面上表示出来并且稠邻电压矢量的空间位置相隔。如图所示。矢是的顺序怒从状态‘‘”到状态‘‘’’逆时针旋转K(oo)、配()的模为零称为零矢量位于六边形的中心点。由电压空间矢爨的概念合成参考甑压为矿o)=(吃。Vbnej%%。eJ%)()K())图两电乎逆变器空间电压矢避图三、最近矢爨法PWM的原理及公式推导调制是将调制波形离散化为含有调带波信息的高频数字脉冲的过程滤波过程则是一个解调和频谱搬移的过程。根据Park变换的定义任意三相调制波形都可以转换为空间旋转矢量。空间矢量调制的思想是:在矢量空间中采用限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢擞使合成的空问矢量含寿稍制波的信息。根据使用电压空间矢量方式的不同电压空间矢量PWM法可分为蕊类:一是最近矢晟法二是比较判断式电压空间矢量法。由于前者建立模型简单实现方便所以得至Ⅱ较为广泛的应用下瑟对它傲具体讲述。逆变器不同的开关状态对应不圄的电压空闻矢量这些窆闯矢量烬其所在空间分为六个扇区如图所示。通过计算可以确定空间电压矢量所在六边形的扇区选出逼近该矢量理想圆的晟健矢景组。根据空间等效的原理最佳矢量组中各电压分矢量对务垂作用时间的积分波等予参考电聪矢量%对其作用时间的积分(或Vrefr=∑■一∑I。)改变圪.的旋转速度即可实现变频:改变各分矢量的作用时间即可实现调压。需要指出的是:为了减少开关损耗避免跳变每次开关切换尽可能只牵涉最少的开关动作。采用个非零电压空间矢量和个零电压空间矢量合成一个等效的参考电压空间矢最∥。。在图中模为鲁日的空间电压矢量将复平面均分j成六个扇型区域I~Ⅵ。在参考电压空间矢景∥。所在的扇区中。交替的使用两个非零电压空间矢量和适当的零电压空间矢量以得到需的参考电压空间矢量。图画出了这样一个时间阃隔内空闻电压矢量的作用情况。惠图可看出每过一个时间闻隔∥。就转过一个角度若时间间隔足够短∥。在复平面上匀速旋转则理论上∥。的作用迹呈圆形(用于交流调速时帮磁通软速呈圆形)。实际主巍予拜关频率和矢量组合的浆铡∥。豹合成矢量以某一步进速度旋转从而使矢量端点的运动轨迹为一多边形准圆形轨迹。照然SVPWM开关频率越高多边形准圆形轨迹就越接近于圆。豳最近矢量法电压空间矢量PwM原理图若%在I区时则%可由KK和K合成。如图叫所示假设在一个开关周期内%不变依据平行四边形法则有或%·弓=联誓K正(’式中z正矢量巧K在一个开关周期中的持续时间弓sVP嚣M的开关周期。令零矢量圪.的持续时间为%∥则I=五五十兀.()K互一『s联互『。=%图电压空间矢量合成令%与实轴的夹角为由正弦定律算得掣=塑sinO:旦sin(r)∽扪因为f¨}』K『詈q联立式()式()易得阵’式中mSVPWM的调制比m=等I%()(一一)闶理可推导出其他扇区的作用时间与上述计算结果相同。对于零矢量的选择主要是考虑选择K或K应使开关状态变化尽可能少以降低开关损耗。在一个开关闵期中令零矢量捶入时间为瓦若其中插入K的时间为写=意磊刚插入K的时间则为弓=(~|i})瓦其中≤七≤。。兰电平逆交器窝潮电压矢壁一、曼墩平鸯路模裂鹫是一个基予会轿络将匏中点镑位三瞧平遵交毫爨憩餐ed烫交接器鼹筷‘夺露嚣翡赢滚瞧莲二较謦鼹予壤警键篷。在灞中鼹黠嚣遴Tl警必颧{强辩凌递交邀赣赣遗端爵璐获得一个燕惫平{丽时导逶T。T必断TT时。输出电压为同时姆濑TT关断T他时可以在输出端得到一个负电平i从电路结构可以糟出零电平是熬TT和二极管共同佧鼹实瑗戆。运避辩T■垂瓣个开关嚣佟的控裁可以崔辕燃端合凌三邀乎辩滚黟。篷一s三奄平遂交嚣主魄路模型兰电平电路比骤采=电平逆变电路优点黧辫。其相电压输出}籍原来的两电平浅捺为三电平线瞧聪囊三电平壤加到最电平顽每个魂乎黝幅度喇由原来的蹩个直流母线电聪降低为~半的直流母绒电压因此输出的电压瘦力也下降了一半若增热每个单元中串联的开关撩传数基还可l曩在输港电显波形孛产生更多麓毫平数胰嚣是簸窭戆渡影雯燕遥遥舞疆黪匿弦波。髓鼹孛熹爨煎二投管窀鼯龟存在一些虢赢:){夔蓍辕窭奄藤翡逢嵩鞠应电平数也在增加此时满要大量的钳位=檄锵从而使得电路糍得复杂电路的溅辑开关控制也十分的复杂。)我们谯理想状态下要求分压电容满跫这榉才琵褥至《毽想的三电平输出但怒豳于电容在一个艘鞭的充壤p毫镇褥在蓑一嚣蓑琴麓遮潮%=。暖所竣孛熹毫建蠢秘不平捷这释Z会加剧瓷流输出侧电愿的酶交形成偶次电流谐波同时造成开关器件关断时承鼹的魄压不一致严爨时会导致开关器件激穿。针对中点魄挝不平衡我们将梅下一个章节其体分擀并晟用SVPWM的霄效组台从控制策略角度予{奠缓瓣。二、基予SVPWM的三电平逆变器基本工作原理基予蘸瑟洪鳃豹两宅平浆S¥P煳调制的琢理基稿上逆变器输密空闯激压矢量为一=詈(A%牙%)式中:^=e户%为矢盛旋转因子以%%为逆变器输出相电压。在电容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可得到其矢量图如图所示V、cI^/、Ⅸ、:(大矢麓)A{嘲o(中矢量)Aboo”jFWD丽n\F/隧三电平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凝幅值为(/)Ea其他矢量幅值依次为:去易日共有种矢量幅德。三电平逆变·√j嚣共有=种空间电压矢量其中独立的电聪矢量为l××个并定义以原点(零矢量)为中心的最外边的六边形为第l六边形依次扇痰豹六边形为第个第个(第个六边形可看成缩至为零豹虚数六边形即零矢量)三电平逆变器电压空间矢量图共有个六边形第个六边形的边上中点尚顶点处是独立的电压矢爨第个六边形顶点处重复矢量为第个虚拟六边形原点重复矢量为。把矢量幅值与之对应起来可以很清楚豹看出三毫平电歪矢量分布规律对矢量圈分析~般按照对称的原则只耍分析其中度的区域。对于三电平逆变器矢量图度区域小三角形个数为三电乎邂变器输出程电蕊从波豁翻波峰之闽的魄压等缓为缀输出线电压从波峰到波谷之间的电聪镣缴为级。嘏据常见的分析方法我们设定某一梅愆的角频率使参考电愿矢量在空间炙激图中旋转当到达某一个小三角形鼷域时候就选定该隧城的三个基零壤嚣矢量并隘这黧矢鬟对庭豹聂关获态去驱羲攘瘟圭魄路中弱凄率嚣关元件。袈瑟进行下去簿裂参考矢量麓辚一鬻詹在主毫鼹中控裁功率开关器件也完成一个周嬲的工作象相应的输出一个周期的正弦波。当然原理如此阐述但是在实际的操作中将面临糟备种问题的出现如何有效的对功帮器{牛进行有效的缀食来减少功率开关损耗如何应对中点电位不平衡鹈题如旃裂熙控制激薅实藏该策蝰麴德挺成艇痰的蕊琢掇铡霾路等都蹩嚣要研究麓阕戆我销褥在爱瑟章节滋述。.三电平逆交器的VP硼传统算法及分析如前所述的原理我们要得到理想所嚣的正弦波通过SVP硼I算法获联褪疲凌窭开关嚣终豹嚣逐窝关阏次彦瓢嚣鬟要薅决三令爱主簧熬阕题:t、参考窀压矢量掰楚静睇个区域关于如何确定在哪个,角形区域的阏糕各种文献都列出了自己的列断方法文献“”中提到用区域的三条边以殿~条大六边形的一条边还有参考电滕矢量与水平轴的角度作为约束条件用调制比M与这热约束条件舱进彳亍跎较一一决定所焱的区域。但是这秘方法越罄奄平数匿驰壤多计算耱交褥缀复杂嚣蠢磺瓣懿控麓算法遣稳纛豹交褥复杂。这墨我餐褥套缓勇外~种判断区域的方法。如阁所示小隧域判断如下:蒋Vg≥V计为l否则计为装凇÷黟≥Vt诗为否羹《魂秀§整№一瞪≥VI计为否则诗为糟№阳≥计为否则计为将良土辖求稿有魏下粒对废关系:激蛰予对皮姥l区域l当等予对波区域警等予对照莲壤{警等予辩应激竣。其他的扇区可以类似的判断。.如僻镡找最近的三个熬本电压矢最来合成参考电压矢量在这个滴遂上我们一般的选择最近的三个蒸本矢量缎舞}熏意如下几点:即:Tl和TT和T的按制脉冲都要求是互发的同时每一瓣熏开关器件蘩遵循先断衙邋的原则。弗鼠输出端龟德由正电平淘负电平转变时先蒙经过零电位的过渡即每相电位只能向相邻电位过渡不允许输出电位的跳变。我们通过有效的}{}划W汉克服孛点电穗不平衡弓i起的{鹫波这点我们可以程褥个SVPwN开关周期中选择段或者段式还可以根据零矢整的分配以及小多毛掇的有效缀合这点我蠢涛在下一章繁缝合中轰毫使不平籀潮越送行分辑。、鄹壁凳子昙逶获态翡渤率器{孛释辩关毅酃麓处于关薮状态魏功率器矜何时母通。即三个纂本电压矢量各自作用辩间心VBVtv氆V圈传统方法举饲说明以矢最落在圈的三角形区域为例考虑异步电动桃定予嗽压和磁链的邋织关系为:妒“}飚}假设合成空间电压矢最为V作用时闻为鬈易得出fVdt=胁盛rVTdt十£。%毋()‘√分别是VtVV豹彳擘髑毪寸闯我们约定一个次净可以定义负小矢量在载波周期的起始时段和结嫩时段t,矢墩擞栽波周期的中闽辩驳显所有矢量璧对称分蠢剐V的佟爝时闻tl等分为屯。f。这榉可保诞繇次工俸获态窝歉瓣亨只有一个箍伴佟开关留换瓢瑟减少了开关攒耗。间时还使得波形关于中心轴对称使电流谐波更小。予是鼢ttT印ts媚=T,如以》)搪其中H:%‰:墨么书E么H:E必N=K瓤解得:(Z一)()()同理可以解得各个区域的时间我们按照二电平中所说的方法三对三电平的各个区域(共个区域)分别进行计算和时间布局得到一张三电平SVPWM调制豹备区域矢量缝合图。按照逸张圈我稍可戳在之后的数字蕊片实现中以查询列表的方式调制出三电平SVPljiM波形。。薪型SVPVNI算法设立新的坐标系统如图所示在新的坐标系中也用两轴来表示分别是P轴和q轴。两轴之间成度角我铜在三电平中出现了个度豹区域本论文以第一象限(第一区域)为讨论其他象限只需要将坐标系顺时针旋转度就可以得到了。在新的坐标系统中原来豹空间电压矢量哥翔坐标来表示其串坐标为整数点例如如图掰示的在第一区域中三电平基本空间矢量就为()()()()()。q■(OO)q圈新型算法坐标变换图竺一。竖。坠强≯老圪一I孔一如下两我们在传统的簿法上运孀新的坐标系统按照以前酌方法分以下步进行计算。、然本空间电压矢麓的预处理鳃蘩一li瘊示参港矢萤毪戆努聪示意鬻。在一簸{毒嚣f:醛爵戳表示冀并慧枣翁褥蛩”篑sinc如呤篑妇拶式中酽矢鬣憋冁蕊U:和其他坐标的关系可由余弦定理得到略扛叼制以cos等()()()、溅域判断萃日最近个蔟本毫攫矢量静确定攒援参考毫垂戆在玲辘亵《辘主楚投影浚必U。寂g。参凳图i溱足以下不簿有种情糯①<UP<<Uq<UPv#《l这意味羞该矢爨猩第区域可以选择(OO)(O)(O)米作为被选的个基本电压矢缀②《Up<l《Uq《lⅣ。F。>l遂意骧着该矢羹裘蕊送域茸苏逸辑()()()采俸为授逡的令基本电匿失激{⑨<UP<《U口<cpU。<滤意味着该矢擞强第区域可以选择()(o)()来作为被选的个基本电援矢爨④<UP(l<Uq<U≯F。<这惠骧着该矢爨褒寨嚣壤霹潋选撵()()()来作为被选的个基本电压矢鬣、计算被选择的基本矢爨的作用时阐假设由上一步选择好的个临近的基本矢量为(p。g.)(p:q:)(岛吼)他们对应的时间分别为f。f:‘将选择好的基本矢量同样用于到y“.『珊中通过上述同样的运算可以得到如下个基本电压矢量的作用时间。.:(qq)Up(Pp)Uq(qq)P(PP)qT()r.=一(一q)(plP)一(gIq)(p一P)^:!!!二!!!竺£二!里!二里!!竺!±!!!!二!!!!!二!!!二里!!!!!三(.)r.=·二二···一IZZI'‘(一q)(p一P)一(一q)(p一P)‘厶:!!!二!!!竺!二!!!二!!!竺!±!!鱼二!!!!!二!!!二!!!!!!三但)(glq)

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三电平逆变器空间电压矢量PWM调制及实现

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