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多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究.pdf

多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究

偶是菜鸟2012
2013-07-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域

华东交通大学硕士学位论文多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究姓名:张超伟申请学位级别:硕士专业:电力系统及其自动化指导教师:宋平岗摘要Ⅰ多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究摘要多电平变流器以其独特的优点在高压大功率的变流器中得到了越来越广泛的应用。它不但可以减少波形的谐波含量减少器件的电压电流应力具有很高的功率因数而且还可以进行模块化设计降低了生产的成本。相应的多电平变流器PWM控制方法也成为研究的热点。数学模型是对多电平变流器进行研究的理论基础本文把多电平变流器分为箝位式和级联式两类进行分析。详细分析了两类多电平逆变器的工作原理并以此为基础建立其数学模型。本文对多电平变流器的基本原理和多电平变流器的各种拓扑进行了详尽的分析同时给出了各类拓扑的优缺点。详细分析了传统的多电平SVPWM方法并指出传统方法的不足之处给出了非正交KL法在这种算法中在KL坐标系下参考电压矢量的合成只包含简单的乘法和加法运算运算量的大小与阶数无关容易实现可以大大提高运算速度及输出精度。给出了°坐标系法这两种方法在本质上是一样的。给出了多电平电压空间矢量的简化实现算法。该算法采用将电压矢量分解到复平面上然后对其进行标么化的方法。通过对参考矢量的分解来决定电压矢量的选择以及对其作用时间进行计算。该方法同时具有算法简单易于实现占用内存少和具有通用性的特点省去以往算法中烦琐的区间划分以及冗余状态的选择。最后对三电平、五电平和七电平进行了仿真和实验研究验证了文中所给方法的优越性和可行性。关键词:多电平电压空间矢量数学建模控制方法AbstractⅡRESEARCHONTHETECHNOLOGYOFMULTILEVELCONVERTERSPACEVECTORPWMABSTRACTMultilevelconverters,withexcellentperformance,arewidelyusedinhighvoltageandhighpowerapplicationfieldNotonlycantheyreduceharmoniccontentsofthewaveforms,diminishvoltageorcurrentstressoftheswitches,andoperatewithhighpowerfactor,butdesignwithmodularstyles,andreducethemanufacturecostsItscorrespondingPWMcontrolmethodsalsohavebecomearesearchhotspotAsweknown,thetheorybasisofresearchingmultilevelconvertersismathematicalmoduleTherefore,thispaperpresentstwokindsofmultilevelconvertersclamptypeandcascadetype,thengivestheseoperatingprinciples,onwhichweformthemathematicalmoduleofthecurrenttheoryThispaperanalysesthemultileveltopologiesandoperatingprinciplesindetailBesidesthese,theadvantagesanddisadvantagesofthetopologiesarepresentedinsummaryNotonlythetraditionalSVPWMmethodofmultilevelconvertersanditsdisadvantagesaregiveninthispaper,butthespecialalgorithmnamed“KL”ispresentedindetailAsfor“KL”,itiseasy,fasttorealizeandespeciallygetspreciseresultBecauseinthecoordinatesystemof“KL”,thetotalnumberofthereferencevectorsonlyneedssimplemultiplicationandadditionbutnotconsideringthestepnumbersBesidesthe“KL”,thereisanotheralgorithmcalled“coordinatesystemin°”,whichisthesamewiththe“KL”inprocessPresentrealizationalgorithmofmultilevelvoltagespacevectorInthealgorithm,thevoltagevectorsaretransformedtoxyplane,andthencorrespondingcomponentsarenormalizedTheselectionofvoltagevectorsaredeterminedbythedecompositionofthereferencevector,andthencalculatetheoperatingtimeoftheselectedvoltagevectorsinacontrolcycleComparedtoconventionalalgorithmwhichrequiresacomplexdiscriminationofsectorsandselectionofredundancystates,thealgorithmiswithnoselectionofthem,andalsoisgeneralandsimpletorealize,needssmallmemoryAttheendofthispaper,itmakesthesimulationandexperimentalresearchonthreelevel,fivelevelandsevenlevel,verificatedthesuperiorityofthemethodandfeasibilityKeywords:Multilevel,voltagespacevector,mathematicalmodule,controlmethods独创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。本人签名日期关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定即:学校有权保留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定本论文无保密内容。本人签名导师签名日期第一章绪论第一章绪论课题的目的和意义随着电力电子技术的发展在高压大功率(KW-MW)应用场合多电平功率变流器因其良好的性能受到人们的广泛关注变频节能是该电路结构的重要应用领域。多电平功率变流器基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接成可以提供多种电平输出的电路然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平功率变流器和高–低–高间接高压变流器相比较减少了输出变压器直接输出高电压因而系统结构更简洁效率也因而增加。多电平功率变流器采用多级直流电压合成阶梯波以逼近正弦波。随电平级数的增加合成的输出阶梯波级数增加输出越来越逼近正弦波谐波含量大大减小。多电平功率变流器不仅能够输出更高等级电压并且大大降低输出波形的谐波含量单元级联型多电平逆变电路(CascadedHbridgeCHB)是多电平逆变器的一种结构形式既有多电平功率变换电路共有的优良输出性能又具有和自身拓扑结构相应的特点因而应用前景广阔。多电平变流器使得电压型变流器的大容量化、高性能化成为可能研究和开发多电平变流器的控制方法无论在技术上还是在实际应用上都有十分重要的意义。电力电子学、微电子技术和现代控制理论的发展为交流电气传动产品的开发创造了有利条件使交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速响应及四象限运行等良好的技术性能。脉宽调制技术(PWM)应用于电气传动可有效地消除和抑制低次谐波使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行转矩脉动小大大扩展了传动系统的调速范围。近年来在运动控制领域中多电平中、高压变流器的开发研究得到了广泛的关注多电平变流器使得电压型变流器的大容量化、高性能化成为可能研究开发多电平变流器以及其控制方法无论在理论研究还是在实际应用上都有十分重大的意义。多电平变流器的发展综述经过多年的发展至今已形成了几类多电平变流器结构:一类是箝位型变流器拓扑包括二极管箝位型、电容箝位型等以及在此基础上发展出的通用型结构第二类为级联型结构。电压型多电平变流器分类如图所示。第一章绪论电压型多电平变流器箝位型拓扑级联型拓扑二极管箝位型电容箝位型混合箝位型通用箝位型H桥串联型开环绕组双端供电型三相逆变器串联式图电压型多电平变流器分类图FigMultilevelconverterwithvoltag多电平变流器的基本思想源于日本长冈科技大学Nabae等人在年IEEEIAS年会上首次提出的中性点箝位(NPCNeutralPointClamped)三电平逆变器而后Bhagwat和Stefanovic在年的IAS年会上进一步将三电平推广到多电平的结构上奠定了NPC结构的多电平模式。NPC的出现为中压大容量电压型变流器的发展开辟了一条新思路。在此基础上经过多年的研究发展出种主要的拓扑结构:①二极管箝位式(DiodeClamped)②电容箝位式(Flying-Capacitors)③混合箝位式④通用箝位型⑤级连H桥(CascadedHbridge)。多电平变流器技术是一种通过改进变流器本身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变流器它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数增加使得输出波形具有更好的谐波频率每个开关器件所承受的电压应力较小。多电平变流器技术已成为电力电子学中以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。多电平变流器之所以成为高压大功率变流器研究的热点是因为它具有以下一些突出优点:()每个功率器件仅承受(m)的母线电压(m为电平数)所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出且无需动态均压电路。()电平数的增加改善了输出电压波形减小了输出电压波形畸变(THD)。()可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变流器相同的输出电压波第一章绪论形因而开关损耗小效率高。()由于电平数的增加在相同的直流母线电压条件下较之两电平变流器dudt应力大为减少在高压大电动机驱动中有效防止电动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。二极管箝位式多电平变流器EETTTTTTTTTTTTCdCdoABCpn图三相三电平二极管箝位逆变器FigClampconverterwiththreephasethreelevelandDiodetube图为三相三电平二极管箝位逆变器结构图这种结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行箝位输出相应M电压。开关状态和输出电平关系如下表所示:表二极管箝位型结构开关状态和输出电平的关系(以A相为例)输出电平TTTTpononoffoffooffononoffnoffoffonon三相三电平二极管箝位逆变器每个桥臂有三个电平三个输出端A、B、C总共可以输出=个电平状态对应着空间矢量控制的个矢量状态矢量选择范围较第一章绪论大能得到比较好的性能。但是该结构还存在以下不足:(l)箝位二极管承受不同反压。对于三电平来说箝位二极管承受反压相同。但对于更多电平电路来说箝位二极管承受反压最高为(M)(M)最低为(M)其中M为电平数。当M增高时管子数亦将剧增不但增加成本而且安装不易还会带来寄生电感增加实际系统的实现难度。因此一般实际应用中电平数限制在或电平。()开关元件所需额定电流不同。从三电平的例子不难看出不同管子的开关时间不同。显然每相桥臂越靠中间的管子开通时间越长如T和T的开通时间是T和T的两倍。这样同一桥臂上管子的额定电流也会不同。显然按最小额定或平均额定设计均不可行。按最大额定设计又将造成(M-l)(M-)的开关元件容量上浪费利用率低。()电容均压问题。这是制约这种三电平电路应用的最大障碍。引起中点电压偏移的主要原因有:a三倍输出频率的大电流流过中性点b器件特性的分散性c与负载性质及开关状态有关的原因。直观来看直流侧电容由于一个周期内的流入和流出的电流可能不相等造成一些电容总在放电而另一部分总在充电使电容电压不平衡。事实上仅当输出相电压与线电流互差°时电容上流入的平均电流为零方可导致电容电压均衡。而当进行有功传递时如不附加恒压装置必将导致M电平逐渐变为三电平(M为奇数)或两电平(M为偶数)。解决的办法通常可用PWM电压调节器或电池来代替电容但这样又将导致系统复杂使成本升高。总的来说这种拓扑结构由于均压问题在无功调节方面应用较好而在有功传递如电机调速方面控制困难。电容箝位多电平变流器abcVdc第一章绪论图电容箝位五电平全桥电路结构图FigThecapacitorclampcircuitstructureofFivelevelfullbridge图是常见的电容箝位型五电平全桥电路结构图。三个桥臂的结构完全一样其中每个桥臂有三层悬浮电容。电容箝位型多电平的显著优点是逆变器电平数易扩展逆变器的控制也非常灵活而且只需要一个独立的直流电源整流侧的设计非常简单。当整流侧采用类似的结构时逆变器还可以四象限运行特别适合交流传动场合。电容箝位型多电平变流器最大的问题是需要大量的箝位电容以及在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的安全运行。若电容的耐压与主开关相同对于M级电平电路除去直流侧的M个电容外每相还需要(M)*(M)个辅助电容。而二极管箝位电路只需要M个电容。对于电容电压平衡的问题可用输出相同电压时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决但是因为电容太多如何选择开关组合将非常复杂并要求较高的频率。混合式箝位型多电平变流器VdcCxaSaSaSaSaCCDDDDDD图二极管电容混合箝位三电平单向结构FigThreelevelsinglestructureofDiodeCapacitormixedclamp和二极管箝位拓扑相比如图所示这种拓扑仅在结构上增加了一个箝位电容Cx但正是该箝位电容的存在解决了不少问题。加入Cx后由于Cx分别与反向二极管D或D构成了箝位电路使得Sa或Sa关断时产生的过电压被箝位(Cx的电压与C、C相同)。在开关模式方面该拓扑和电容箝位式相同比二极管箝位型灵活。箝位电容具有以下作用:①可以减轻桥臂内侧器件上的过电压问题。②可以为电流提供双向通路。第一章绪论③可以更好的实现电压的均衡。通用箝位型变流器FangZPeng在综合了多种箝位型多电平电路的特性后在年的IAS年会上提出了一种通用型的多电平拓扑结构如图所示。它不需要借助附加的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正的有实际应用价值的多电平结构。VdcVdcVdcVdcVmVmVmVVdcVdcVVVdcmVdc两电平三电平M电平Vo图通用箝位型多电平结构FigMultilevelstructureofgeneralclamp这种拓扑是用特定的单元搭积而成的其中每个单元的电压等级相同。单元可以是多种形式例如普通两电平半桥二极管箝位三电平半桥电容箝位三电平半桥等等。该模式由于可控器件多所以非常灵活(多种冗余矢量)。这种拓扑工作时具有以下特点:()每一级都是独立工作的第一章绪论()每一级中相邻的开关器件是互锁的()一级中如果有一个器件的开关状态被确定则其余器件的开关状态就可以根据互锁原理唯一确定。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功能无需特殊的均压电路或复杂的电容均压控制就可实现更多电平。对于各种逆变器控制策略和负载情况都能有效的控制中点电压相比各种普通箝位型多电平拓扑来说极具优势。级联H桥变流器PengFZ等学者在年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式逆变器组合而成的新型多电平级联变流器的主电路拓扑结构并陆续发表了多篇该方向的文章。此种变流器可以不用变压器直接并入或中压配电网中用作电压调节、无功补偿和滤波装置多电平级联逆变器的单相结构每个电桥都有其独立的直流电压源在一个周期内由(M)个单相电桥联结成的逆变器发出M个电平这种结构的优点在于比较容易使逆变器工作在高电压、大容量的环境下。多电平级联型变流器具有结构简单、控制方式简便的优点因此在灵活电力系统和用户电力技术方面有广阔的应用现有的各种应用中主要分为三类:交直流能量转换、高压大电机变频调速、电能质量综合治理多电平变流器由于其自身结构的特点所以在交直流能量转换上应用十分广泛。与传统的两电平电路相比其控制方式灵活输出电压的相位和幅值便于调节与控制而且输出电压的谐波含量低因此在清洁能源的利用上可以起到重要的作用可再生清洁能源例如风力能、太阳能等。方法是先将电能储存在电容或蓄电池中再通过级联型变流器将电能传输到电网中。而在高电压级别的高压直流输电中多电平级联变流器由于其模块化设计的简单结构也得到较多的应用。高压大电机变频调速是多电平级联变流器应用的另一重要领域。VoVdcVdcSSSSSSSS图级联型五电平变流器单臂电路FigOnesidecircuitofCascadeFivelevelconverter第一章绪论表级联型五电平变流器输出电压与开关状态之间的关系开关状态输出电压SSSSSSSSVdcVdcVdcVdc级联型多电平有如下优点:()由于直流侧采用相互分离的直流电源不存在电压平衡问题。无需箝位二极管或电容易于进行调速控制。()由于每一级逆变桥构造相同给模块化设计和制造带来方便而且装配简单系统可靠性高。另外某一级逆变桥出现故障时就被旁路掉剩余模块可不间断供电以尽量减少生产损失。()由表所示种结构每相所需器件数比较不难得出:对相同电平数而言级连H桥结构所需器件数目最少。()由于无二极管和电容的限制级连H桥结构电平数可较大一般二极管、电容箝位式限于或电平而级连H桥结构却没有这样限制因此可以实现更高的电压实现更低谐波。()控制方法相对简单。因每一级结构的相同性可分别对每一级进行PWM控制然后进行波形重组。()很低的谐波失真和dudt。逆变器输出的电压波形是由很多的电压阶梯构成的,而且错时正弦分布式排列因此这必将会使谐波失真以及dudt都会变得很小。()很低的线电流的谐波失真。由二极管整流器带来的低次谐波已经被相移变压器消除这样确保了串级H桥的线电流谐波失真完全符合IEEE~标准。表种多电平结构每相所需器件数比较表变流器类型二极管箝位式电容箝位式级联H桥式主开关器件(m)*(m)*(m)*主二极管(m)*(m)*(m)*箝位二极管(m)*(m)直流母线电容(m)(m)(m)平衡电容(m)*(m)第一章绪论当然该逆变器相应的也存在一些缺点:()很多的直流分离电源()大量的传输电缆()不具有能量的反馈能力等等这使应用受到一定的限制。多电平变流器应用现状多电平变流器经过二十多年的发展已在多个方面得到较为成功的应用。高压变频调速以及电力系统中的无功补偿是多电平变流器的主要应用领域。目前在大电机调速中大多数采用两电平变流器方式。传统的两电平变流器在高压电机应用中由子频率较高产生如下几点问题则:()容易导致较高的dudt和浪涌电压在电机的线圈中产生很大的共模电压可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿()高频开关所产生的器件电压应力和开关损耗将降低电机效率()产生很高的电磁干扰(EMI)将干扰周围电子设备。而多电平变流器工作在工频时便可在一定程度上克服上述几个问题。将多电平变流器用于高压变频器领域不但可以提高变流器的电压等级更主要是减少变频器出口端的谐波含量降低了输出电流的谐波含量和开关损耗提高功率因数等。因为多电平变流器有诸多优点近年来各大公司争相开发出了多电平变流器。如文中报道采用二极管箝位方式做成MVAKVA大容量的五电平GTO变流器。三电平变流器在我国的油田KW潜油电泵上也有使用。另外多电平变流器还应用于混合型电动汽车等产品上。上海高速磁悬浮列车地面VVVF供电系统中也采用了二极管箝位型三电平变流器。同样在全球范围内也有很多的高压大功率逆变器的生产厂商包括瑞士的ABB、德国的西门子、日本的东芝、加拿大的RockwellAutomation、美国的通用电气和ASI罗宾康以及法国阿尔斯通等。在它们的产品中这些公司都是采用不同的变流器拓扑结构。比如ABB采用三电平中性点箝位(NPC)逆变器结构洛克韦尔则使用基于IGCT的电流源型多电平逆变器罗宾康采用的是多电平串级H桥结构东芝应用的是NPC和H桥混合的多电平逆变器结构而阿尔斯通公司则在发展电容箝位的多电平逆变器结构。目前该类型产品的电压等级已达到KV应用面十分广阔。多电平级联变流器在电能质量综合治理中的应用也开始受到人们的重视。各补偿部分控制思路:在中、高压等级的电能质量综合治理中首先用无源无功补偿装置来补偿系统中的大部分无功不平衡余下的小部分无功可以由电力有源滤波器来补偿系统中的谐波和电压不平衡则由电力有源滤波器和动态电压补偿器来联合消除。第一章绪论综上所述对高压变流器的研究无论在研究方面还是在实际应用上都是有重大的意义。本文研究工作及结构安排多电平变流器技术作为目前电力电子技术领域中最活跃的一个研究方向受到各国专家学者的充分关注已取得了一系列研究成果。本文研究了多电平变流器的一系列控制方法研究内容如下:数学模型是对多电平变流器进行研究的理论基础本课题在数学模型上将多电平变流器分为箝位型和级联型并以此为基础建立其数学模型。本文详细研究了数种多电平SVPWM算法并比较了各种算法的优劣。本课题将利用MATLABSIMULINK下的PowerSystemBlockset工具箱进行系统仿真以获取理论分析结果进而在自制的小功率样机上对研究进行验证。本论文的具体结构如下:第一章为绪论部分说明了本课题的目的和意义综述了多电平逆变器国内外研究水平阐述了其拓朴结构然后概述了本文的研究内容。第二章重点研究了多电平变流器的数学模型。第三章对多电平变流器算法进行了简要的阐述。详细研究了多种SVPWM算法并比较了其优缺点。第四章对文中所给算法进行了仿真和实验。第五章为本文的结论和展望部分对所做工作的具体总结并对以后的工作提出了具体的建议。第二章多电平变流器的数学建模和分析第二章多电平变流器的数学建模和分析建立研究对象的数学模型是深入研究和分析对象的工作原理、特性、以及提高系统控制性能的基础和必要手段。二极管箝位型三电平变流器有源逆变下的数学模型UdcSaSaSaSaSbSbSbSbScScScScCCoABCpnVDVDVDVDVDVDipidcioicicinNRsLsUaRsRsLsLsUbUcUcUciaibic图三电平变流器有源逆变下的电路拓扑FigThecircuittopologyofthreelevelconverterinactivepowerinversion图为三电平变流器有源逆变下的电路拓扑由图中可以看出(以A相为例)同时导通Sa、Sa关断Sa、Sa时在逆变电路输出端可以获得一个正电平同时导通Sa、Sa关断Sa、Sa时输出电压为中点电压零电平同时导通Sa、Sa关断Sa、Sa时在逆变电路输出端可以获得一个负电平从电路结构可以看出零电平是靠Sa、Sa和二极管VD、VD共同实现的。通过对Sa-Sa四个开关器件的控制可以在输出端合成三电平的波形。简单的并联三个这样的电路就可以形成如图所示的三相三电平第二章多电平变流器的数学建模和分析逆变电路。以输出相电压A这相为例分析图所示三电平逆变器主电路工作情况。()给Sa、Sa导通触发脉冲Sa、Sa关断时如负载电流为流出方向(相对于逆变器)则电流流过主管Sa、Sa电源对电容C充电忽略管压降该相输出端电压dcOUv=如负载电流为流入方向电流流过与主管Sa、Sa并联的续流二极管对电容C充电则该相输出端电压仍是dcOUv=。此时无论负载电流的方向如何相当于把电源正端接到负载输出端。()给Sa、Sa导通触发脉冲Sa、Sa关断时如负载电流为流出方向则电流流过箝位二极管VD、主管Sa电源对电容C充电此时该相输出端电压Ov=如负载电流为流入方向电流流过主管Sa再流过箝位二极管VD电源对电容C充电则该相输出端电压仍是ABv=。此时无论负载电流的方向如何相当于把电源中点接到负载输出端。()给Sa、Sa导通触发脉冲Sa、Sa关断时如负载电流为流出方向电流流过与主管Sa、Sa并联的续流二极管对电容C充电忽略管压降该相输出端电压dcOUv=−如负载电流为流入方向则电流流过主管Sa、Sa电源对电容C充电该相输出端电压还是dcOUv=−。此时无论负载电流的方向如何相当于把电源负端接到负载输出端。如图所示从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发不难得出A相输出端的三种状态:态dcOUv=态ABv=-态dcOUv=−。为了保证A相每个功率器件在关断状态承受dcU电压且A相状态变化时通过中性点电位O的过渡。A、B、C三相静止坐标下的三电平变流器模型图为三电平变流器有源逆变下的电路拓扑其相应的得等效电路如图所示定义开关函数如下:{}{},,,,ijiabcjponS∈∈=∑()其中ijSij=如果连接到其他()为了方便分析将开关函数Sij按照abc三相分为类:SapSaoSanSbp第二章多电平变流器的数学建模和分析SboSbnScpScoScn并且有如下关系成立:apaoanbpbobncpcocnSSSSSSSSS===()()()(),(,),(,),(,)asasaabsbsbbcscsccdiLuRiuSouoNdtdiLuRiuSouoNdtdiLuRiuSouoNdt=−−=−−=−−()上式中Ls交流输入侧电感Rs为输入侧等效电阻uaubuc为电网三相电压iaibic为三相输入电流u(Sao)u(Sbo)u(Sco)为三相交流输入侧与直流中点之间的电压差u(oN)为直流侧中点与电网三相电压中点之间的电压差。UaUbUcUdcRsLsSaSapSaoSannSbSbpSboSbnScScpScoScnRsRsLsLsCCUcUcioidcippicicinNiaibic图三电平变流器有源逆变下的等效电路FigTheequivalentcircuitofthreelevelconverterinactiveinversion由图逆变器三相交流输入端电压与直流侧中点之间的电压差可由开关函数表示为:(,)(,)(,)aapcancbbpcbncccpccncuSoSuSuuSoSuSuuSoSuSu=−=−=−()根据abciii=并将式()代入到()中得到u(oN)的表达式:第二章多电平变流器的数学建模和分析((,)(,)(,)(,)abcabcuSouSouSouuuuoN−=()从而得到(,)()()(,)()()(,)()()apbpcpanbncnabcaapcancapbpcpanbncnabcbbpcbncapbpcpanbncnabcccpccncSSSSSSuuuuSNSuSuSSSSSSuuuuSNSuSuSSSSSSuuuuSNSuSu=−−−=−−−=−−−()在电网电压平衡的情况下即abcuuu=所以式()变为(,)()()(,)()()(,)()()apbpcpanbncnaapcancapbpcpanbncnbbpcbncapbpcpanbncnccpccncSSSSSSuSNSuSuSSSSSSuSNSuSuSSSSSSuSNSuSu=−−−=−−−=−−−()对直流侧节点p应用基尔霍夫电流定律得到dccppapabpbcpccciiiiSiSiSiduiCdt===由上式可得到:()cdcapabpbcpcduCiSiSiSidt=−()同样对直流侧节点n应用基尔霍夫电流定律得到ncdcnanabnbcnccciiiiSiSiSiduiCdt===由上式可得到:()cdcanabnbcncduCiSiSiSidt−=−−()对节点o有:第二章多电平变流器的数学建模和分析occoaoabobcociiiiSiSiSi==由上式可得到:ccaoabobcocduduCCSiSiSidtdt−=()对直流侧回路有:ccdcuuu=()综合式()-式()可以得到有源逆变工作状态下三电平变流器在A、B、C三相静止坐标下的数学模型表示为:dXABXCEdt=,具体如下式所示:asapbpcpanbncnsbsapbpcpanbncnscsapbpcpanbncnscapbpcpcanbncndiLSSSSSSdtRdiLSSSSSSdtRdiLSSSSSSdtRduCSSSdtduSSSCdt−−−−−−−−=−−−−−−−abcccabcdciiiuuuuui−−−−()在电网电压平衡的情况下abcuuu=所以矩阵C简化为:C−−=−−()D、Q坐标下的三电平变流器模型在分析SVPWM时需要用到坐标变换一般是将A、B、C三相静止坐标系下的第二章多电平变流器的数学建模和分析模型转换到D、Q旋转坐标系中。这种变换分为两个步骤即A、B、C三相静止坐标系到,αβ静止坐标系变换和,αβ两相静止坐标系到D、Q旋转坐标系的变换。A、B、C三相静止坐标系到,αβ静止坐标系变换可以称之为Tss变换,αβ两相静止坐标系到D、Q旋转坐标系的变换可以称之为Tsr变换。aabssbccxxxxTxxxxαβ−−==−()cossinsincosdsrqxxxttTxxxttααββωωωω==−()由上两式可以得到从A、B、C三相静止坐标系到D、Q两相旋转坐标系的直接转换矩阵srsssrTTT=如下式所示:coscos()cos()sinsin()sin()aadbsrbqccxxtttxxTxxtttxxππωωωππωωω−==−−−()在式()-式()中ω为D、Q坐标系的旋转角频率并且初始电角度为即初始时刻D坐标与A坐标重合。为了得到D、Q两相旋转坐标系下的高频数学模型将式()中所有与A、B、C三相坐标相关的量都进行Tss变换即:TTdqsrabcUUTUUU=()TTdqsrabciiTiii=()TTdpdqsrapbpcpSSTSSS=()TTdndnsranbncnSSTSSS=()综合式()以及式()-式()并且考虑电网电压平衡的情况可以得到有源逆变工作状态下三电平变流器在D、Q两相旋转坐标系下的数学模型如式()所示:第二章多电平变流器的数学建模和分析dsssdpdndqdsssqpqnqqdqpccdcdnqnccdiLdtRLSSidiuLLRSSidtuSpSuduCiSSdtuduCdtωω−−−−−−−=−−−()二极管箝位型三电平变流器无源逆变下的数学模型在逆变器应用中绝大多数场合应用到的是无源逆变例如电动机驱动。无源逆变交流侧不和电网相连而是直接接无源负载。其电路拓扑和等效电路分别如图和图所示。从图中可以看出无源逆变状态下的等效电路与有源逆变状态下的等效电路唯一的区别就是交流侧没有三相交流电网电压因此采用和上文类似的解析法和坐标变换法就可以得到A、B、C三相静止坐标系和D、Q两相旋转坐标系下的数学模型分别如式()和()所示。UdcSaSaSaSaSbSbSbSbScScScScCCoABCpnVDVDVDVDVDVDipidcioicicinNRsLsRsRsLsLsUcUciaibic图三电平变流器无源逆变下的电路拓扑FigThecircuittopologyofthreelevelconverterinpassiveinversion第二章多电平变流器的数学建模和分析UdcRsLsSaSapSaoSannSbSbpSboSbnScScpScoScnRsRsLsLsCCUcUcioidcippicicinNiaibic图三电平变流器无源逆变下的等效电路FigTheequivalentcircuitofthreelevelconverterinpassiveinversionasapbpcpan

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多电平变流器电压空间矢量SVPWM控制方法的研究

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