（电力电子与电力传动专业论文）三电平变频器技术的实用化研究.pdf

a bs t r a c t i i lr e c e n ty e a r s ，m ed e v e l o p m e n to ft h et l l r e e 1 e v e li n v e r t e rh 船b e e nw i d e l yu s e di nm e e l e c t r i c a l “v e sa r e a t h e 锄e r g e n c eo ft h r e e l e v e li n v e n e rt o p o l o g yp r 0 v i d e sa 1 1e 毹c t i v ew a y f o rm er e a l i z a t i o no fh i 曲v 0 1 t a g ea n dh i g hp o w e ri i l v e r t e r t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m r e e l e v e li n v e r t e ra r ev e r ys i 嘶f i c a n tt ot h ea s p e c t so ft e c l l l l o l o g ya n dp r a c t i c a l 印p l i c a t i o n t h i sp 叩e rc o n d u c t sd e 印a n a l y s e sa i l dr e s e a r c hb a s e do nt h et 1 1 r e e l e v e li n v e r t e r f i r s t l y ，t h i sp a p e ri m r o d u c e sm et o p o l o g yo ft h r e e l e v e l i n v e n e rm a i nc i r c u i ta l l d c o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，t h eb a s i cp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r 孤1 dp w m c o n t r 0 1s t r a t e 科a sw e l l 必t h ep r o b l 哪si n d f b u g g i n ga n d t h er e l a t e ds o l u t i o n s t h en e u t r a lp o t e n t i a li m b a l a n c ei s a 1 1i 1 1 l l e r e n t p r o b l e mo ft 1 1 r e e l e v e lt 叩o l o 百c a l s t m c t u r e 1 1 1 i sp a p e ra 1 1 a l y s e sm ei 枷n s i cc a u s e si nn e u t r a lv o l t a g ei 衲a 1 锄c e 锄dp r e s e n t st h e v o l t a g eb a l a n c em e t h o db a s e do n ah y s t e r e s i s1 0 0 pc o n t l 0 1 t h em e m o dd y n a m i c a l l yc o n t i o l s t 、) l ，o c 印a c i t o rv o l t a g e ，a c c o r d i n gt o 廿l el o a dc 岍e n t d i r e c t i o no fd i 虢r e n tc o m b i n a t i o n s ，删u s t st h e s m a l lr e d u n d a i l tv e c t o r s ，m 1 1 yc o n s i d e r st h em e d i u mv e c t o r so fi m p a c t0 nm en e u t r a lp o i n t p o t e n t i a lb a l a l l c e ， 锄da i l a l y s e st h er e f i e r e n c ev 0 1 t a g ev e c t o r sf a l l i n gi n t oo n e0 r 储os m a l lv e c t o r r e d u n d a n ts m a l lt r i 觚舀ew h e ns w i t c l l i n gs t a t e sc h o i c e ，t h eo r d e ro fs w i t c ha n ds e q u e l l c eo ft i m e a l l o c a t i o n c a r r i e rm o d u l a t i o ni so n ek 硒dm o d u l a t i o nm o d eo fm u l t i 一1 e v e l i n v e n e r s h 1t h i sp a p e r t h e m o d u l a t i o ns t r a t e g yb a s e do n 戗l ec a r r i e ru s e di nt h r e e - l e v e “n v e m ri ss t u d i e da n da i l a l y z e d ，m e h a m o i l i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i n 研e n tm o d u l a t i o ns 仃a t e g i e sa r ec o i n p a r c d ，a i l dt h er e l a t i o n 些i po f m o d u l a t i o nd e 孵ea l l dt o t a lh 锄o n i cd i s t o r t i o ni so b t a i n e d t h ec o i l c l u s i o ni sy a l i d a t e db y t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n 蠲de x p e r i m e n t a t i o n t h eh a r d w a r ed e s i g no fm a i nc i r c u i t 锄dc o n t r o lc i r c u i tw i l lb ead i r e c ti m p a c to nt h e o 奎e r a t i o no fi n v e r t e rp e r f o 册a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm eh a r d w a r ed e s i g no f 缱l l ei l e r t e r m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta tl o c a l ei n d u s t r y ，锄dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa r ed r a w nf 如mm e c o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a l 撕m m e t i ca i l dp r a c t i c a lt e s t s t 1 1 i sp a p e ra n a l y s e sv o l t a g ei m b a l a n c e o fi n v e n e ri n s i d ea n do u t s i d er c db u 疵rl o o pw h e ni tw o r k s ，a l l d 西v e sa d e t a i l e ds nu _ b b e rl o o p b u 脏ra l g o n t h m f i n a l l v b a s e do nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ep a p e rd “e l o p st h ee x p 甜m e n t a l a p p a r a t u so ft h e6 9 0 v 6 0 0 k wh i 曲p o w e rm i d d l ev 0 1 t a g e 矗e q u e n c yi n v e r t e r ，a n d l eo p e r a t i o n r e s u l ta tf i e l di n d u s t 巧i sg i v e i lo u ti nt h i sp a p e r t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n v e r t e rc a na c h l e v e ag o o dw a v e f o 皿a n dp e r f o m l a n c e ， k e v w o r d s ：t 1 1 r e e 1 e v e l i n v e n e r m i d p o i n tc o n t r 0 1 ，c 删e rm o d u l a t i o n ，h a n n o n i cc h a r a c t e r i s t i c s 2 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及 取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭虚三 些盔堂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谢意。 学位论文作者签名：凰澎签字日期砂衅缃夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权北方工业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名司i 澎 签字日期：曲揖阳砂日 签字日期：册归日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：枷导师签名：” 签字日期：o 辟y 月7 乙日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 随着电力电子器件的迅速发展，电力电子装置的应用也越来越广泛，比如在大容量 电机驱动系统和交直流输电系统中都需要使用大功率电力电子变流装置，这些装置都具 有功率大、控制要求高、系统复杂等特点。由于容量及电压等级的提高，传统的两电平 变频器很难满足这些高电压、大容量应用场合的要求，主要表现在以下三个方耐1 】：1 、 高压会导致很高的如出和浪涌电压，引起电机转子绕组绝缘击穿；2 、半导体开关器件 产生很大的电压应力和很大的开关损耗，使效率降低；3 、高频开关对附近的通讯或其 它电子设备产生宽频带的e m i ( 1 0 k h z 3 0 k h z ) 等等。 多电平变频器的思想就是基于此点而产生的，它的一般原理是由几个电平台阶合成 阶梯波以逼近正弦输出电压。在过去两电平变频器的高压大容量应用中，除了少数低速 场合采用交一交变频方式外，通常采用交一直一交变频方式。在这种方式中，或是将多 个低压小容量变换器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，或是在交流输入侧和 交流输出侧分别采用变压器进行降压和升压，中间环节仍然采用低压变换器。很显然， 以上两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现中间环 节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多缺点。为了克服 这些缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件提出了更高的 要求，特别是需要承受很高的电压应力。通常的做法是采用多个低耐压值的开关器件串、 并联，这种方法在实现直接高压变换的同时又一定程度降低了成本。但串联在一起的各 个器件被当作单个器件使用，且控制也是完全相同的，由于各器件本身的特性不可能完 全相同，这样存在着静态和动态均压问题，会导致各器件的电压、电流不均衡，而均压 电路会导致系统复杂、损耗增加、效率下降，严重时造成器件损坏甚至控制失败。因此， 一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升、降变压器，又无需均压电路的多 电平变换器应运而生。这种变换器由于输出电压电平数目的增加，使得输出波形具有更 好的谐波特性，每个开关器件所承受的电压应力较小，且无需均压电路，开关损耗小， 可避免大的如出所导致的各种问题。 北方：f 业大学硕士学位论文 相对于传统的大容量变频器结构而言，多电平变频器的主要优点在于：1 、串联连 接使得在没有增加丌关器件负荷电压的基础上增加了电压电平，这对于大功率设备是非 常必要的；2 、多电平变频器多阶输出波形减少了变频器输出的如出，较高的幽以会 对电机绕组产生较大的冲击力，因而需要额外的电机绝缘；3 、在同样的开关频率下， 多电平变频器的输出波形相对于传统两电平变频器来说由于有更多的电平数，因此谐波 畸变更低。 1 2 多电平逆变器发展概况简介f 2 】 所谓的多电平逆变器( m u l t i l e v e lh i v e n e r ) ，就是通过对直流侧的分压和开关动作的 不同组合，实现多电平阶梯波电压的输出，从而使波形更加正弦化。从目前所见到的各 种多电平变换器主电路拓扑结构种类主要有如下几种： 1 ) 二极管箝位式多电平逆变器( d i o d e c l 锄p e dm u l t i l e v e l i n v e n e r ，d c m i ) 中点箝位逆变电路( n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ，c ) 是多电平逆变电路拓扑结构中发展 最早的一种，也称为二极管箝位三电平逆变器。这种电路通过多个功率器件串联，按一 定的开关逻辑产生所需要的电平数，在输出端合成相应的正弦波形。图1 1 是一个基于 半桥结构的中点箝位三电平逆变电路。 广一一一一一一一一一1 c l 图1 1中点箝位三电平逆变电路 在图1 1 中，电容c l 、c 2 为变换电路提供2 个相同的直流电压，二极管d l 、4 用 于电平箝位。当同时开通乩、鼢：，关断勋，、甄时，在逆变电路输出端可以获得一个 正电平；同时开通勋：、勋，关断跖。、勋。时，输出电压为0 ；同时开通勋，、勋。，关 断岛、勋：时，可在输出端得到一个负电平：从电路结构可以看出零电平是靠、甄 2 一 北方工业大学硕士学位论文 和箝位二极管d l 、d 2 共同作用实现的。通过对泓勋。四个开关器件的控制，可以在输 出端合成三电平的波形。如果需要在三相输出电路中使用该拓扑结构，只要简单地并联 三个与图1 1 相同的电路单元即可。其中箝位二极管的作用是：在中间两个开关管导通 时把电平箝在零电位，保证每个开关器件的耐压箝位到直流母线的电压的一半。 图1 2 所示的是一个二极管箝位三电平全桥逆变器主电路结构图，采用一定的开关 调制策略进行控制，如表1 1 所示，在负载端可得到预期的电压、频率可调的高压交流 电，如图1 3 所示。增加分压电容和箝位二极管的个数，可以得到多电平变换电路。若 要得到m 电平输出，则需要( m 1 ) 个直流电容，每一桥臂需要2 ( m 1 ) 个主开关器件和 ( m 1 ) ( m 2 ) 个箝位二极管。 e7 1 州 一 l v 。 图1 2 二极管箝位三电平逆变器主电路图1 3 二极管箝位三电平全桥逆变器 拓扑结构输出波形 该拓扑结构的主要优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；开关损耗较小，效 率较高；可控制无功功率。主要缺点：需要大量箝位二极管；每桥臂内外侧功率器件的 导通时间不同，造成负荷不一致；存在电容电压不平衡问题。 表1 1单相二极管箝位三电平逆变器开关状态表 是。s o e 1 1o o e 2o11o 00011 2 ) 飞跨电容式多电平逆变器( n y i n gc 印a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ，f c m i ) 图1 4 所示为飞跨电容三电平全桥逆变器的拓扑结构图，直流侧电容不变，用飞跨 电容取代箝位二极管。通过比较可看出，这种拓扑结构虽然省去了大量的箝位二极管， 一3 北方丁业大学硕士学位论文 但又引入了不少电容，对m 电平逆变器来说，共需要( m 1 ) 个直流侧电容器以及各相支 路所需的( m 1 ) ( m 2 ) 2 个辅助电容器。对高压系统而言，电容体积大，成本高，封装 难。这种拓扑结构的逆变器工作原理与二极管箝位电路相似。但在电压合成方面，由于 电容的引进使得开关状态的选择更加灵活，对功率器件的保护能力较强；既能控制有功 功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等。 e 图1 4 飞跨电容多电平逆变器主电路拓扑结构 该拓扑结构的主要优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；开关损耗较小，效 率较高；可控制无功功率流，可用于高压直流输电；使用不同的开关组合，可使得电容 电压平衡。主要缺点：需要大量的箝位电容；用于有功功率传输时控制复杂、开关频率 高、开关损耗大；存在电容电压不平衡问题。 3 ，多单元串联多电平逆变器( m u l t i m o d u l e c a s c a d e di n v e n e r ，m m c i ) 多单元串联逆变器在单元间直流侧电压相等的情况下，串联单元数和输出电平数之 间满足“电平数_ 2 k + 1 的关系，其中k 是每相的串联单元数。图1 5 为多单元串联多 电平逆变器的拓扑结构图。 u b u 蛆 图1 5 单相串联三电平逆变器主电路拓扑结构图1 6串联电路的输出波形 在图1 5 中，该逆变电路是由两个或多个单相全桥电路串联而成，每个直流电源给 4 北方工业大学硕士学位论文 一个单相全桥逆变器供电，总的输出为两个或多个串联单元输出电压的叠加，如图1 6 所示。 该拓扑结构主要优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；开关损耗较小，效率 较高；无需箝位二极管或箝位电容，易于封装；基于低压小容量变换器级联的组成方式， 技术成熟，易于模块化；可采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻容吸收电路；不存 在电容电压平衡问题。主要缺点：需多个独立电源，器件数目庞大。 4 ) 混合级联多电平逆变器( h y b r i dc a s c a d e dh e n e r s ) 除了以上所介绍的基本多电平逆变器拓扑结构，还有几种拓扑结构被提出来，但是， 它们大部分以多单元串联型逆变器为基础而形成的混合级联多电平逆变器。混合级联多 电平逆变器的主要思想是通过各单相全桥单元直流侧电压源取值的不同增加输出的电 平数。举例来说，当独立的直流电压源取相同电压值e 时，由m 个单相全桥逆变单元 组成的单相级联型多电平电路，输出的电平数为2 m + l 。若把各独立直流电压取为e ， 2 e ，4 e 2 m e ，则其输出的电平数增加到2 叶2 1 。 混合级联多电平逆变器在采用的功率器件上也是不同的，图1 7 为功率器件分别采 用g t o 和i g b t 的两h 桥结构级联的多电平逆变器。该逆变器由g t o 组成的高压单 元承担2 e = 3 l ( v 的电压，由i g b t 构成的低压单元承担e = 1 5 k v 的电压。采用合适的调 制策略，可输出4 5 k v ，3 k v ，1 5 k v ，o ，1 5 k v ，3 k v ，4 5 l 【v 等七电平构成的阶梯 波，和电压相等的普通单元串联多电平逆变器相比，输出电压的电平数由5 增加到7 。 由于级联多电平逆变器的多种优点，受到了研究人员普遍的关注和广泛的研究，取 得了一系列的研究成果。文献 3 】提出将级联多电平逆变器中各独立的直流电压源的电 压值分别取e ，3 e ，9 e 3 m e ，则其输出的电平数将大幅度地增加到3 耐1 ，文献 4 】和 5 】 提出了将具有任意独立电源电压、任意电平数的多电平单元或两电平单元进行级联，如 图1 8 所示，并提出了实现输出电平数最多，输出谐波最小的设计原则。 在众多级联多电平研究文献中，研究者们在如何提高输出电平数目、提高输出波形 质量方面做了大量的工作，取得了许多有价值的成果，但由于开关管耐压有限，混合级 联多电平逆变器的级联级数受到限制，从而限制了整个功率变换装置的电压等级。 5 北方工业大学硕士学位论文 。a 爿k 干i s 。爿 s a 爿医干s b 爿 a b 图1 7 混合级联多电平逆变器结构图1 8 一种新的混合级联多电平逆变器拓扑结构 1 3 多电平逆变器的控制策略 多电平脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ：p w m ) 控制技术是多电平逆变器研究的核 心技术。传统两电平逆变器的p w m 控制方案有许多种，当微处理器应用于数字化以后， 又不断涌现出新的技术。目前，常用的两电平p w m 算法有载波调制法，优化目标函数 调制法，空间电压矢量调制法等【6 】。这些p w m 控制思想也可以推广到多电平逆变器的 控制中。但多电平逆变器的p w m 控制方法是与其拓扑紧密联系的，不同的拓扑具有不 同的特点，其性能要求也不相同。归纳起来，多电平变换器p w m 技术主要对两个方面 的目标进行控制【7 】：第一为输出电压的控制，即变换器输出的脉冲序列在伏秒意义上与 目标参考波形等效；第二为变换器本身运行状态的控制，包括直流电容的电压平衡控制、 输出谐波控制、所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。 多电平变换器的p w m 控制方法主要有【8 】：多电平载波p w m 法、开关频率优化 p w m 法( s w i t c hf r e q u e n c yo p t i m i z a t i o np w m ：s f o p w m ) 、多电平特定消谐波法 ( s e l e c t e dh 蝴o n i ce l i m i n a t i o np w m ：s h e p w m ) 、空间电压矢量脉宽调制( s p a c e v e c t o r p w m ：s v p w m ) 、多电平逆变器的阶梯波调制。 1 、多电平载波p w m 法【引 该方法是两电平s p w m 方法在多电平逆变器控制中的直接拓展，其载波常为三角 波，调制波为正弦波，根据载波和调制波的位置和数量不同，该方法可分为两大类：第 6 北方工业大学硕士学位论文 一种是基于多载波的多电平消谐波p w m 法，第二种是基于多调制波的多电平消谐波 p w m 法。对于第一种方法每相使用一个正弦调制波与几个三角波进行比较，按照普通 s p w m 方法的原则，开通或关断相应的器件，实现多电平s p w m 波的输出，该方法可 直接用于二极管箝位式多电平的控制，对其他类型的多电平结构也适用。第二种方法则 采用一个三角载波和多个正弦调制波进行比较。 2 、开关频率优化p w m 法( s f o p w m ) 【l o 】 开关频率优化p w m 法是另一种三角载波p w m 方法，这种方法与特定谐波消除法 类似，对载波的要求相同，所不同的是s f o p w m 法的调制波是通常的三相正弦波分别 减去零序分量后得到的波形，该方法的优点是可以优化器件的开关频率，提高电压利用 率。 3 、多电平特定消谐波法中( s h e p w m ) 【1 1 】 特定谐波消去法是以优化输出谐波为目标的优化p w m 方法，和两电平特定谐波消 去法类似，三电平s h e p w m 也是通过在预先确定的时刻实现特定开关的切换，从而产 生预期的最优s p w m 控制，以消除选定的低频次谐波，这是一种基于傅里叶级数分解、 计算得到开关时刻的p w m 方法。这类方法的优点：在同样的开关频率下，可以产生满 足某个优化目标的输出电压波形，如减小电流纹波和电动机的转矩脉动，从而在整体上 提高控制性能；波形质量的改善，减小了直流侧电流纹波，使得直流侧滤波器的尺寸有 所减小；在同样波形质量的情况下，利用特定谐波消除法可以得到最低的开关频率，从 而有效降低开关损耗，提高转换效率，这一点对高压大功率设备来讲特别重要的意义； 可以通过这种方法得到较高的基波电压，提高直流电压的利用率等。缺点是：求解非线 性方程组比较繁琐，需进行离线计算，采用查表法取得开关切换时刻，这就需要较大的 数据。功率变换器的拓扑结构不同，对应的p w m 控制规律也不同，同时控制的实时性 和灵活性也差。 4 、空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 【1 2 】 空间电压矢量脉宽调制起源于电机的控制，进而发展产生了空间电压矢量的概念。 根据使用空间电压矢量方式的不同，空间电压矢量法可以分为最近矢量法和比较判断式 空间电压矢量法两类。由于最近矢量法模型简单、实现方便，得到了较为广泛的应用。 7 北方工业大学硕士学位论文 空间电压矢量调制算法的基本原理是利用与参考电压最接近的3 个开关矢量组合，并控 制其作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相同。应用于多 电平逆变器时，所用的开关矢量更密集，控制更精确，输出电压更接近正弦波。但是对 于多电平逆变器，关键问题要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之 内，还要考虑矢量选择对中点电位的影响，同一种电压输出有不同的开关模式，不同的 开关状态的组合对筘位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的 开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。这就是优 化空间电压矢量的基本原理。 5 、多电平逆变器的阶梯波调制【”】 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近j 下弦波，是比较直观的方法，在阶梯波调制中，可 以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除和抑制。这种方法对功 率器件的开关频率要求不高，因此可以采用低开关频率的大功率器件。该方法的缺点是， 由于开关频率比较低，输出电压谐波含量比较大。常用于电力系统无功功率补偿等场合。 1 4 国内外研究现状及意义 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、三星等公司都推出成熟产品。如g e 公司推出了“小n o 玎i o n ”系列逆 变器。该逆变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式结构， 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 s l 0 0 0 系 列高压逆变器，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， 具有响应迅速快、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逆变器已经进入市场；广东的中山明阳电器公司 所生产的高压大功率多电平逆变器已经进入实用化。由于国内中压变频调速市场潜力巨 大，应用前景十分广阔，因此目前国内许多公司和研究所投入了大量的人员和资金，在 中压变频调速领域展开了积极的研究，比如北京凯奇、利德华福、天津电气传动研究所 及天水电气传动研究所等等。 8 j 北方工业人学硕士学位论文 目前的多电平逆变器多采用单元串联的“罗宾康”结构，控制简单，模块化结构易 于维护【l4 1 。但是主电路使用大量开关元件，故障率高，难以降低成本。并且不易实现能 量的双向流动。二极管箝位多电平逆变电路结构简单，能够克服以上缺点，但是存在中 点电位控制及窄脉冲消除等一系列问题，控制复杂，不易实现。在电路拓扑上多采用单 元串联的方式，在控制上多采用速度开环的v f 控制。对于在我国大量使用的风机、水 泵等负载，对动静态性能要求不高，v f 开环控制可以满足要求。另外，随着技术的发 展，v f 开环控制的性能也得到了不断改进。 传统的两电平逆变器在高压、大功率场合往往需要开关管承受很高的电压，如果采 用高频逆变，还会导致很高的电压应力，珏关管的损耗也很大，但是如果频率太低，输 出波形的质量又会很差。而多电平逆变器通过自身拓扑结构的改变，增加了输出电平数， 从而提高了输出电压并且降低了输出波形的谐波含量。虽然理论上多电平逆变器输出的 电平数越多越好，但是实际中如果电平数大于三时，将会遇到许多困难，如硬件电路过 于复杂；如何保证直流侧的电容电压的平衡等【15 1 。因此本文选择二极管箝位型三电平 逆变器作为主要的研究对象，研究易于工业应用的三电平控制算法及相关的对波形及其 调制策略进行性能评价的方法，对中压大功率变频调速的研究，无论在技术还是在实际 应用上都有十分重大的意义。 1 5 本论文的研究内容 本文的主要的内容如下： 1 、首先介绍了三电平主回路拓扑结构和s v p w m 调制原理，以及三电平变频器电 机调速系统所存在的问题及解决方法。 2 、对三电平逆变器控制策略进行了深入的研究。三电平逆变器共有2 7 个开关矢量， 需要安排这些矢量的顺序，从而去控制开关管的导通和关断，同时还要考虑逆变器直流 侧中点电位的平衡，本课题采用了一种基于中点电位平衡的控制策略，这种控制方法取 得了较好的效果。 3 、对于所采用的基于载波的调制策略，作了深入分析，得出了相应的谐波特性， 基于谐波总含量，对调制特性的优劣进行了比较。通过实验和仿真对相关结果进行了验 证。研究结论对具体的三电平结构如何选用合适的调制策略具有实际的指导意义。 一9 北方工业大学硕士学位论文 4 、对主回路各参数计算和控制回路的硬件结构进行了阐述，针对逆变器内外r c d 缓冲电路在工作时所产生的电压不平衡作了分析，并详细的给出了其缓冲吸收电路算 法。 5 、研制了6 9 0 v 6 0 0 k w 的大功率中压变频器，介绍了主回路和控制回路的硬件结 构，编制了基于模块化的控制软件，并把本文的部分研究结果应用于该变频器，最后给 出了现场运行结果，运行结果表明系统设计及所采用调制策略的j 下确性。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 2 三电平逆变器的主电路拓扑结构 2 1 引言 日本长冈科技大学学者1 9 8 0 年在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上首次提出了三电平拓 扑结构，它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。s v p w m 源于 交流电机变频传动控制的电压空间矢量控制技术，现在己被应用于电压型三相逆变器的 控制中。本章主要介绍的是三电平主回路拓扑结构和s v p w m 调制原理，最后讨论了 三电平逆变器电机调速系统所存在的问题及解决办法。 2 2 三电平逆变器的主电路拓扑结构介绍? s v p w m 源于交流电机变频控制的空间电压矢量p w m 控制技术，后被应用于电压 型三相逆变器控制。由于传统的两电平逆变器在中高压场合运用时，在开关频率较低的 情况下，两电平逆变器在中高压场合运用，在开关频率较低的情况下，将会出现系统效 率低，能量传输困难等一系列问题。因此，人们考虑从改进逆变器自身拓扑结构入手， 从而产生了多电平( 输出相电压电平数大于或等于三) 逆变器。这种逆变器无需升降压变 压器，也无需均压电路：通过增加输出电压的电平数，使得输出波形更接近正弦波形， 且谐波含量更低，可以解决两电平逆变器所存在的问题。 三电平逆变器是多电平逆变器中最简单，但非常有实用意义的一种，它属于电压源 型逆变器。所谓三电平逆变器是指逆变器的交流侧的每相输出电压相对于直流侧的电压 有三种取值的可能，即正端电压( + 2 ) 、负端电压( 一2 ) 和中点零电位( o ) ，三电平 逆变器的拓扑如图2 1 所示。由图可见，与传统的二电平逆变器的拓扑结构相比较，三 电平逆变器具有以下特点： ( 1 ) 现有半导体器件不太高的耐压等级限制了普通二电平逆变器系统的容量，尽 管人们采用多器件串联的形式，但仍存在着静态、动态均压的问题。而三电平逆变器能 有效解决电力电子器件耐压不高的问题，因此它更适用于中压大功率电动机调速。 ( 2 ) 三电平逆变器的单相桥臂能输出三种电平，即正端电压( + 2 ) 、负端电压 ( 一2 ) 和中点零电位( o ) ，线( 相) 电压有更多的阶梯波来模拟正弦波，使得输出波形失 北方工业人学硕士学位论文 真度减少，因此谐波含量大为降低，若三电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星型负 载，则负载中不会有3 的倍数次谐波电流流过。 ( 3 ) 多阶梯电压波形减小了幽西，对电机绕组的绝缘要求也有所降低。 ( 4 ) 同样的谐波含量下，开关频率下降一半，允许采用同样的调制比来提高整个 系统的效率。能产生2 7 种空间电压矢量，比二电平逆变器大大增加，矢量的增加带来 谐波消除算法的自由度，可以得到更好的波形。 p ( + 争) a 【_ 纠 图2 1 三电平逆变器单相电路 2 3 三电平逆变器的控制要求 一 在图2 1 中，e 。疋。代表一相桥臂中的4 个功率开关，a l a 4 为反并联的续流 二极管，d l ，职为箝位二极管，所有二极管要求与功率开关有相同的耐压等级。直流 端的p 、n 、o 与相输出端在一定条件下是相通的，比如若开通邑：和，既能保证电 流从0 流向负载，此时功率器件疋：和q 导通；又能保证电流从负载流向o ，此时功率 器件，和d ，导通。因此，三电平结构的主电路既能保证电流从逆变器直流端各点流入 负载，又能保证电流从负载流入直流端各点。对于每相桥臂通过控制功率器件疋疋 的开通、关断，在桥臂输出点可得到三种不同电平p ( + 2 ) 、n ( 一2 ) 和o ，见表2 1 。 表2 1 三电平逆变器单相桥臂开关组合表 兄。： e ，s n 4 输出状态输出电压 o no no f f o f f1 + u 赴| 2 0 f fo no n0 f foo o f f o f fo n 0 n1 一u 赴f 2 1 2 北方工业大学硕士学位论文 由表2 1 看出：功率丌关和的状态是相反的，疋：和屯的状态也是相反的。为 了保证单相桥臂中每个功率开关处于关断状态时承受的电压为2 ，且该相在状态变 化过程时不至于使单个功率开关瞬间承受的电压为，必须使该相电位不应该在2 和一睨2 之间直接变化，而一定要通过中心点电位o 的过渡。这样就不存在两个器件同 时开通或同时关断，也就不存在动态均压的问题。所以，单相桥臂的状态变化只存在四 种可能：即o 变到1 ，1 变到0 ，o 变到1 ，一1 变到o 。在控制状态在l 和o 之间反复变 化时，必须使疋：导通、疋。关断，控制和疋，交替通断；在控制状态在o 和一1 之间反 复变化时，必须使e ，导通、疋。关断，控制疋：和邑。交替通断。以上所述为三电平逆变 器驱动控制的基本原则，在任何三电平逆变器系统设计中都必须遵循此原则【1 6 】。 2 4 三相三电平逆变器s ? w m 算法研究 2 4 1 三电平s v 】) 、m 原理 与三相桥式二电平逆变器一样，三相三电平逆变器也可以用开关变量，s ，疋分 别表示各桥臂的开关状态，不同的是这时桥臂有三种开关状态。图2 2 为三相三电平逆 变器拓扑结构图。 2 2 三相三电平逆变器拓扑结构图 在图2 2 中，用变量疋表示a 相桥臂的开关状态： ( 1 ) 疋，：关断，e ，疋。导通，定义这种状态为- 1 态，疋= 一1 当电流为正值时，电流从电源负端n 点经a 4 ，a 3 流入a 点；当电流为负值时， 电流从a 点经，疋。流入电源负端n 点。因此，无论为何值，a 点都接到n 点， 1 3 生： o 坠： 北方工业大学硕士学位论文 故叱= 一2 ； ( 2 ) 若如，疋。关断，疋。，氏：导通，定义这种状态为1 态，瓦= 1 ； 当电流屯为正值时，电流从电源正端p 点经疋。，既：流入a 点；当电流为负值时， 电流从a 点经a 2 ，a l 流入p 点。因此，无论为何值，a 点都接到p 点，故= 2 ： ( 3 ) 若e 。，e 。关断，配：，疋，导通，定义这种状态为o 态，邑= o ；叱= o 。 定义三电平变频器的开关状态s ( f = 口，6 ，c ) ： 1 1 ，第f 相上面两个开关管导通 s 。= 1o ，第i 相中问两个开关管导通 i 一1 ，第f 相f 面两个开关管导通 每相输出相电压可用开关函数表示为： 眈= s 2 ，其中( f = 口，6 ，c ) 由式( 2 1 ) 建立三电平电路的开关模型如图2 3 所示。 玑= ( u 。+ 口。+ 口2 u 二) j ：2 石 其中，【，。为空间电压矢量，口= p 一。 根据式( 2 1 ) ，式( 2 2 ) 可表示为： 瓦= 半( 趾椰膨跗 疋1 1与 g ： + o 0 1 - l l k 一 d喀 s 1 1 o - 1 o g = ot 1 图2 3 三电平电路的开关模型 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 根据( s 口，s c ) 的不同开关组合，由式( 2 3 ) 可得三相三电平变频器可以输出 3 3 = 2 7 种状态，除去冗余电压矢量，有效电压矢量有1 9 种。根据它们幅值和相位可以 画出三相三电平变频器的空间电压矢量图如图2 4 所示。 一1 4 北方工业大学硕士学位论文 一l l l l o ll 】 i l l 】 图2 4 空间矢量扇区分布图 在图2 4 中，模长为的是大矢量，如【1 1 1 】；模长为励的是中矢量， 如【l0 1 】；模长为2 的是小矢量，如【1oo 】；模长为o 的是零矢量，如【111 】。它 们把正六边形等分为6 个大三角形区，而每个大三角形区又被分为4 个小三角形区。 2 4 2 三电平逆变器s v 】? w m 合成算法 三电平逆变器的空间电压矢量共有2 7 个基本矢量可供选择，根据模的大小把 阿i = 的矢量定义为大矢量；把i 巧l - _ 2 的矢量定义为中矢量：把i 瓦| _ 2 的矢 量定义为小矢量( 防l 为空间电压矢量的模值) 。整个空间电压矢量图划分为6 个扇区 2 4 个三角形区域，每一个区域中的矢量选择及作用时间计算公式均不一样。为了减小 输出电压的谐波，使逆变器三相输出电压矢量等于给定电压矢量的值，在每个p w m 控 制周期内将给定电压用其最接近的三个基本电压矢量来表示。以第1 扇区为例如图2 5 ， 它含有大矢量= 和以= 一卵，中矢量u = 坳p 缈，小矢量u = 2 p 扣和 u = 2 p 缈，零矢量。把u ，址，u 的顶点连接起来，大扇区被分为a ，b ，c ， d 四个区域【17 1 。 1 5 北方工业大学硕士学位论文 图2 5 第1 扇区空间电压矢量图 如果参考电压矢量u = q - 包含在三角形a 中，u 就用，u ，u 的时间线性 组合来近似等效，u ，u 的作用时间可由下式联立求解： 乇+ u ，l + 乩= 以z f o + f 1 + = i 式中：= 。，u = 警护，以= 警一酽，矿= q 以一调制参考电压矢量矿的幅值； o 一调制参考电压矢量矿的相位角。 i 一调制脉冲周期 、 将上面的已知矢量代入上述两式中得： o f o + 警”争f 4 = q i 【岛+ f | + = c 利用欧拉公式：= c o s p + _ ，s i n 口 方程组可变为： 兰箬f i + 导 ( c 。s 6 0 。+ s i n 6 0 。) ：z ( c 。s 目+ s i n 口) f o + + = z 由式( 2 8 ) 进一步简化： + 孚中等轴肌箦驷口 解式( 2 1 0 ) ，又复数方程实部，虚部分别相等，得： 1 6 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 妇 旧 i 骞 弛一弛一 | i = 一2 + 6一z”括t 北方工业大学硕士学位论文 ， 令k 为调制系数，且七= 善联立式( 2 9 ) ，式( 2 1 1 ) 求解，得： 3 r 麓蒋们 同理可求得b ，c ，d 扇区中矢量作用的时间， ( 2 1 2 ) 其计算公式如表2 2 所式： 表2 2s ，w m 时间计算公式表 f i = 2 七ts i n ( 6 0 。一目) 三角形a= 2 j is i i l 目 = i f l 一 f ：= 2 七is i n ( 6 0 。一曲一正 三角形b屯= 2 惫is i n 口 = i 一屯一f 3 = z 一2 七es j n 目 三角形cf 4 = t 一2 七is 抽6 0 9 一回 = r r i 一 屯= 2 量is i n ( 6 0 。一目) 三角形d= 2 七is i t l 口一e f 4 = i 一一七 2 5 三电平逆变器电机调速系统所存在的问题及解决方法 由于三电平逆变器与两电平逆变器相比，其电压矢量由7 个增加到1 9 个，开关状 态由8 个增加到2 7 个，故其空间矢量模型较两电平更加复杂。在进行三电平逆变器技 术的实用化研究时，首先需要解决三电平逆变器自身的一些问题，同时也可眺通过其数 量丰富的电压矢量合理的设计开关表，发挥多电平拓扑结构的优势。 2 5 1 窄脉冲问题。 在控制系统中，对于每个桥臂在1 + o h 一1 转换过程中必须防止短路的可能性，为 此要分析其转