（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp数字控制的三电平逆变器的研究.pdf

基丁d s p 数字控制的三电平逆变器的研究 a b s t r a c t h i g h v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yh a sr e m a r k a b l ee f f e c ti ns a v i n g e n e r g y , w h i c hu s u a l l yu s e sm n l t i l e v e l i n v e r t e rt o p o l o g y t l r l e v e li n v e r t e rc a n r e d u c et r a n s i s t o r s v o l t a g e - s t r e s sa n dh a sl o wh a r m o n i c ，a n di t sc o n t r o lm e t h o di s u n i v e r s a la ss v p w mm e t h o d t h eu s eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o l l e r s i m p l i f i e st h ec o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m ，a n dm a k e si t p o s s i b l et oa p p l ys o m eo p t i m i z i n ga l g o r i t h m f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et o p o l o g i e sa n dc o n t r o lp r i n c i p l e so ft h r e e - l e v e l i n v e r t e r t h e ni t e x p o u n d st h e s t r u c t u r eo ft h ed i o d ec l a m p e di n v e r t e ra n dt h e m e t h o do fs v p w m b a s e do nt h i s ，t h et h e s i si n t r o d u c e sm o d e l i n go ft h r e e - l e v e l i n v e r t e rt h r o u 曲t h ea n a l y s i so f i t s o p e r a t i o n a n di t r a i s e so n em e t h o dt ob a l a n c e t h en e u t r a l v o l t a g e ，w h i c h a l s oc a r ld e c r e a s es w i t c h w a s t a g e t h i s t h e s i sa l s o i n e d u c e st h em a i nc i r c u i t ，s n u b b e rc i r c u i t ，c a p a c i t a n c ec h a r g eb u f f e r , s a m p l i n g c i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i to ft h r e e l e v e li n v e r t e r t h e ni ti n t r o d u c e sad r i v ea n d p r o t e c t i o nc i r c u i tu s e do p t i c a lf i b r e ，w h i c hc a np r o t e c tt h et r a n s i s t o r sa n dh a sg o o d e m ip e r f o r m a n c e o n ek i n do fd p s ( d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m s ) i si n t r o d u c e d i t s e l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ed r i v ec i r c u i ts h o u l db es e p a r a t e dw i t hg r o u n da n dc a n s i m p l i r yt h es t r u c t u r e u s e dt h ed s po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t h i st h e s i sr e a l i z e st h e s v p w m m e t h o d ，a dc o n v e r t ，m o t o rv f c o n t r o l ，p r o t e c t i o ni n t e r r u p t i o na n ds oo n t h r e el e v e li n v e r t e rb a s e do nd s pc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s a r eo b t a i n e do nt h e p r o t o t y p e ，w h i c hp r o v e t h a tt h et h e o r i e sa n d a n a l y s i sa r e c o r r e c t k e yw o r d s ：h i 【曲一v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，t h r e e l e v e l i n v e r t e r , s v p w m ，d r v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t1 s o l a t e db yo p t i c a lf i b r e ，d p s ，d i g i t a l c o n t r o 】 南京航空航天人学硕士学位论文 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果，尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对 本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复印手段保存论文。 作者签名 r期 宵缸移 南京航空航天大学硕h 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生 活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，受资金、技术 的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多，能源工业压力日益增 加。能源的有效利用已经成为一个关系国计民生的迫切问题。电机作 为能源的消耗大户在节能方面是大有潜力可挖的。尤其是大容量高 压变频器，其节能效果明显，而我国在高压变频调速和它的节能方面 还处于薄弱环节 4 6 1 。开发出高压大容量的变频调速器是提高能源利用 率的一个重要手段。 1 2 高压变频调速技术的发展和现状 高压变频技术适合大功率高电压场合，在诸如冶金，采矿，勘探， 石化等方面需求市场巨大。新的电路拓扑和控制策略的出现、微处理 器技术的进步以及新的大容量开关器件的发明促进了高压变频调速技 术的发展【5 “，它的频率范围大，动态响应快，调速精度高，使用方便， 节能效果显著。国际、国内相关机构投入大量人力财力进行这方面的 研究，取得了一定进展。国际上，如汉城的p o w e r e l e c t r o n i c 中心”i ， 澳大利亚s y d n e y 大学【2 l ，美国t e n n e s s e e 卅ik n o x i v i l l e 大学，日本 y a s k a w a 电力公司【”】、k a g o s h i m a 大学m 1 等进行了卓有成效的研究。 国外相关公司推出各自高压变频器m 1 ，如美国罗宾康( r o b i c o n ) 公 司生产的完美无谐波变频器，洛克韦尔( a b ) 公司生产的b u l l e t i n l5 5 7 和p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列变频器，德国西门子公司生产的s i m o v e r t m v 中压变频器，瑞典a b b 公司生产的a c s l 0 0 0 系列变频器，意大利 a n s a l d o 公司生产的s i l c o v e r tt h 变频器以及日本三菱、富士 公司生产的完美无谐波变频器等。其主电路结构不尽一致，但都较为 基于d s p 数字控制的= 电平逆变器的研究 成功地解决了高电压大容量这一难题，为节约能源作出了贡献。在我 国，| l 益发展的国民经济对变频调速系统的容量和要求越来越高，目 前，大功率高压变频器的使用范围基本上覆盖了我国各主要行业 4 7 - 4 9 1 ， 如：电力、市政供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材 等。国外具有一定专业知识的劳动力成本较高，其产品适合的电压等 级与我国国情有一定区别，这为我国大容量变频器的发展提供了契机。 国内如清华5 0 l 【5 2 】【“i 、华中科大4 ”、浙大圳、西安理工l5 1 等高校开展 了研究，国内一些企业在九十年代初期也开始进行这类产品的开发和 研制，经过近十年的努力，技术上逐渐缩短了与国外品牌间的差距， 初步形成产业规模，产品业已进入国内市场。国内品牌有心8 】：北京的 先行，凯奇，利德华福，天宠，成都的佳灵等。 变频调速技术在高压领域发展缓慢，这其中主要原因是功率丌关 器件的耐压值有限( 1 2 0 0 v - 1 8 0 0 v ) ，研制高压变频有困难，s c r 通过 串联虽然可以提高耐压值，但驱动难、谐波含量大、开关频率有一定 限制，电路输出波形f 弦度较低，其组成的变频调速系统性能不高。 容量大、耐压高的功率器件的应用是高压变频技术发展的趋势之一， 这些开关器件有高压i g b t 器件( h v o i g b t ) 3 8 1 ”】，对称门极换流晶 闸管( s g c t ) 、集成门极换向关断晶闸管( i g c t ) 1 2 8 】1 5 0 1 5 5 1 、碳化硅 与碳化硅( s i c ) 功率器件、电子注入增强栅晶体管i e g t ( i n j e c t i o n e n h a n c e dg a t et r a n g i s t o r ) 5 1 1 等。a b 公司于近期推出新一代的中压变频 器p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列，即使用s g c t 代替原先的g t o ，使驱动和吸 收电路简化，系统效率提高。 拓扑结构的发展也是高压变频技术的发展趋势之一。目前应用较 多的高压变频的主要拓扑 1 7 1 【2 5 】【2 7 】 2 8 1 包括：高一低一高式变频调速， 交一直一交高压变频调速 5 5 1 ，高一低式多级串联逆变，高一高 式直接变频方式等。美国a b 公司的中压变频器b u l l e t i n l5 5 7 系列，其 电路结构为交直一交电流源型；罗宾康公司利用单元串联多重化技 术，生产出功率为3 1 5 k w 1 0 m w 的完美无谐波( p e r f e c t h a r m o n y l 高压变频器，无须输出变压器实现了直接3 3 k v 或6 k v 高压输出。随 着多电平技术的发展，采用多电平基本拓扑( 如飞跨电容式三电平逆 变器拓扑、带分离直流电源级联逆变器拓扑、二极管钳位式三电平逆 南京航空航天大学硕士学位论文 变器拓扑) 作为基本单元 5 2 1 ，通过级联m “、多重化等方式，变频器 的耐压和功率容量能大大提高。 1 3 多电平逆变器技术 多电平变换技术是当今电力电子技术前沿研究的方向之一。它具 有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、 系统效率高等优点；适合中高压大容量变频器应用，主要用于中型和 大型的功率变换领域。多电平逆变器级数越高其控制越复杂，且成 本增加；三电平逆变器的研究具有典型意义。其电路拓扑和控制策略 可以随着电平级数的增加而扩展f l 】。因此，三电平逆交器变频调速系 统成为目前研究最为广泛的高压大容量逆变器变频调速系统。三电平 逆变器首先由a n a b a e 等学者在1 9 8 0 年在i a s 年会上提出，又称中点 钳位三电平逆变器( n e u t r a lp o i n tc t a m p e dt h r e el e v e li n v e r t e r ) i t3 5 】， 至今已经发展了2 0 多年。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。 传统的高压大容量逆变器缺点显而易见：普通二电平逆变器获得 大功率时，要依靠元件串联，可靠性不高；高一低一高变换电压方式 成本高、能耗大、效率低；交一交变频电路输出频率低，控制复杂， 多用于低频场合。而三电平逆变器拓扑电路与上述三种电路相比 ”。8 2 4 4 ”，优势明显 6 1 1 8 1 ：1 、更适合大容量、高电压场合。三电平逆 变器使开关管的电压应力降低了一半，为大功率电机的应用提供了平 台。2 、由于开关动作的减少，d v d t 也随之降低。电磁干扰( e m i ) 问 题大大减轻。3 、电路的效率提高。三电平逆变器可以在较低的开关频 率下获得与二电平逆变器同样质量的输出波形，降低开关损耗。4 、谐 波问题是所有变频器共同问题，在大功率变频调速中尤为突出。谐波 会污染电网，干扰通讯和控制系统，谐波电流会使电机损耗增加，发 热增加，效率和功率因数下降。采用多电平逆变器拓扑结构，产生的 波形台阶增加，更接近正弦波，谐波含量降低。例如，美国罗宾康公 司以多电平逆变器为基本拓扑，采用若干个单元级联实现高压输出， 即完美无谐波变频器，波形质量大大提高。 基rd s p 数字控制的二l 电平逆变器的研究 本课题选用二极管钳位式三电平逆变器( d i o d ec l a m p e d t h r e e l e v e li n v e r t e r ) 作为研究的电路拓扑，它与其它两种三电平逆变 器的电路拓扑相比，有自身的优势”1 12 2 1 。带分离直流电源串连式拓扑 ( c a s c a d e df u l lb r i d g et h r e e l e v e li n v e r t e r ) 需要独立的直流电源，应 用受到限制；飞跨电容式( f 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 ) 电容 数目较多，增加了整个电路控制的复杂程度，电容体积庞大，成本高， 封装不易，且开关频率增大，损耗增加，效率降低。二极管钳位式拓 扑很明显的优点就是降低管子耐压，而且它比较容易推广到更高电平 的电路中去，其控制方法也能随之拓展 1 1 。 数字信号处理技术的发展”6 1 使三电平逆变器控制技术进入一个新 的阶段，各种微处理器( 单片机、d s p 等) 的发展能实现日益复杂的 控制策略 1 9 1 1 2 0 j 口6 1 。目前国际上对三电平逆变器的研究重点放在控制方 法上的改进上，人们研究的焦点是利用微处理器强大的运算功能，实 时实现和优化控制策略i t 2 1 、降低谐波含量i s ，平衡中点电位0 z - 1 4 3 0 1 等 等。 1 4 课题研究的意义和内容 三电平逆变器的结构较简单，其电路拓扑形式从一定意义上来说 可以看成多电平逆变器结构中的个特例，它的中点钳位及维持中点 电位动态平衡技术、功率器件尖峰吸收缓冲电路、p w m 算法简化及控 制策略、高压功率器件的驱动及系统的工作电源等也是多电平逆变器 控制需要研究解决的问题。从目前功率开关器件发展的水平来看，短 时间还不可能出现耐压上万伏的器件，多电平技术是解决高压大功率 变频调速的一个有效途径，同时在当前电力系统高压直流输电的趋势 下，多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。因此，本课题 以二极管钳位的三电平逆变器作为研究对象，深入地研究其p w m 算 法及控制策略，系统地研究其电路组成和控制原理，对三电平技术乃 至多电平技术的工程应用具有重要的指导意义。 课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 三电平逆变器共有2 7 个空间矢量，根据参考矢量位置的不同， 南京航空航天人学硕七学位论文 在空间矢量图的不同区域，选择的合成矢量的个数、类别和作 用时间也各不相同，因此三电平逆变器空间矢量算法计算复 杂。本文应用一种简化的s v p w m 算法，根据空间矢量图的区 域不同，合理安排合成矢量的类别和个数，简化了合成矢量的 选择，利于d s p 实时实现。 2 ) 中点电位平衡问题是二极管钳位式三电平逆变器的一个较突 出的问题，它影响输出波形的质量和功率器件的均压，本文分 析了空间矢量引起中点电位不平衡的原因，根据空间矢量的特 点，采用修正抬升或降低中点电位空间矢量作用时间的方法， 平衡了中点电位并降低了中点电位的波动幅度。 3 ) 三电平逆变器开关器件的驱动是电路设计的重点，其开关器件 众多，驱动信号不能共地，功率电路的电压高。本文采用光纤 传输信号，隔离了功率电路和控制电路，适合高压功率电路的 驱动；驱动电路在功率器件发生过流等异常现象时，能迅速关 断驱动脉冲，有效保护了丌关管和其它功率器件。 4 ) 三电平逆变器工作电源数目较多，1 2 个驱动电路驱动电源相 同，但不能共地。本文设计了三电平逆变器分布式工作电源， 降低各电源之间的干扰，提高可靠性和安全性。 5 基td s p 数字控制的二电平逆变器的研究 第二章三电平逆变器的拓扑结构及其控制策略 本章主要简单介绍了三电平逆变器的三种拓扑结构，并分别讨论 了各种拓扑结构的调制策略，由此说明选择本课题研究对象和控制方 法的原因。 2 1 引言 三电平逆变器近年来得到了广泛的研究，这些研究主要集中在拓 扑结构、控制策略两个方面。 图21 三电乎逆变器的基本拓扑结构 三电平逆变器作为多电平逆变器的最基本结构，优点突出：相对 于其它多电平逆变器，它的结构最为简单，控制方法也较为简便。其 它多电平逆变器，均是以三电平逆变嚣作为基本单元，按类似的拓扑 结构扩展而成。总的说来，三电平逆变器主要可以归结为以下三种基 本拓扑 2 q 1 2 1 ，如图2 1 所示： 带分离直流电源串联式三电平逆变器( c a s c a d e df u l l b r i d g e t h r e e l e v e li n v e r t e r ) 。 飞跨电容式三电平逆变嚣( f l y i n gc a p a c i t o r t h r e e l e v e l i n v e r t e r ) 。 二极管钳位式三电平逆变器( d i o d ec l a m p e dt h r e e l e v e l i n v e r t e r ) 。 由于三电平逆变器的拓扑结构多种多样，且涉及了直流电压的均 南京航空航天大学硕士学位论文 衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，其控制策略 也远比传统的两电平逆变器复杂。三电平逆变器的调制方法也可以分 为以下几种i 4 4 1 ，如图2 2 所示： 空i 自j 矢量p w m ( s p a c ev e c t o rp w m ) 。 三角载波p w m 调制。这种调制方法又可分为子谐波脉宽调制 s h p w m ( s u b h a r m o n i cp w m ) 、丌关频率优化p w m 调制 s f o p w m ( s w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i c a lp w m ) 以及载波相移 p w m 调制c p s p w m ( c a r r i e r p h a s es h i f t i n gp w m ) 。 短圆匿 f 三角载波1 lp w m 图2 2 二电平逆变器的基本调制方法 波形逼近法。这种调制方法也可分为三种：阶梯波形脉宽调制、 分区逼近法调制以及虚拟级数脉宽调制v s p w m ( v i r t u a ls t a g e p w m ) 。 闭环调制法。这种调制方法又可分为：多电平s i g m a d e l t a 调 制m l s d m ( m u l t i l e v e ls i g m a d e l t am o d u l a t i o n ) 、多电平电流 滞环控制( m u l t i l e v e lc u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 等。 2 2 三电平逆变器的三种拓扑结构 三电平逆变器各种拓扑结构都有一些共同的优点： 它们都适合大容量、高电压变频场合。 由于开关器件在较低的工作频率下可以获得较好的波形，因此 开关损耗低，效率高。 电路的电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m l l 问题大 大减轻。 基于d s p 数字控制的二电平逆变器的研究 波形的台阶数增加，谐波含量低，波形质量提高。 f 面洋细介绍几种拓扑的结构，并分析他们的优缺点，阐述选择 二极管钳位式逆变器作为研究对象的原因。 2 2 1 带分离直流电源串联式的三电平逆变器 这种电路拓扑最早是1 9 8 8 年用在单相全桥的逆变器拓扑中，后来 拓展到三相电路中，这方面应用最为成功的是罗宾康公司( r o b i c o n ) 的中型变频器，它的性能已经居于国际领先地位。 如图2 3 所示的单相电路，它的结构便于模块化，这种结构接成 三相系统时可以选择三角形或者y 型连接。由于技术成熟，组合时不 必添加其它元件，所以该拓扑易于拓展。 图2 3 带分离直流电源串联式多电平逆变器的一相电路拓扑 这种电路结构既有多电平逆变器共有的优点，也有自身独到的优 势：它采用低压小容量的逆变器级联而成，技术成熟，维护方便，便 于模块化，易于封装。但是该电路拓扑一个较明显的缺点就是需要独 立的工作电源，这使它的应用受到了极大的限制。有一种做法是在输 入侧通过变压器引入交流源，来实现直流源的功能：变压器的原边直 接接到高压输入端，副边6 个绕组( 每相2 个) ，首先保证每相之间相 差1 2 0 0 ，再保证每相内部两个单元间相位偏差。这样对于三电平逆变 器，特别是多电平逆变器为了消除谐波电流将大大增加控制的复杂程 度，系统精度降低、性能下降。 南京航空航天大学硕f ：学位论文 2 2 2 飞跨电容式三电平逆变器 飞跨电容式拓扑结构于19 9 2 年提出，被称作是除二极管钳位式逆 变器以外的最佳选择。如图2 4 所示，它采用飞跨在串联开关器件的 串联电容进行电压钳位。以n 电平为例，该种拓扑每相需要开关器件 2 ( n 1 ) 个，直流分压电容( n 一1 ) 个，钳位电容伽一1 ) 0 2 ) 2 个。 相对于下文要讲到的二极管钳位式逆变器而言，它的一个优势是无需 钳位二极管，且它限制了开关装置电压应力，引入了附加的转换状态 以此用于维持电容上的电压平衡。 v 。：+ n- lc d ，p 图2 4 飞跨电容式三电平逆变器一相电路拓扑 与二极管钳位式拓扑不同的是，飞跨电容式拓扑结构有足够多的 转换状态保证单相桥臂电压平衡，输出获得不同的电平值。这使得该 拓扑在d c d c 变换领域有着广泛的应用前景。 飞跨电容式结构除了拥有三电平逆变器拓扑的共有优势外，还有 其自身的优点：它的开关组合种类多，对于同一个输出电平，可以由 多种开关状态合成，控制比较灵活；在d c d c 变换中，它可用于高压 直流输电系统。该拓扑结构也有缺点如下： 直流分压电容的控制增加了整个电路控制的复杂程度。 相对于同等条件下的二极管钳位式逆变器而言，飞跨电容式拓 扑需要更多的电容，存在电容电压不平衡现象。 在退耦电容间存在寄生的谐振电压 用于有功功率传送时，控制复杂，开关器件频率高、损耗大。 9 基于d s p 数字控制的三电平逆变器的研究 2 2 3 二极管钳位式三电平逆变器 二极管钳位式逆变器是由长冈科技大学学者n a b a e 等人于19 8 0 年提 出，是提出最早电是研究最为广泛的三电平逆变器，又称中点钳位式 ( n e l l t r a 一p o if t t c a m p e d ) 逆变器( n p ct h r e e l e v e li n v e r t e r ) ，它以 跨接在每相桥臂上的两个串联的二极管钳位。以n 电平为例，该拓扑每 相需要2 ( n 一1 ) 个，直流分压电容1 1 1 个，钳位二极管数目为2 ( r l 一2 ) 个，每2 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间即可。 如图2 5 所示的一相电路，相对于两电平逆变电路而言，优势明显： 开关管上的电压应力只有直流母线电压值的一半。 开关动作一次的d v d t 只有两电平的l 2 ，e m i 问题大大减轻。 电路输出电压谐波含量大大减少，波形质量提高。 二极管钳位式逆变电路拓扑是目前应用最为广泛的三电平逆变电 路，它的主要缺点在于对钳位二极管的要求比较高，因为钳位二极管在 工作过程中通过的电流比较大，而且要求高速开通关断。但近年来，这 个问题随着高质量的二极管的出现逐步得到了解决。另外，直流电容的 分压问题是该拓扑的一个焦点问题，如何保持电容上电压平衡成为研究 的热点，采取合适的控制方法是解决该问题的有效途径，研究人员也提 出了各种各样的控制策略，本文在后面的论述中将详细讨论这个问题。 图2 5 二极管钳伉式三电平逆变器一相电路拓扑 二极管钳位式逆变拓扑在多电平逆变器电路拓扑中除拥有共有优 点外还有其独到之处： 南京航空航天人学硕十学位论文 电路拓扑简单，容易扩展到更高电平的电路中去，控制方法也 可以随之扩展。 开关管上的电压应力减少。 其控制策略易于数字化实现。 带分离直流电源串联式电路拓扑需要独立的直流电源，限制了它的 应用；毪跨电容式电路拓扑电容数目增加带来诸多不便，且它进行有功 功率传输时，控制复杂。因此本课题选用二极管钳位式电路作为三电平 逆变器的主功率电路。 2 , 3 三电平逆变器的几种控制策略 三电平逆变器的控制方法可以分为三角载波p w m 法、空间矢量 p w m 法、波形逼近法以及闭环调制法。三电平的三角载波p w m 法实际 是两电平载波法的扩展，它又包括s h p w m ( 又称消谐波p w m 法) 、开 关频率优化p w m 法( s f o p w m ) 和载波相移p w m 调制三种。空间矢量 脉宽调制同样源于两电平的s v p w m 法，它是目前比较流行也是研究最 多的三电平逆变器的控制方法。 2 3 1 三角载波p w m 法 载波调制是比较常用的多电平控制方法之，它的实现方法就是通 过载波和调制波进行比较而获得功率器件的开关状态。其载波调制按采 样方法可分为自然采样和规则采样，前者主要用模拟电路实现，后者用 数字电路实现。规则采样又分为对称和不对称采样两种。对于m 电平逆 变器，载波调制时，定义幅度调制比m 。和频率调制比m ，分别为： 4， m a 2 磊高m f 2 蒡 叫 其中a 。为载波峰值，丘为载波频率，a 。是调制波峰值，厶为调制 波频率。 2 3 1 1 消谐波p w m 法( s h p w m ) 基于d s p 数字控制的三电平逆变器的研究 对于一个m 电平的变换器，每相采用n 1 个具有相同频率f 、相同 峰值4 ，的三角波( 载波) 与一个频率是厂m 、峰值是4 ，的正弦波( 调制 波) 交接，为了保证三角载波所占区域连续，他们在空间上紧密相连， 萨弦调制波置于载波集中间。与传统两电平的s p w m 控制方法类似，在 调制波与载波相交的时刻，如果调制波幅值大于某载波幅值，则开通相 应的丌关管；反之，则关断相应的丌关管。 - j 2 。 颁一， a 。 0 一a ， 一2 a 。 幽2 6s h p w m 法调制原理图 消谐波p w m 法载波间的相位有三种配置方案 4 4 1 ：所有载波同相 位；正、负载波间相位相反；相邻载波问相位相反。图2 6 所示就 是采用所有载波同相位的配置方案。对于s h p w m 调制法，有以下特征： 对于三相输出系统，频率比柳，应取3 的倍数；单相逆变器，采取相邻载 波相位相反配置电压谐波最小；三相逆变器，采用所有载波同相位配置 电压谐波最小。 多电平特定消谐波法中，求解特定的开关点时候要解非线性的超越 方程，因此计算很复杂，在逆变器控制中不利于数字化实现。 2 3 1 2 开关频率优化p w m 法( s f o p w m ) 开关频率优化p w m 法原理与s h p w m 法相似，二者的区别在于调制 波的不同，s h p w m 的是正弦波，而s f o p w m 是添加了零序分量的正弦 波】。该零序分量可表示为： 2 v o = m a x ( v ，) 十m i n ( ，) 。 ( 2 2 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 j 2 a 。 触粼沈沈。 a ， n 一a ， 一2 a ， 酗27s f o p w m 法调制原理图 图2 7 是采用s f o p w m 的波形图，s f o p w m 适用于三相逆变器，其 优点是提高线性调制范围，最大线性幅度调制比m 。可达1 1 5 ，比s h p w m 法提高15 。这种方法同s h p w m 法一样，计算也较复杂，不易实现。 2 3 1 3 载波相移p w m 法( c p s p w m ) c p s p w m 法的基本原理是：多电平逆变器各单元模块采用低开关 频率的单向s p w m ，各单元模块幅度调制比、频率调制比相同，但单 元模块间载波存在一定的相位差0 。逆变器的输出是各单元输出的线 性叠加，这样就等效了开关频率提高。各单元模块调制方法和传统的 调制方法一样，可以采用单极性、双极性、单极倍频s p w m 调制。有 研究表明1 ，单元模块采用单极倍频s p w m 调制时，可获得最小谐波 输出电压，此时单元模块两臂的调制信号相位相反，载波间相位差0 = n ( n 为级连单元数) 。 2 3 2 波形逼近法( w a v e f o r ma p p r o x i m a t i o nm o d u l a t i o n ) 波形逼近方法是利用一系列宽度可调的正负脉冲按照某种优化准 则叠加，逼近参考波。根据叠加方法的不同，波形逼近法分为以下几 种。 2 3 2 1 阶梯波形p w m 如图2 8 示，由k 对正负脉冲按阶梯波形逼近法合成2 k + 1 电平 壁t - d s p 数字控制的二电平逆变器的研究 逆变器的输出波形。由波形对称，输出电压币含偶次谐波分量，奇次 ，旨波l | 自j 蛆为： h 。= 二 p jc o s y t a l 十v 2 c o s f q 二+ 十p ：c o sy _ 1 女】 l2 3 7j 2 - 式中，r l 为偕波次数，a ，甜。为对应脉冲的丌关角。可以通 过选择口，n 。消除最多k 1 个谐波分量。由于高次谐波相对比较 容易采用附加滤波电路消除，通常选择消除次数最低的k 1 个酱波。 y j k ：、。 - _ 以 k q 啦一吼詈”甘幻t 例28 阶梯调制输出波，b 采用阶梯波合成的逆变器，其变压器体积重量都较大，音频噪声 大，电路拓扑复杂，功率器件数目多。 2 3 2 2 分区逼近p w m 法 阶梯波调制开关角满足o a ， z f 2 ，故其调制范围通常较 笮。测此人们提出了分区逼近法，它的调制范围较高。其基本思想是： k 埘脉冲波合成的输出，可将其调制范围分成k 个区间，在不同的 b ：i t ij 采用 i 州的波形叠加方式。恢方法输出波形各奇次谐波的一般表 达武为： h ，= 三阢c o s y a 1 c o s r ( 2 2 kc o s t 】 ( 2 4 ) 月2 - 其中f 号表示歼关角产生卜升沿，负号表示产生下降沿。 南京航空航天大学硕士学位沦文 分区逼近p w m 法开关频率是基本频率，消除谐波的个数受到电 平级数的限制。 2 3 2 3 虚拟级数p w m 法( v i r t u a ls t a g ep w m ) 前述的两种方法消除谐波的个数受逆变器电平级数的限制。虚拟 级数p w m 法则可消除更多次数的谐波。该方法输出波形的奇次谐波 的一般表达式为： 铲i 4 v d ci 善qe o s n a i - 窆。c o s ”屈| ( 2 - - 5 ) 其中参数应该满足：0 n ， = u 2 ，0 屈 = 丌2 ，屏 = 。v s p w m 法虽然可通过选择正负脉冲的个数来消除更多的谐波而不受逆变器电 平级数的限制，但它的开关频率要相应提高。 2 3 3 闭环调制法 2 3 3 1 多电平s i g m a - - d e l t a 调制法m l s d m ( m u l t i l e v e ls i g m a - d e l t a m o d u l a t i o n ) 多电平m l s d m 就是两电平s i g m a d e l t a 调制法的扩展，m l s d m 法中需选择积分增益k 和采样频率，两个参数。其中采样频率的选择 由所用功率器件的开关速度和功率损耗确定。 2 3 3 2 多电平电流滞环控制( m u l t i l e v e lc u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 两电平逆变器的电流滞环控制即电流误差超过滞环上限时，输出 低电平：电流误差低于滞环下限时输出高电平。多电平逆变器由于电 平级数的增加，电流滞环控制如何选择输出电平的等级变得复杂。其 选择主要有以下三种。 多滞环法 对n 电平的逆变器，采用n 1 个滞环，每个滞环控制两相邻电平 间的切换。这种方法动态性能和稳定性较好，但稳态误差大，实现较 复杂。 单滞环加电流变化方向方法 基t - d s p 数字控制的三电平逆变器的研究 这种方法的做法是当电流误差超过( 低于) 滞环上限( 下限) 时， 输出电压降低( 升高) 一个电平等级，延时一段时间再检测电流的变 化方向。若不变，则继续上述过程，反之则停止。它的暂态响应较差。 双滞环加电流变化方向方法 该方法在单滞环加电流变化方向方法的基础上增加一个监测暂态 过程的外滞环。在电流误差超出外滞环的上下限即暂态过程时，即使 电流方向发生变化，也不停止电压的升高或降低。 2 3 4 空间矢量p w m 法( s p a c e v e c t o rp w m ) 上述各种控制策略都有其自身缺点：三角载波p w m 法计算复杂，实 现困难；阶梯波p w m 逆变器电路复杂，变压器体积重量大，噪声大：分 区逼近p w m 法消除谐波受到电平级数的限制；虚拟级数法要求提高开关 频率；多滞环法稳态误差大，单滞环法暂态响应较差，双滞环法实现复 杂。目前研究最多、应用最广泛的即是空间矢量p w m 法。空间矢量p w m 法是一种建立在空间矢量合成概念上的脉宽调制方法，采取这种方法， 电压的利用率高，易于数字化实现，输出波形质量好，接近正弦，合理 安排空间矢量，可以降低开关频率，减少开关损耗。本课题选择该方法 作为逆变器的控制方法。由于下文将会详细介绍s v p w m 方法，此处只 做简单阐述。 根据三电平一个桥臂输出电平状态有三种：高( p ) 、低( n ) 、零( 0 ) ， 每种状态对应了相的开关的导通或者关断。三相输出的状态组合共有 2 7 种，如图2 9 所示。 这2 7 个空间矢量可以分为四大类：零矢量、小矢量、中矢量和大矢 量。根据参考矢量落在空间矢量图中的位置，决定选择的合成矢量的类 型并计算出合成矢量的作用时间。随着微电子技术的迅猛发展，各种嵌 入式微处理器和电机控制专用d s p 芯片不断推出，该控制原理的实现也 变得越来越容易。 空间矢量控制是多电平逆变器最为常用的控制方法。空间矢量的选 择多种多样，计算方法也千变万化。然而如何处理使计算简便，控制主 功率电路直流分压电容上的电压平衡，保证开关管工作时开关损耗最 小，这些都与采用适当的控制策略密切相关。本课题在分析空间矢量 南京航空航大大学硕l 学位论文 p w m 策略巾，着重分析电压不平衡问题产生的原因及抑f = 中点电位漂 移的方法并做到使开关损耗最小，实现控制方法的优化。 2 4 本章小结 圈2 9 三电平逆变器空间欠量图 本章主要讨论了多电平逆变器的拓扑结构，包括带分离直流电源级 联式、飞跨电容式以及二极管钳位式，分析了各拓扑的结构特点及其优 缺点；针对多电平逆变器的控制策略和方法，阐述了各种方法的实现及 其特点。二极管钳位式三电平逆变器无需独立直流电源，控制简便，空 i 训矢量p w m 调制电压利用率高，易于数字化实现，因此本文选择了二 极管钳位式逆变器和空间矢量p w m 调制作为课题主功率电路的研究拓 扑和控制方法。 基于d s p 数字控制的二电平逆变器的研究 第三章三电平逆变器s v p w m 控制的算法研究与建模仿 真 3 1 引言 三电平逆变器的空问矢量脉宽调制算法与逆变器电路拓扑的特点 充分结合，根据逆变器的2 7 个空间矢量合成参考矢量，电压利用率高， 谐波含量低；电平级数增加，开关器件耐压值降低，输出电压更接近 i 卜弦；易于数字化实现。 目前国际上对三电平逆变器的s v p w m 控制算法的研究热点是如 何控制中点电位方面的问题。近年来，人们提出了各种各样的控制方 法，归结起来，可以分为以下三类：在电路中添加某些元件，通过 设计硬件电路来实现。文献【1 2 】论述了b u c k ，b o o s t 电路的混合使 用对逆变器电路的影响，这种方法能有效控制n 、p 电压而不受调制 方法和负载条件的限制，且能减少直流侧电容的体积。通过对调制 方法的改进来实现。文献【l 3 】应用了一种不连续调制方法，有效控 制了直流侧电容电压，保持中点电压的稳定，从而改善波形质量并且 降低开关损耗。文献【1 4 】应用了一种新型的s p w m 控制策略，可以 避免使用目前工业应用中必须使用的真流侧大电容，降低了控制方法 的复杂程度。在目前广泛使用的s v p w m 调制方法中，也产生了多 种中点钳位的控制方法。文献【1 5 】通过输出电流的极性来安排多余 向量的顺序以达到各种运行条件下的中点电位稳定；文献【1 l 】应用 统一矢量调制方法( n v m t ：u n i f i e dv o l t a g em o d u l a t i o nt e c h n i q u e ) 完 成选择矢量的作用时间的计算，文献【l 】、【1 6 】在此基础上把它推广 到三电平系统中，文献【1 】应用三、二电平空间矢量的变换来选择合 成的空问矢量：文献【2 】应用随机矢量( r a n d o m i z e dv o l t a g ev e c t o r ) 合成参考电压矢量。这些方法或者通过改变计算矢量作用时间，改变 矢量作用顺序，或者结合电路本身电压电流特性安排矢量，以达到最 优的控制效果。二极管钳位式三电平逆变器开关器件数目较多，开关 损耗也有所增加。合理安排空间矢量的作用顺序和矢量的作用时间， 南京航空航天大学硕士学位论文 是能够控制中点电位平衡并降低开关损耗的。 3 2 三电平逆变器空间矢量控制 3 2 1 三电平逆变器的电路分析 在对二极管钳位式逆变器电路进行建模前，先分析一下它的电路 拓扑。图3 1 是该三电平逆变器的电路原理图。 w 圈3 1 二极管钳位式三电平逆变器原理图 逆变器每相桥臂有4 个半导体电力开关器件墨一s 。，四个续流二极 管d 。一d 4 ，两个钳位二极管d ，一d 。其中钳位二极管能在中间两个丌 关管开通时把电平箝在零电位，也能在开关管导通时提供电流通道防 止电容短路。以图3 1 为例，如果钳位二极管d 。为一导线，开关s 导 通后，直流分压电容c 。被短路，同理，d 。是为了防止c ，被开关管只短 路 6 1 ”。 根据每相桥臂开关管的导通状态，u 、v 、w 三相电路输出各有三 种状态，以u 相为例： s s ：。导通，s 。、s 。关断时，定义电路输出为正态，记为p 状态，设开关函数s 。= 1 。当u 相电流为正时，电流从a 经过s 。、 s ：。流至u ；当u 相电流为负时，电流从u 经过二极管d ，、d 流 至a 点。即a 和u 点相连，此时，“。= “。= + 2 。s 。导 1 9 摹于d s p 数字控制的三电平逆变器的研究 通，但d ；防止了c 。被短接。 s ：。、s ，。导通，s 护s 。关断时，定义电路输出为零态，记为0 状态，设s 。= o 。当u 相电流为正时，电流从0 经过d ，、s ，。流 至u ；当u 相电流为负时，电流从u 经过二极管s 。、d 。流至o 点。即u 和0 点相连，u u o = 0 。 s ，。、s