（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的三电平逆变器的研究(1).pdf

a b s t r a c t 1 n h e e r g y s a v i n ge 如c to fh i g hv o l t a g cv a r i a b l es p e e dc o n 仰l t e c h n i q u ei s n 龇出l e 柚dm u l t i l e v e l i n v c n c ft o p o l o g yi sc o m m o n l yu s c di nt h i sa r t 1 l r e c l e v d i n v c n c r ，w h i c hw i d e l yu s c ss v p w m c o n 仃o ls n _ a t e g y ，c a nr e d u c ch a 珊0 n i co o n t 姐t 锄dv o l t a g c d u 瑚c co fp o w c rd e v i c e d s pd i 百t a lc o n t r o lt e c h i q u ea p p l i e st o m r c c - l “di n v c r t e r ，w l l i c hc 锄s i l n p l 匆t h ec o n f i g i l r a t i 咖o fh a “1 w a r c ，a d v 柚c ct h e s y s t e mp c r f b m 卸c c ，姐d0 p t i m i z cm eo o n 缸d ls t r a t e g y f i r s t l y ，t h i sp 印c rj n 仃o “c c sm et o p o l o g y 柚dc o n t m ls 仃a t e g yo ft h r c e 1 e v e l i n v e r t e r ，p r e n t s 恤em a i nc i r c l e0 0 n f i 删i o n 卸dt h ei m p i 锄e n tm e t h o d o f s v p w mu s e di nd i o d e - d 锄pt h r c e - l “e li n v e n e r h lm i sb a ，t h i sp a p e rb u i l d st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e - l e v di n v e n e rb a s e d 帆柚a l y s e s0 fi t sw o r k j n gp r i n c i p l e 1 1 i i sp 印e ra l p f o v i d e sam e t h o do fs v p w m ，w h i c hc 柚b a l a n c ct h em i d p o i n t v o n a g eo fd cc a p a d t a n c c 卸dr e d l l c et h es w i t c h i n gl o 蟠 n e n t h i sp a p e r 鲫m m a r i z 髂t h cm q n 锄dp r o p o s e s 强a l g o d t h mo fs v p w m b 硒e d t h e 栅n i p l ea r t i f i c i a l u r a ln e t w o f k s 1 撕n gf i l ua d v 卸t a g co fi 协陆t p 砌e lc o m p u t a t i o 柚dl e 枷n gc a p a b i l i t y ，c a l c i l l a t i n gt i m ec 觚b es h o n e d 柚d h 锄o n i c sd u et o 舳l 缸ed c l a yc 蛆b cr e i i u c e d ac o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e li s d e v e l o p e d 鹕i i l gn e u f a ln e t w o f k1 b o l t h 0 xi nm 觚l 姬s i m u l i n l 【p l a 饰咖n e s i i n u l a t j 彻r 懿u l t sd e m o 璐t r a t ct l l ef c 勰i b i l i t yo fs v p w mb a s e do nm u l t i p l ea n n 1 1 l i sp a p c ra l i n t 刚u c 鼯t h cd c s i 印o ft h r e e - 1 c v di n v e n c r ，w h i c hi n c i u d e s 血c m a i l ia 枷也s w i t c hd e v i c cd 咖e rc i r c u i t ，c u r r e n t 卸dv o l t a g cd e 蚴i n gc i r c u i t 卸dp r o t c c ta r a l “c o n s i d c rt h a tm a i nc i r a l i to ft l l r e e l c v e li n v c n 盯h a v em a n y 洲i t c h c s 柚dt l l ed r i v i n gs i 印a i 锄t b ec o 衄硎e dt ot h es 锄eg r o u n d ，t h i sp 印e r d e s i 弘s 瓶o p t o c o u p l c ri l a t i d 由i n gp r o t e c t i o n 咖j t ，w 量l i c hc a n 蕾e d u c et h e c l e c t m m a 萨e t i ci n t c l l k r e n c c 强dp r o t e c tt i l ep o w c rd e v i c cr c a i 咖匝ew h e na b n 0 册i t y p h e n o m e n o ns u c h 舔e x c e s s i v ec u h c n t sa p p e a r s i 丑s t l y t h i sp a p e ri l i l p l 锄e n t st h c s v p w mc o n 仃o ls n a t e g yo ft l l r e e - l c v e li n v e n c r b a s eo nt m s 3 2 0 u 砣4 0 7d s pd i g i t a l 3 些垒塑堡生墅些塑二一 c o n t r o lp l a t f b 皿 k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e n c r ；s v p w m ；a n n ；d s p 4 型堕奎塑型些些篁二一 符号说明： 见- ，见：，见：，d c 。，见：为箝位二极管 互z ，正：，死，t 。三电平开关管 u 。直流侧母线电压 圪中点电压 中点电流 s 开关管的开关状态 露参考空间电压矢量 n 参考空间电压矢量所在扇区 y f ( i = 帖1 8 ) 基本空间电压矢量 互，l ，三个基本电压矢量各自作用时间 t 采样周期 o 参考电压矢量的角度 p z ( i = l ，2 ) 直流侧嵌位电容电压 k 控制因子 原创性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：l 塑# 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲矗j 呷导师签名砂印日期：加卜， 些垒垒塑坠堂些丝坠一 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 传统的两电平逆变器在大功率应用时存在许多问题：需要笨重、耗能、昂 贵的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗， 而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。为 此，德国学者h o l 乜于1 9 r 7 7 年提出了三电平逆变器的电路拓扑，其中每相桥臂 带一对开关管，以辅助中点筘位。后来，1 9 8 0 年日本学者n a b a e 在此基础上继 续发展，将这些辅助开关变为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连， 以辅助中点箝位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半 的电压，因此更为实用。 多电平逆变器是一种新型的高压大容量功率变换器，它的主要优点是：电 平数目越高，输出的电压谐波含量越低，开关频率低，开关损耗小；器件应力小， 无须动态均压【1 1 。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一个特例，它的中点箝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【2 】。 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。 神经网络的性能是由其结构特征和基本处理单元的特性所决定的，并与其学 习算法有关。它之所以能在控制系统中得到广泛的应用，与自动控制理论的发展 要求是密切相关的。自动控制理论从经典控制理论到现代控制理论，现在已经发 展到智能控制理论。传统的基于串行计算的v o nn e u m 锄型计算机面对复杂的智 能控制需求，在对环境变化的自适应性和实时大规模计算等方面已显示出其自身 的缺陷，而神经网络所表现的许多特点恰好预示着在控制领域中的应用可能是使 控制理论摆脱困境的一条有效途径【引。 山东大学硕士毕业论文 数字信号处理技术的发展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( d s p ) 的发展能实现日益复杂的控制策略。目前国际上对三电平逆变 器的研究重点集中在控制方法的改进上，研究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、降低谐波含量、平衡中点电位等等。 1 2 多电平逆变器技术简介 1 2 1 多电平逆变器的拓扑结构 从目前所见到的各种多电平变换器主电路拓扑结构来看，主要可归结为三 种基本的拓扑结构： 1 ) 二极管箝位式多电平逆变器( d i o d e d a m p ) ； 2 ) 飞跨电容式多电平逆变器( f 1 y i n gc a p a c i t o r ) ； 3 ) 具有独立直流电源的级联多电平逆变器( c 弱c a d e d - i n v e n c r sw i t hs e p a r a t e d c u r c e s l 。 1 二极管箝位式多电平逆变器【4 l 【5 1 【6 1 【7 】 图1 - 1 为二极管箝位式三电平逆变器的主电路原理图。其中见。，d 。：， d 。：，d c 。，见：为箝位二极管，分压电容c 1 一c ：，每个电容上电压为2 。二 极管箝位式三电平逆变器每一相桥臂4 个开关元件有3 种正常的开关模式，以i 相 为例，互。和l ：导通时，i 相输出正电平，死和z 4 导通时，j 相输出负电平，霉：和巧，导 通时，i 相输出零电平，故称之为三电平逆变器。 若要得到更多电平数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为( n 1 ) 个串联， 每桥臂主开关器件改为2 ( n 1 ) 个串联，每桥臂的箝位二极管数量改为( n - 1 ) ( n - 2 ) 个，每( n 1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位，再根据 与三电平类似的控制方法进行控制即可。 二极管箝位式多电平逆变器的特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时器件在基频下工作，开关损耗小，效率高； 3 ) 可控制无功功率； 2 山东大学硕士毕业论文 4 ) 背靠背连接系统控制简单。 缺点：1 ) 需要大量的箝位二极管； 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致； 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 图1 1 二极管箝位式三电平逆变器主电路 2 飞跨电容式多电平逆变裂8 9 】【1 0 1 图1 2 为一个三相全桥飞跨电容式三电平逆变器的主电路原理图。由图可见， 这种电路是利用飞跨在串联开关器件之间的串联电容进行筘位的。该电路对于相 同的输出电压可以有不同的开关状态组合得到。这种开关组合的可选择性，为这 种电路用于有功功率变换提供了可能性。但同时会带来控制上的复杂性和器件开 关频率高于基频的问题。 与二极管箝位式电路类似，飞跨电容式三电平电路也可推广到n 电平，每相 所需开关器件2 ( n - 1 ) 个，直流分压电容( n 一1 ) ，箝位电容( n 一1 ) ( n 一2 ) 2 个。 飞跨电容式多电平逆变器的特点如下： 优点：1 ) 电平数量越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 可控制无功和有功功率，因而可用于高压直流输电； 4 ) 使用不同的开关组合，可使得电容电压平衡。 缺点：1 ) 需大量的筘位电容： 2 ) 用于有功功率传输时控制复杂，开关损耗大； 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 3 c 图1 2 飞跨电容式三电平逆变器主电路 3 具有独立直流电源的级联式多电平逆变器【1 1 j 【1 2 j 【捌 级联多电平逆变器的拓扑结构是将进行了相对位移复合两电平逆变器模型 连接起来，通过向量合成每个逆变器的输出电压形成输出多电平波形，合成方法 分为非直接法和直接法：非直接法通过一个电磁接口，通常为一个多绕组变压器； 直接法是采用独立的直流电源。 图1 3 为单相带独立直流电源的级联逆变器。每个独立直流电源和一个单相 的全桥逆变器相连，通过四个开关器件坯，p s 。的开关的组合，每个逆变器都 可以产生3 个电平的电压，+ ，一和0 ，每个全桥逆变器的输出均串联在一起， 从而合成了逆变器的输出电压波形。在这个拓扑结构中，输出电压的电平数为 n - 2 s + 1 ，其中s 为独立赢流电源的个数。很明显，这种电路不再需要前两种电路 中的大量箝位二极管或箝位电容，但需要多个独立电源，具体来说，对这种类型 的n 电平单相电路，需要( n 1 ) 2 个独立电源，2 ( n 1 ) 个主开关器件。另外，这种电 路也存在类似飞跨电容电路的多开关状态组合的特点。 级联式多电平逆变器的结构特点如下： 优点：1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 无需箝位二极管或箝位电容，在三种电路结构中，对于相同电平数所 需器件最少，易于封装； 4 ) 基于低压小容量逆变器级联的组成方式。技术成熟，易于模块化，比 较适于7 或9 电平及以上的多电平应用场合； 4 出壅盔堂亟生些途塞 5 ) 可采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻容吸收电路； 6 ) 不存在电容电压平衡问题。 缺点：1 ) 需要多个独立直流电源。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变压器的多重化来实现。这 种变压器体积庞大，成本高，设计困难。 2 ) 不易实现四象限运行。 图1 3 单相带独立直流电源的级联多电平逆变器主电路 1 2 2 多电平逆变器的控制策略 多电平脉宽调制( 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p w m 数字化以后， 又不断涌现出新的p w m 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，电压空间矢量调制法等【1 4 】。 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 5 山东大学硕士毕业论文 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 要求亦不相同。归纳起来，多电平逆变器p w m 控制技术的主要控制目标为【1 3 l ：1 ) 输出电压的控制，即逆变器输出的脉冲序列在伏秒意义上与参考电压波形等效； 2 ) 逆变器本身运行状态的控制，包括电容电压的平衡控制、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。 多电平逆变器p w m 控制方法主要有谐波消除法、优化目标函数法、载波调 制法以及电压空间矢量p w m 等。 1 多电平谐波p w m 法 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，其载波通 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：1 ) 基于多载波的多电平消谐波p w m 法：2 ) 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。该方 法一般用在h 桥级联式结构和电容箝位式结构。消谐波p w m 法载波间的相位有 三种配置方案：1 ) 所有载波同相位；2 ) 正、负载波间相位相反；3 ) 相邻载波 问相位相反。对于s h p w m 调制法，有以下特征：对于三相输出系统，频率比肼，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f 1 6 】【拥。 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【1 8 】【1 9 l 。 3 正弦脉宽调制( s p w m ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 其基本原理是使用几个三角波信号和一个参考信号 6 山东大学硕士堡业论文 ( 每相) 比较，产生s p w m 信号。通过将三角载波进行合适的移相，可以实现选定 次数谐波的消除，该方法具有简单，直观等优点，此外，由于输出波形由方波改 进为p w m 波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题， 也降低了电动机的谐波损耗和噪声。其缺点是功率管的开关频率高，开关损耗大， 装置效率低【刎。 4 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 电压空间矢量调制起源于电机的控制，进而发展产生了电压空间矢量的概 念。根据使用电压空间矢量方式的不同，电压空间矢量p w m 法可以分为最近矢 量法和比较判断式电压空间矢量法两类。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。电压空间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i 捌。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 对箝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 电压空间矢量的基本原理。 作为一种较为优越和广泛应用的多电平p w m 方法，s v p w m 法特点有：( 1 ) 调 制比范围大，能得到更好的电压输出；( 2 ) 易于数字实现；( 3 ) 母线电压利用率高 等嗍。但是该方法有一个很大的缺陷，当应用于五电平以上的电路时，其控制 算法会变得非常复杂，因此对于五电平以上的多电平电路，采用级联型的主电路 结构和三角载波p w m 的控制方法也是一种较为可行的方案。 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正弦波，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。 7 山东大学硕士毕业论文 随着输出电平数目的增加和拓扑结构的更新，也出现了许多新的控制策略。 文献【2 6 】提出了一种针对电容悬浮层叠式且能够平衡电容电压的多电平逆变器 的p w m 控制算法；文献【2 4 】以三电平配电网静止无功补偿器应用为对象研究了一 种特定谐波消除算法。文献【2 7 】提出了一种新型的用于多电平变换器的多电平最 优空间矢量p w m 控制方法；文献【2 8 】针对目前多电平空间矢量调制方法计算十分 复杂的问题，提出了一种新型的基于参考电压矢量分解的多电平逆变器空间矢量 调制方法。 1 2 3 多电平逆变器的研究现状 目前，在对多电平逆变器的研究中，关于二极管箝位式三电平逆变器的内 容较多，无论采用何种调制方法都比较容易实现，并且对直流环节电容电压的控 制也不复杂。 p w m 算法决定了多电平逆变器的运行性能。目前，常用的p w m 算法有正 弦p w m 调制( s p w m ) 、选择谐波消除p w m 调制( s 玎i p w m ) 、电压空间矢量 p w m 调制( s ，w m ) 。 在多电平逆变器控制中有一个问题必须引起重视，即中点电压平衡问题， 由于电路结构的原因，在二极管箝位式和飞跨电容式电路中都存在由于直流分压 电容充放电不均衡造成的电容电压不平衡问题。电容电压的增减取决于开关模式 的选择，负载的电流方向，脉冲持续时间及所选的电容。电容电压不平衡会引起 输出电压波形的畸变，必须加以抑制。在三电平逆变器中，对于直流环节电容电 压的控制方法比较简单，最普通的方法就是根据当前中点电位的偏移方向，选择 不同的开关状态，控制电容电流的方向，从而使电容电压趋于基准值。 功率器件存在开关延迟，同一桥臂会出现直通现象。为了防止桥臂直通， 造成器件损坏，必须在同一桥臂互补的触发信号中加入死区。在死区时间内会造 成输出电压的畸变。在三电平逆变器中，可以根据死区状态及桥臂内电流流向， 分别确定补偿方式，再综合比较得出统一的补偿方法。 1 2 4 多电平逆变器的应用领域 多电平逆变器在灵活交流输电和用户电力技术方面有广阔的应用。现在的 8 些叁垒塾坠些些丝坠一 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。 在交直流能量转换上，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。 高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的另一个重要领域。可以克服两 电平变频器的高器件应力和高d v ，d t 等问题。而将多电平逆变器用于高压变频器领 域，不但可以扩展原有两电平逆变器的电压等级，更主要的是减少变频器出口端 的谐波含量。 多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用。随着大量电力电 子装置的普及使用，电网受到日益严重的谐波污染，而无功补偿装置和有源滤波 装置也向着高压大容量方向发展，多电平逆变器将有着广阔的应用前景。 1 3 本文研究内容 本文采用二极管箝位式三电平逆变器作为研究的拓扑，三电平逆变器有2 7 个电压空间矢量，根据参考矢量位置的不同，在电压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，因此三电平逆变器电压空间 矢量算法计算复杂。本课题拟采用一种简化的s v p w m 算法，根据电压空间矢量 所属的扇区和工作区域的不同，合理安排合成矢量的类别和个数，首发矢量全部 采用负小矢量，简化了合成矢量的选择，充分地利用人工神经网络的快速并行处 理能力、学习能力，缩短了计算时间，减低了由控制延时引起的谐波成分。最后 在m a l l a b s i m u l i n l 【环境下结合a n n 工具箱建立了仿真模型，仿真结果证明 了基于复合人工神经网络的s v p w m 新算法的可行性。最后应用d s p 实现。 中点电位平衡问题是二极管筘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。三电平逆变器电压空间矢量中大矢量不 影响电容电压波动，因而对中点电位平衡没有影响，中矢量形成的中点电流会在 一个线电压周期内自动平衡中点电位，小矢量对中点电位的影响最大。因而可以 通过合理安排小矢量的作用顺序和作用时间来平衡中点电位。 本文进行了三电平逆变器的主电路、开关器件缓冲电路、电流电压检测电路 9 和保护电路等的设计。根据三电平逆变器主电路功率开关众多，驱动信号不能共 地的特点，本文设计一种利用光耦隔离驱动功率开关器件的驱动保护电路，降低 电磁干扰，并在过流等异常情况下实时保护功率开关器件。最后以 t m s 3 2 0 u 毪4 0 7 d s p 为数字控制平台，实现了三电平逆变器的电压空间矢量脉宽 调制控制策略。 1 0 些垒垒塑坠些些垒坠一 第二章三电平逆变器电压空间矢量调制算法 2 1 三电平逆变器运行机理 当逆变器用于交流电机调速时，各次谐波会引起电机的各种损耗和转矩脉 动，在控制逆变器时，一个重要的问题就是用最简单的控制方式获得尽可能接近 正弦的输出波形。事实上，由非正弦电量引起的电流谐波意味着功率损耗、电磁 干扰( e m i ) 和交流电机驱动的脉冲扭矩。为了减小输出谐波，传统逆变器只能采 用提高器件开关频率的办法，而太高的开关频率会增大开关损耗，而且开关频率 本身受开关器件的限制。采用传统的磁耦合多脉冲换流器( 或多重化) 可以通过改 变变压器的变比合成阶梯输出电压波形，但变压器耦合存在设备繁重和损耗大的 问题。使用三电平逆变器，可以使开关器件在每个周期内开关一次达到和传统换 流器开关几次同样的效果，因而在相同的开关频率下，可以消除更多的谐波分量， 而且每个开关器件的承受电压均为直流电压的一半，因此三电平逆变器能提高系 统容量，减小开关损耗，同时降低谐波含量。三电平逆变器作为多电平逆变器的 一种，能在不增加开关损耗的前提下，大大减小各次谐波。 三电平逆变器的主电路如图1 1 所示【捌。图中l 。、薯：、互3 王。( i = 1 ，2 ，3 ) 是开关用的晶体管，王，、霉：与箝位二极管d f l 、b ：( i = l ，2 ，3 ) 一起把输出端的 电位箝到中点电位“0 ”，输出相电压定义为输出端和“0 ”点间的电压。在其直流 侧有两个完全相同的电容串联，产生三个电平的相电压。若直流电压为u 。，则 每个电容上承受电压应为u 。2 。三电平逆变器每桥臂有4 个开关器件串联。 从三电平逆变器的一相桥臂的结构出发可得出单相输出的三种状态： f 1虬- + 玑2 墨- o 【，。一o a 一口，6 ，c ) 卜1u o 一也2 五。、五：导通时为“1 ”状态：霉：、互，导通时为“0 ，状态；互，、霉。导通时为“一l ” 状态： 山东大学硕士毕业论文 其驱动控制原则为：对应于a ( b ，c ) 相的三种状态( + 玑2 ，o ，一玑2 ) ， 为了保证a ( b ，c ) 相每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，应使得该 相电位不在+ u 。2 ，一u 。2 之间直接变化，而应通过中性点电位过渡，其通态特点 是：每一相总是相邻的两个开关器件导通，其他两个器件关断，从而得到不同开 关状态组合及相应的输出电压，王。、z 3 不能同时导通，它们是逻辑非的关系，其 驱动信号互补，同理，霉：、巧。也是逻辑非的关系。 2 2 三电平逆变器的s v p w m 算法 s ，w m 调制原则是使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成电压空间矢量与 期望输出的三相正弦波电压合成的电压空间矢量相等，在空间产生圆形旋转磁 场。这种调制方式与s p w m 调制方式相比有系统结构简单，控制方便，调速范 围宽，输出电压谐波分量低等特点。 2 2 1 三电平电压空间矢量原理 三电平逆变技术的的核心是控制，我们采用的是最适于数字化实现的电压空 间矢量调制算法。该算法相对于其他算法而言，可以提高直流电压利用率，具有 较高的调制比和较小的输出电压谐波分量，中点电位平衡控制也比较容易实现， 非常适合大容量应用场合 3 1 】。 s v p w m 调制原则是使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成电压空间矢量，与 所期望输出的三相正弦波电压的合成电压空间矢量的模相等，而其幅角按一定时 间间隔跳变【3 2 】。在电压一定时，三相正弦电压合成的空间电压矢量的模是固定 的，这使得控制起来非常方便。 基于电压空间矢量控制的三电平逆变器同两电平p w m 逆变器在p w m 调制 的本质上是一致的，三相三电平逆变电路的每一相有1 ，o ，1 三种输出状态。 三电平逆变器的p a r k 矢量为： 一 i 堑 矿一k + 丘k + 西2 k = e3 ) ( 2 - 1 ) 引入开关函数s 。，& ，s 。来代替式( 2 1 ) 中的圪，k 则有： 山东大学硕士望业论文 一一一 旷( e ，s ，足) 一半( + 品e 3 + 足p 。3 ) ( 2 2 ) r th如 s 。，& ，s 。分别可取1 、o 、1 三种开关状态，如果将三相三种状态进行组合， 则三相三电平逆变器可输出3 3 2 7 种状态。由此可画出三相三电平的电压空间 矢量图，如图2 1 所示。该图表示了电压空间矢量的模长和空间位置。 为了研究方便，我们将这2 7 个空间电压矢量根据模的不同分为零矢量、小 矢量、中矢量和大矢量四种。如表( 2 1 ) 所示。其中1 1 1 ，o o o ，1 1 1 为零矢 量状态，还有6 个模长为玑2 的小矢量，6 个模长为3 2 的中矢量，6 个模 长为玑的大矢型硐【韧【3 8 】【3 9 】。它们把正六边形等分为6 个大三角形区，我们称之 为工作扇区，而每个大三角形区域又被等分为4 个小三角形区，我们称之为工作 区域。 图2 - 1 三电平逆变器空间矢量图及开关状态 三电平逆变器的控制指令是参考电压矢量矿( ，口) 信号，即矿一，口，它以某 一角频率在空间旋转，当它旋转到电压空间矢量图的某个6 0 。小区间时，系统选 中该区间的三个基本电压矢量中所需的矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功 率开关器件动作。当控制矢量在空间旋转3 6 0 。后，逆变器就能输出一个周期的 出丕盔堂亟望些途塞 正弦波电压。可以认为三电平逆变器电压空间矢量法的控制思想与两电平是一致 的，即对某一个电压空间矢量用该区域相应的电压矢量实时切换，合成所得。所 不同的是，三电平逆变器的电压矢量更密集，合成时过渡更自然，所合成的磁链 更接近圆形磁场，因而控制更精确，输出电压谐波更小。 表2 1 ”种电压空间矢量分类表 小矢量中矢量大矢量零矢量 1 0 0 k k 1 0 _ 1 k 3 1 1 1 0 1 1 1 1 0 k 0 1 1 k 。 1 1 - 1 o m l 0 1 0 k 1 1 0 - 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 圪 1 0 1 1 1 1 - 1 1 1 1 0 0 0 0 1 kk 。 0 1 1 k ， 一1 1 1 1 1 0 1 0 l 圪k ： 1 1 0 k 8 1 1 一l 0 1 0 2 2 2 三电平逆变器电压空间矢量p 、m 方法的基本原理 三电平s v p w m 逆变器与二电平s v p w m 逆变器在调制原理上是一致的， 但由于三电平逆变器需要控制的矢量比二电平的多得多，算法也复杂的多。三电 平逆变器的s v p w m 算法主要包括参考矢量所在扇区号的判断以及工作区域的 判断，开关矢量的选择，开关矢量作用时间的计算，及所选矢量作用顺序的确定 【4 s 1 。 三电平逆变器共有2 7 个基本电压矢量可供选择，整个电压空间矢量图划分 为6 个扇区2 4 个三角工作区域，如图2 1 所示，每一个区域中的矢量选择及作 用时间计算公式均不一样。常规方法将参考电压通过三角函数表示，在极坐标系 下通过参考电压矢量的幅值和相位角来计算各个基本电压矢量的作用时间。这种 方法比较直观，但必须计算电压矢量的相位角，使用了大量的三角函数，计算复 杂，难度也很大。 具体计算时算法步骤为： 1 ) 确定三相桥臂终端参考电压合成矢量吃； 1 4 山东大学硕士毕业论文 2 ) 确定吃落在第几扇区，并通过几何关系进一步确定所在三角工作区域； 3 ) 根据一定的开关矢量选择规律确定实际的开关矢量及其作用顺序： 4 ) 根据吃及选定的开关矢量计算相应的开关矢量作用时间。 l 、参考电压及其工作扇区的确定 三电平的参考电压空间矢量( 也称合成电压空间矢量) 定义为： 吃一u 4 + 口+ 4 2 玑 ( 2 - 3 ) 式中：口一e 了，玑、巩、玑输入参考电压，并且可以进一步得到的a 、8 分量圪和，幅值和相角9 h 一心把整个空间平均分为6 个扇区。根据参考电压矢量的角度0 来判断其 所属的扇区，0 的范围为【0 ，3 6 0 】，因此用o 6 0 再取整的办法来判断参考电压在 哪个扇区。 f 1 0 0 r ( 9 6 0 ) = 0n = 1 ； h o o r ( o ，6 0 ) = 1n = 2 ： f 1 0 0 r ( o 6 0 ) = 2n = 3 ： 凡o o r ( 邯6 0 ) = 3n ：4 ； f 1 0 0 r ( o 6 0 ) = 4n = 5 ； f 1 0 0 r ( o 6 0 ) = 5n = 6 ； 其中n 为参考矢量所在扇区。 2 、参考电压工作区域的判断 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 控制周期瓦内将给定电压用其最接近的三个基本电压矢量来表 示。由于电压空间矢量图的对称性，只要分析6 0 。的区域即可，其他区域均可通 过旋转和对称关系得到。以第一扇区为例( v 0 、形成的三角形) ，在这个 三角形里包含大矢量。虬e 如，h 。，玑e j 扛埘，中矢量叶，要乩e j 加，6 ，小矢 量吒- 丢玑e 妒，叱- 丢e 伽m ，以及零矢量一o 。把h 、屹、吻的顶点连接起 些垒塑堡生坠些壁一 来，大三角形被分成四个小三角形a 、b 、c 、d 。如图4 2 所示。 第一扇区内参考电压三角工作区域的判断条件为： 若k s i n p ，鲁，则参考电压位于工作区域。中；若ks i n ( 詈一p ) 雩， 则参考电压位于工作区域c 中；若s i n ( 詈+ 一) 警，则参考电压位于工 作区域b 中；其他情况则参考电压位于工作区域a 中。其中篑。 瓦 h 互 乏u ， 图2 - 2 第一扇区对应空间矢量作用时间 因为6 个扇区内的三角工作区域划分是相同的，所以对于其他5 个扇区的工 作区域的判断可以根据参考矢量的角度将其旋转归一到第一扇区再进行三角工 作区域判断。 旋转归一的方法是： 若n = 1 ，则o = o ； 若n = 2 ，则e = o 6 0 ； 若n = 3 ，则9 = 0 1 2 0 ： 若n = 4 ，则o = 0 1 8 0 ； 若n = 5 ，则o = 0 2 4 0 ： 若n = 6 ，则o = 0 3 0 0 。 其中n 为参考矢量所在扇区。 旋转归一后需要根据幅值和新的相角重新构造参考电压矢量吃，此时。的 变化范围为【0 ，6 0 】。然后根据新的参考电压矢量按照第一扇区的判断条件进行 出壅太堂亟望些迨塞： 判断。 3 、开关矢量作用时间计算 当参考电压矢量吃以一定角速度旋转落在图4 2 中的某个小三角形内时， 为得到相应频率的正弦输出电压，减小输出电压的谐波含量，根据上面介绍的原 则，就用组成该小三角形的三个基本电压矢量来合成已，具体计算公式为： 心互+ 哆弓+ 屹。互= r 1 霉+ 弓+ 互= r q 4 其中，k ，k ，屹为基本电压矢量，t ，弓，t 为在一个采样周期内各基本电压 矢量各自的作用时间，t 为采样周期，吃为参考电压矢量。 根据式( 2 4 ) 就可以分别计算出四个小三角形内基本电压矢量持续时间， 下面详细讨论： 1 ) 如果参考电压矢量一阮p 包含在小三角形a 中，就用、h 、屹的 时间线性组合来近似等效，、h 、吃的作用时间可由下式求解： 肛黑 于2 t ( 2 - 5 ) l 写+ 互+ 互= r 7 解得各矢量的作用时间为： f 瓦一2 七r s i n ( 石3 一口) 互- 殁r s i n 日 ( 2 6 ) i 矗一? 一2 露z s i n ( 玎3 + 口) 其中，o 为参考电压矢量露的角度。 2 ) 如果参考电压矢量位于小三角形b 中，就用基本电压矢量屹，b 的 时间线形组合来近似等效，嵋，屹，码的作用时间可由下式求解： 象主絮严嵋r 协7 ， i 写+ 五+ 互= r 7 解得各矢量的作用时间为： 1 7 出丕盔堂亟望些迨塞 f 互l r 一2 七r s i n 口 五一丁一残丁s i n 0 3 一目)( 2 8 ) i 瓦- 2 七丁s i n ( 石3 + 口) 一丁 3 ) 如果参考电压矢量位于小三角形c 中，就用基本电压矢量u ，屿，的 时间线形组合来近似等效，h ，n ，的作用时间可由下式求解： 垆：粤+ 警2 丁 ， l 不+ 五+ 互= z 。77 解得各矢量的作用时间为： f z - 万一2 七r s i n 3 + 曰) 乏一凇s i i l 3 一日) 一r ( 2 1 0 ) i 瓦一2 七r s i n 学 4 ) 如果参考电压矢量位于小三角形d 中，就用基本电压矢量屹，吻，q 。的 时间线形组合来近似等效，屹，码，u 。的作用时间可由下式求解： 垆：吁+ 2 z ( 2 - 1 1 ) i 毛+ 墨+ 乏= r 一 解得各矢量的作用时间为： f 五一2 七r s i n 日一r 互2 r 一2 艮丁s i n ( 硝3 + p ) ( 2 - 1 2 ) l 瓦- 2 t t s i l l o r 3 一p ) 表2 2 是第一扇区各小区间内对应的空间矢量作用时间。 表2 _ 2 第一扇区各小区域内对应的空间矢量作用时间 小三角区 五互 写 a 觋丁s i n 如3 一p ) 放r s i n p r 一放r s i i l 如3 + 一) b丁一放，s i l i 口 丁一2 ， r s i n 口3 一p )2 七f s i n 3 + p ) 一r c 万一舭r s i n 缸3 + p )放r s i n ( 玎3 一日) 一r 2 _ j r s i n 日 d2 七r s i n 口一丁 2 r 一2 七丁s i n 3 + 口)2 忌r s i n o 3 一口) 垒些丝生皇塑堡垒一 1 t ， k 为调制比七一 3 ，j 其它扇区用同样方法计算，得出各扇区各工作模式下空间矢量的作用时间。 4 、电压空间矢量作用顺序的确定 一般为了减小逆变器输出电压谐波含量和保证逆变器的性能，三电平逆变器 s v _ p w m 控制方法中，开关序列的选择应遵循以下原则： 1 1 为了保证每个桥臂只能同时有两个开关器件开通，要求在一个控制周期 内，相邻的每相开关状态不能突变，即不允许从“1 ”状态切换到“1 ”状态； 为了优化开关频率，开关矢量应选择每次开关矢量变化时，只有一个开 关函数变动( 即只有一相输出发生变化) ，从而减少了开关损耗。 本文提出一种s v p w m 算法，其基本思想为：所有输出矢量的首发矢量全部 采用正小矢量或负小矢量。由于每两个相邻的正( 负) 小矢量仅相差一相状态， 因此在扇区切换中可以保证输出矢量的平滑切换，防止了输出矢量的突变，同时 也避免了直流电压利用率低的问题。基于以上原则，可确定各区域的矢量作用顺 序。 图2 3 ，图2 4 是参考电压死旋转过扇区一和扇区二中四个三角形时的电压 空间矢量的作用顺序，每次开关矢量变化只有一个开关函数变动，且开关矢量对 称分布。 旦厂q 厂 二! 厂= ! 厂 二! 厂= ! 厂 a b q 厂q 厂 二! 厂q 厂 二! 厂= ! 厂 c d 图2 3 第一扇区内4 个三角工作区域内电压空间矢量作用顺序 出壅盔堂亟坚些迨塞 旦厂! 厂 ! 厂竺厂 二! 厂二! 厂 q 厂 = ! 厂 q 厂q 厂 二! 厂= ! 厂 cd 图2 4 第二扇区内4 个三角工作区域内电压空间矢量作用顺序 对于三、五扇区，只要将其矢量顺时针旋转到第一扇区，并且选择与第一 扇区所用的基本电压矢量相对应的矢量( 小矢量的正负要对应，零矢量均选用 0 0 0 ) ；对