（电力系统及其自动化专业论文）三电平svpwm整流器的研究与设计.pdf

at h e s i si np o w e rs y s t e m sa n da u t o m a t i o n r e s e a r c ha n d d e s i g no nt h r e e - - l e v e ls v p w m r e c t i f i e r b yw e iy u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm a ny o n g k u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 脚7舢9m 3m 3 4舢8 删舢y 、 一 l 史 ， 迅 j - 卜 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二： 思。 学位论文作者签名： 魂j 日 期：如夕、72 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：翘字 签字日期： 卯夕7 2 ， 、 一慢 f j；0-1 、 一 东北大学硕士学位论文摘要 三电平s v p w m 整流器的研究与设计 摘要 目前，在高压大功率领域中，随着现代电力电子技术的飞速发展和广泛应用，由 普通二极管整流器所造成的电网谐波污染问题日益严重。提高电网的功率因数，消除 电网谐波污染，已成为整流器技术发展的趋势。 三电平s v p w m 整流器可以消除对电网的谐波污染，不仅能够实现整流器系统单 位功率因数控制，而且可以实现整流器交流侧和直流侧能量的双向流动，同时整流器 直流侧的直流电压在一定范围内稳定可调。本文主要以中点钳位型三电平整流器为研 究对象，首先分析研究了中点钳位型三电平整流器的原理和拓扑结构，并在此基础上 推导其数学模型，建立数学模型是研究三电平整流器的有效方法，为控制策略的研究 提供了理论依据。 在三电平中点钳位式整流器数学模型建立的基础上，采用基于d q 轴前馈解耦控制 策略和空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 策略，对三电平整流器进行控制。为了避免 三电平整流器不同区域矢量在扇区切换中输出矢量突变，提出了一种首发矢量全部采 用负小矢量的空间矢量调制算法，并给出了参考电压矢量相应的输出电压矢量作用顺 序，推导了三角形顶点各开关电压矢量的作用时间。基于检测到的三相输出电流、中 点电流方向和直流侧电容电压，提出了控制和调制的策略，并用仿真试验结果验证了 其控制策略和调制算法的可行性。 最后，在前面理论分析的基础上，以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制平台，搭建了 三电平整流器控制系统硬件电路的设计和相应的系统软件。 关键词：三电平整流器：中点钳位：空间矢量脉宽调制：t m s 3 2 0 f 2 4 0 、 霭 一 、_ j 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e s e a r c ha n d d e s i g no n t h r e e l e v e ls v p w mr e c t i f i e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no ft h em o d e mp o w e ra n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h eh a r m o n i cp o l l u t i o no ft h ep o w e rg r i dc a u s e db yt h ec o m m o nd i o d er e c t i f i e ri s i n c r e a s i n g l ys e r i o u s i m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o ro ft h eg r i da n de l i m i n a t i n gt h eh a r m o n i c p o l l u t i o nh a v eb e c o m et h et r e n do f t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fr e c t i f i e r t h et h r e e l e v e ln p cr e c t i f i e rc a l le l i m i n a t et h eh a r m o n i cp o l l u t i o no ft h eg r i d ，n o to n l y r e a l i z i n gt h eu n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r o l ，b u ta l s oa c h i e v i n gt h eb i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o no f t h ee n e r g yb e t w e e nt h ea cs i d ea n dt h ed cs i d e a tt h es a m et i m e ，t h ed cv o l t a g eo ft h e r e c t i f i e rd cs i d ei sa d ju s t a b l ea n ds t a b l ei nac e r t a i nr a n g e t h i st h e s i st a k e st h r e e l e v e ln p c r e c t i f i e ra st h es t u d yo b j e c t ，a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h et h r e e l e v e l n p cr e c t i f i e ra n dd e r i v e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e e s t a b l i s h i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sae f f e c t i v em e t h o dt o s t u d yt h et h r e e - l e v e ln p cr e c t i f i e ra n d p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e - l e v e ln p c ( n e u t r a l p o i n t p o t e n t i a lc o n t r 0 1 ) r e c t i f i e r , ah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lm e t h o db a s e do nd - qa x i sf e e d - f o r w a r dd e c o u p l i n g c o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d i no r d e rt oa v o i dt h ea b r u p tc h a n g eo fo u t p u tv o l t a g ev e c t o r s ，a n o v e ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hn e g a t i v es m a l lv e c t o r sa r e a d o p t e da sf i r s ta c t i v eo n e s a c t i o ns e q u e n c e so fo u t p u tv o l t a g ev e c t o r st os y n t h e s i z et h e d e s i r e dv e c t o ra r eg i v e na n dt h ed u t yt i m eo fa c t i v ev e c t o rc o r r e s p o n d i n gt r i a n g l ev e r t e xi s d e d u c t e d t h en e u t r a lp o i n tp o t e n t i a ls t a b i l i t yi sr e a l i z e db yd e t e c t i n gt h r e ep h a s ea cs i d e c u n e n ta n dt h ed i r e c t i o no fn e u t r a lp o i n tc u r r e n ta n dc a p a c i t a n c ev o l t a g ea n da s s i g n i n gt h e - r e a le f f e c tt i m eo fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es p a c ev e c t o r si nr e a s o n f i n a l l yt h ec o r r e c t n e s so f p r o p o s e ds v p w m m e t h o di sc o n f i r m e db ye x p e r i m e n tr e s u l t s a tl a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i to fa n ds o f t w a r et h ew h o l e t h r e e l e v e ln p cr e c t i f i e rc o n t r o ls y s t e m t h i sc i r c u i tt a k e st h ec h i pt m s 3 2 0 f 2 4 0a st h e c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：t h r e e - - l e v e lr e c t i f i e r ；n e u t r a l - p o i n t - p o t e n t i a lc o n t r o l ；s v p w m ；t m s 3 2 0 f 2 4 0 i l l 。 妒、 ， k ， j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 多电平变换器的研究现状2 1 3 多电平变换器的拓扑结构3 1 3 1 二极管钳位型多电平变换器3 1 3 2 飞跨电容型多电平变换器4 1 3 3 级联型多电平变换器5 1 4 三电平中点钳位整流器6 1 5 多电平整流器的调制策略简述6 1 6 本文的主要内容7 第2 章三电平p w m 整流器数学模型及电压空间矢量脉宽调制策略9 2 1 三电平p w m 整流器数学模型1 0 2 1 1a b c 坐标下三电平p w m 整流器的数学模型1 1 2 1 2d q 坐标下三电平p w m 整流器的数学模型1 2 2 2 三电平p w m 整流器电压空间矢量脉宽调制策略1 5 2 2 1 三电平p w m 整流器电压空间矢量脉宽调制策略1 5 2 2 2 一种减小开关损耗的s v p w m 方法2 4 2 3 本章小结2 5 第3 章三电平s v p w m 整流器的m a t l a b 仿真2 7 3 1m a t l a b 软件介绍2 7 3 2 三电平整流器系统的仿真一2 7 3 2 1 系统的仿真搭建2 7 3 2 2 控制电路2 8 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 3 信号转换电路2 9 3 2 4p w m 波形发生模块3 0 3 3 仿真结果3 4 3 3 1 仿真参数的设置3 5 3 3 2 仿真结果。3 5 3 4 本章小节3 7 第4 章基于d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的三电平整流器硬件设计3 9 4 1 系统的总体设计方案3 9 4 2 主电路的设计3 9 4 2 1 进线熔断器3 6 4 2 2 功率开关的选择。3 9 4 2 3 二极管的选择4 0 4 2 4 滤波电容器。4 0 4 2 5 整流器交流侧电感设计4 0 4 2 6 阻容吸收回路4 1 4 2 7i g b t 的驱动电路设计4 1 4 3 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的控制电路设计4 2 4 3 1 外部电源电路4 3 4 3 2 外部晶振电路。4 4 4 3 3j t a g 仿真接口电路4 4 4 3 4 外部存储器r a m 4 4 4 3 5 键盘和显示电路4 5 4 4 检测电路的设计4 6 4 4 1 交流侧输入电压同步信号检测4 6 4 4 2 交流侧输入电压检测4 7 4 4 3 交流侧输入电流检测4 7 4 4 4 直流侧直流电压检测4 8 4 4 5 电压相位检测4 8 4 6 本章小结4 8 一v 一 j 东北大学硕士学位论文目录 第5 章系统的软件设计4 9 5 1 主要子程序设计4 9 5 1 1p i 子程序设计4 9 5 1 2a d 子程序设计5 0 5 1 3 键盘与显示程序5 0 5 2 中断子程序的设计5 2 5 3d s p 主程序设计5 4 5 4 本章小结5 5 第6 章总结与展望5 7 参考文献5 9 致谢6 3 附录a ”6 5 附录b 7 0 附录c ：7 l v i k 一 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在所有的静止电力变换电路中，整流电路是最早出现的，常用的整流电路拓扑结 构早在二、三十年代使用汞弧整流器时就已经成熟【l 胡。除直接使用直流电源的设备外 大部分d c a c 和d c d c 装置的输入直流电压是经不控或相控整流得到的，故整流电 路的应用也最广。据1 9 9 2 年同本电气学会的调查报告【5 j ，在所有的电力电子设备中， 整流装置要占7 0 之多。由于整流器的用量之大，所以它的输入特性对电网有很大影 响。 概括来说，传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的主要缺陷是： ( 1 )对公用电网产生大量的谐波； ( 2 )整流器工作与深度相控状态时，装置的功率因数极低； ( 3 )输出侧需要较大的平波电抗和滤波以滤除波纹。这导致装置的体积、重量 增大，损耗也随之上升； ( 4 )相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应 慢。 以上缺点中的三、四条还仅是影响装置本身的性能，而头两条，尤其是产生大量 的谐波，对公用电网产生了严重的污染，已成为公认电网公害。 电网无功的副作用主要表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损 耗。电网无功还使线路和变压器的电压降增大。 至于谐波，它对公用电网的影响更为严重。它的危害主要有以下几个方面： ( 1 )谐波增加了公用电网附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率； ( 2 )在电缆输电的情况下谐波以正比与其电压幅值的形式增加了介质的电场强 度，缩短了电缆的使用寿命，还增加了事故次数和修理费用； ( 3 )谐波会影响用电设备的正常工作。比如谐波对电机产生附加转矩，导致不希 望的机械震动和噪声。还会引入附加铜损、铁损。以及过电压，导致局部过热，绝缘 老化，缩短设备使用寿命。瞬时的谐波高压还可能损坏其它一些对过电压敏感的电子 设备； ( 4 ) 谐波还引起某些继电器、接触器的误动作； ( 5 ) 谐波使得常规电气仪表测量不准确； ( 6 ) 谐波对周围的环境产生电磁干扰，影响通信、电话等设备的j 下常工作； ( 7 )谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 又进一步恶化和加剧了所有前述问题【6 1 。 随着用电设备谐波标准日益，采用高功率因素，低谐波的高频开关模式p w m 整 流器，代替传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流装置是大势所趋。和传统的整流 器相比，p w m 整流器可以控制交流电流为畸变很小的正弦化电流，且功率因数为1 。 此外，p w m 整流器比起传统的整流器，体积、重量可以大大减小，动态响应速度也可 以显著提高【7 j 。 目前，国内外对高电压，大功率容量p w m 整流器的研究日益关注，特别是三电 平乃至多电平p w m 技术的应用，为大容量系统装置例如a s v g 、有源滤波以及功率 因数为1 的p w m 整流器等发展开辟新的领域。目前，同本在地铁及机车牵引等大功 率领域已有应用【8 】，特别是最近日本三菱公司已经研究出8 0 m w 采用6 0 0 0 a 6 0 0 0 v g t o 器件的三电平高频整流逆变调速系统，并且应用在轧钢领域。因此可以认为，三 电平以其多电平控制变流技术是今后发展的一种趋势1 1 。 1 2 多电平变换器的研究现状 两电平变流器在实现大功率的同时，在性能上并未有太多的突破，而且增加了系 统的复杂性和成本。近年来，多电平拓扑结构正受到越来越多的关注【1 2 - 1 7 】。多电平拓 扑结构的概念最早是由a n a b a e 等人在1 9 8 0 的i a s 年会上提出的【1 8 】。该电路是用两个 串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管串联，用一对串联 钳位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中点钳位，形成所 谓中点钳位型变换器( n p c n e u t r a lp o i n tc l a m o e d ) 。在这个电路中，主功率管关断时仅 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。1 9 8 3 年，b a g w a t 等 人在此基础上，将三电平电路推广到任意n 电平，对n p c 电路及其统一结构作了进一 步的研究。对于电平数位n 的点电平变换器，它具有以下的优点： ( 1 ) 每个功率器件仅承受1 ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) 。所以可以用低耐 压的器件实现高压大功率输出。 ( 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压波形，减少了输出电压波形的畸变 ( t h d ) 。 ( 3 ) 可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波 形，因而丌关损耗小，系统的效率高。 ( 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线条件下，较之两电平变换器，开关器 件所承受的咖冼应力大为减少；在高压大电机的驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘 击穿；同时改善了装置的电磁干扰( e m i ) 特性。 ( 5 ) 无需输出变压器，大大地减少了系统的体积和损耗。 2 0 世纪8 0 年代末，随着g t o ，i g b t 等大功率可控器件容量等级的不断提高，以 一2 一 、 - 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 及以d s p 为代表的控制芯片的迅速普及，关于多电平变换器的研究和应用又有了迅猛 的发展，不仅在电路拓扑、p w m 控制方法和软开关技术等方面形成了许多分支，而且 应用领域从最初的d c a c 变换，如大功率电机驱动【1 9 之1 1 ，扩展到a c d c 变换，如电 力系统无功补偿 2 2 - 2 4 1 和a c d c a c 变换，如超导储能 2 5 , 2 6 】，再到近期的d c d c 变 换，如高压直流变换【2 7 圆】，三电平p f c 3 0 。3 2 1 等。多电平变换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热点研究领域。 1 3 多电平变换器的拓扑结构 多电平变换器，按着主电路拓扑结构来分，主要分为三种基本结构： ( 1 ) 二极管钳位型多电平变换器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e a e r ) ( 2 ) 飞跨电容型多电平变换器( f l y i n g c a p a c a i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) ( 3 ) 级联型多电平变换器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 1 3 1 二极管钳位型多电平变换器 图1 1 给出的是二极管钳位型五电平三相变换器的主电路f 3 3 1 。直流侧串联电容 c l = c 2 = c 3 = c 4 ，当各点点位平衡时，有k = k = 虼= k 。每相桥臂由8 个开关器件 串联组成，工作时，每4 个开关器件同时处于关断或导通状态，其中t a l 和t a 5 互 补，t a 2 和t a 6 互补，t a 3 和t a 7 互补，t a 4 和t a 8 互补。表1 1 给出了五电平变换器 的输出电压一及其对应的开关状态。 1 马 i ! 鼍 i !1 7 9 17 一 1 ! 鼍 i57 c 1 = e盯a 2 1 ! 刍 1 j 17 1! 、 1 1 当 5 ，5!、 ! 马 ：!7 1! ! 鼍 【5： 一 ，i 2 马 i ! c 2 =一 ! t a 4 ! ! ，t 5 骘 【5 7 1 、7、 ，e j i ! 负载 、 !、 ， ! 骂：!71!、 ， !7 t 当 17 1!、 ， !7 t 虫：、7 一 一 c 3 ：= 、711 1 璺 ：!7 17 11 7 刍 17 5 715 1 当 - 51 一 7 11 1 刍 1 、1 7 璺 ：j7 15 1 9 17 。 c 4 1 = t a 8 1 1 鼍 i !1 1 9 l !7 j ij 一 图1 1 二极管钳位型无电平三相变换器的主电路 f i g 1 1t h ed i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc i r c u i td i a g r a m 一3 一 j 擀 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 飞跨电容型多电平变换器 图1 2 给出的是飞跨电容型三相五电平变换器的主电路【3 4 , 3 5 】。和二极管钳位型多电 平变换器相比，飞跨电容型多电平变换器不需要二极管进行钳位，但是却需要大量的 飞跨电容，同等容量时，使其体积变大。每相桥臂由8 个开关器件串联组成，工作 时，每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，其中t a l 和t a 8 互补、t a 2 和t a 7 互 补、t a 3 和t a 6 互补、t a 4 和t a 5 互补。表1 2 给出了该五电平变换器的输出电压及其 对应的开关状态。 v d c v d c 7 当 ：51 7 ：!1 1 当 ：! ， 一 c 1 = 一 t a 2【! ， 7 刍 i ! ， 鼍 i !7 j t a 3 码 i !t c 3i !：!1 c 2 = = - c c 2j c i 鼍 1 c a 3c a 2：a l l t a 4 i!7c b 3c b 2 b l 7 当 i ! c c 3 一= = j 一= = 一 负载 = = l 7 驾 ：! 骂 ：1 7 均 i !z 一 c 3 ：一 一 苎 ：1! 7 哆 1 ， 7 ， ：!【 l 1 马 ：1 ， 1 竖 ：! ， 。9 ：!7 c 4 = t a 8 1 7 刍 i ! 翌 i ! ， j ：! 图1 2 飞跨电容型五电平三相变换器主电路 f i g 1 2t h ef l y i n g c a p a c a i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e rc i r c u i td i a g r a m 图1 3 级联型五电平三相变换器主电路 f i g 1 3t h ec a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc i r c u i td i a g r a m 一4 一 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 二二极管钳位型五电平三相变换器的输出电压以及开关状态 ! 垒垒! 曼! ：! ! 鱼曼! q ! ! 垒g 呈垒翌垒! 型i ! 里垒! 塑皇q ! 垒i q 垒曼：里! 垦坐仑呈垒塑坚! ! i ! 里! 皇! i 翌星堕曼! 开关状态 输出电压t a l t a 2t a 3t a 4t a 5t a 6t a 6t a 7 表1 2弋跨电容型五电平三相变换器输出电压以其开关状态 一 ! 垒垒! 皇! ：呈! 垒曼! q ! ! 垒g 曼垒翌旦! 型i ! 里塾! ! 墅曼里! ! ! y i 望g ：壁垒巳垒壁垒i ! q ! 坐坚! ! i ! 皇! 曼! i 望曼堕宝! 开关状态 输出电压t a l t a 2t a 3t a 4t a 5t a 6t a 7t a b 3 吃4 2 4 v k | a 0 1 3 3 级联型多电平变换器 图1 3 给出了h 桥级联型五电平三相变换器的主电路【3 6 , 3 7 】。每个桥臂由2 个单相 h 桥级联构成，工作时，每4 个开关器件同时处于导通和关断状态，其中t a l 和t a 3 互补、t a 2 和t a 4 互补、t a 5 和t a 7 互补、t a 6 和t a 8 互补。表1 - 3 给出了级联型五电 平变换器的输出电压以其对应的开关状态。级联型多电平变换器的优点是需要丌关 b o l o o 0 o l o o l l l o l l 1 o o o l o o l 1 l o o l l o l 1 o o o o l l o 0 l l o i l l 0 1 o o l o o l o l o o l o l l l 1 1 l o l l o l o l l o l o 0 o o l l l o l o l 1 o o l o o o l o l l 1 l 0 l o 0 o l l o o l o 0 l o l l l l o l l o o o l o o o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 少、不需要钳位二极管或飞跨电容、易于模块化等，但是缺点是它需要许多独立的直 流电源。 表1 3级联型五电平三相变换器输出电压及其开关状态 ! 垒垒! 皇! ：三! 垒皇q ! ! 垒g 曼垦翌垒! 型i ! 曼垒! ! 堂皇垒! ! 箜里垒鱼星垒里坠! ! i ! 里皇! i 望! 篁堕星! 开关状态 输 f j 电压 t l - 2 - 屹 o 吃 2 吃 1 4 三电平中点钳位整流器 在交流侧电压比较高，容量比较大的场合可以采用三电平中点钳位整流器。它每 一个桥臂由四个功率开关构成，使得每一个桥臂可以产生三个电平，一一u d ，0 ，u _ a _ a 。 22 三电平p w m 整流器有以下优点【3 8 】： ( 1 )每一个主功率开关上承受的电压峰值只有两电平的p w m 整流器的一半， 所以它适合于高电压大容量的场合； ( 2 )由于三电平p w m 整流器每一个桥臂有三个开关状态，所以，整个p w m 整流器有2 7 个工作状态( 包括三个零状态) 。用空间矢量的观点是它在空间2 7 个开关 矢量来构成所需的电压矢量，使得三电平p w m 整流器在开关不是很大的情况下也能 够保证良好的电流波形，对于使用i g b t 的系统更为有利，非常适合于高压大功率场 合； ( 3 )在相同的开关频率及控制条件下，三电平整流器输出电压或者电流的谐波 大大小于两电平整流器，故应用于i g b t 作为开关元件是非常合适的，其开关频率一 般在3 0 0 6 0 0 h z 范围内； ( 4 )三电平p w m 整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定 的正弦度，在同样的开关频率和控制方式下，它的电流谐波总畸变率遥远小于二电平 整流器。 1 5 多电平整流器的调制策略简述 多电平整流器的调制策略大致有三种 2 】【3 9 , 4 0 】： ( 1 ) j 下弦p w m 调制( s p w m ) ； 一6 0 i l j l o l o o o o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 选择谐波消除p w m 调制( s h e p w m ) ； ( 3 ) 空间矢量p w m 调制( s v p w m ) 。 多电平的s p w m 调制策略是对两电平的s p w m 调制策略的一种扩展。对于n 电 平的变换器来说，在每相中都有n 1 个三角载波，这n 1 个三角载波与一个正弦调制 波比较得出逆变器的调制波形。 选择谐波消除p w m 调制方法就是将输出的正弦波进行傅旱叶变换，得到应该被 消除的最低次谐波，再通过一定的算法计算特殊位置的开关角，从而消除最低次谐 波。选择谐波消除p w m 方法的计算量比较大，需要离线计算，并且要在d s p 或微处 理器中储存大量的表格，因此在波形质量要求不高的场合一般不使用这种调制策略。 空间矢量p w m 调制方法就是将a b c 坐标系内三相正弦交流电压用一个旋转电压 矢量来代替，这个旋转矢量的旋转空间又可以被划分为若干扇区。而这个旋转矢量在 每一个扇区内都可以由三个相邻的位置固定的电压矢量来合成。控制这三个矢量的作 用时间就相当于控制了旋转电压矢量的模长和方向。 在这三种调制策略当中，因为空间矢量p w m 调制方法的调制范围比较大，母线 电压利用率也比较高，因此得到了较为广泛的应用。本文的控制系统亦采用了 s v p w m 方法。 1 6 本文的主要内容 本文以电压型三相三电平整流器为研究对象，主要包括了以下主要内容。 ( 1 )推导了三电平p w m 整流器在静止a b c 坐标系下的数学模型，引用坐标变霰 换的概念，推导出三电平p w m 整流器在两相同步旋转d q 坐标系下的数学模型，并在 此基础上建立三电平整流器的空间状态模型； ( 2 )分析了电压空间矢量调制方法的原理和特点的基础上，实现了调制过程， 讨论优化开关矢量的调制方法； ( 3 )设计了一套基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制的三电平p w m 整流器硬件和软件 的试验方案。介绍了控制电路设计和软件实现的问题，并给出了仿真实验结果，论证 了方案的可行性。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章三电平p w m 整流器数学模型及电压空间矢量脉宽调制策略 第2 章三电平p w m 整流器数学模型及电压空 间矢量脉宽调制策略 建立三电平p w m 整流器的数学模型，是研究三电平p w m 整流器的基础。基于整 流器开关控制方式拓扑连接的数学模型很难用于系统分析，所以利用状态空间平均法 消除开关不连续的影响。利用坐标变换方法可以进一步简化模型，把交流分量等效成 两相直流部分。建立完整的数学模型是设计控制器的基础，以及可以进一步分析系统 的稳定性。本章建立了三电平整流器的数学模型并提出了相应的系统框图。 用电压空间矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的方法控制三电 平变换器与s p w m 方法控制相比，其直流电压利用率要高一些，在调控输出电压基波 大小的同时也可以减少输出电压中的谐波。并且通过合理的选择开关状态的转换顺序 可以减少变换器状态转换时开关状态转换的次数，因此在获得相同的输出电压波形质 量的情况下，开关器件的工作频率也可以低一些。本章讨论了三电平s v p w m 调制策 略以及对相应的开关状态的优化选择方法进行分析【4 1 , 4 2 】。 图2 1 二极管钳何型三电平整流器主电路基本结构 f i g 2 1t h ed i o d e c l a m p e dt h r e e l e v e lr e c t i f i e rc i r c u i td i a g r a m 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章三电平p w m 整流器数学模型及电压空问矢量脉宽调制策略 2 1 三电平p w m 整流器数学模型 建立三相三电平电压源整流器( v s i ) 的数学模型，是分析和研究三电平p w m 整 流器的控制系统的基础。对于三相系统的分析，有以下两种方法：标量分析和矢量分 析法。标量分析法是把三相变量看成三个量，对系统进行电路分析，从而建立系统标 量模型；矢量分析法是把一组三相变量看成一个空间矢量，从而建立系统空间矢量模 型。本章将用矢量分析法对三电平整流器的主电路进行建模分析，并以此分析三电平 整流器的控制系统。 为了便于推导三电平整流器的数学模型，作如下假设： ( 1 )直流侧两个串联电容电压相等，均为直流母线的一半，即认为中点是平衡 的； ( 2 ) 三电平p w m 整流器的升压滤波电感和开关是理想平衡、它们的参数对 称、一致； ( 3 ) 除了负载电压或者特别说明的电压外所有的电压都是以电容中点作为参考 点的； ( 4 )整流器的p w m 开关频率远远大于输入基波频率，因此由开关的动作而引 起的谐波可以忽略。 ，0 图2 2 三电半p w m 整流器的等效电路 f i g 2 2t h ee q u a t i o nc i r c u i td i a g r a mo f t h ed i o d e c l a m p e dt h r e el e v e lr e c t i f i e r 二极管钳位型三电平整流器主电路基本结构如图2 1 所示。每个桥臂4 个开关 互五和钳位二极管d 5 ，d 6 ，“。，和u 。为三相电网输入电压，屯，乙，t 为三相电网输入 电流，。，足分别代表输电线路上的电感和交流电抗的等效电阻，直流侧串联了两个值 为巴的滤波电容，他们的电压分别为。和吃：，厶为整流器输出负载电流，电容中点 与电网中性点之间的电压为”。 根据三电平p w m 整流器的开关函数，开关管夏瓦受到歼关函数s 。约束，s 。的 一10 东北大学硕士学位论文 ， “： 第2 章三电平p w m 整流器数学模型及电压空间矢量脉宽调制策略 表达式为： - 惰“r z r o 。，乃：导通，。上t r o ；, r o 。关断 = 1 ，乃：，乃，导通，且瓦，瓦。关断 ( 2 1 ) l o ，乙，瓦。导通，且疋。，瓦：关断 根据式( 2 1 ) 可以将每相桥臂等效为一个单刀三掷开关，得出三电平p w m 整流 器的等效电路，如图2 2 所示。 为了便于推导出系统数学模型，可将开关进一步分解：当s o = 2 时，定义 s a l = 1 ，s a 2 = 0 ，咒3 = 0 ；当s a = 1 时，定义s o l = 0 ，s 0 2 = o ，s 0 3 = 1 ；当s o = l 时，定义 s o 。= 0 ，s 0 2 = 1 ，s o ，= 0 。6 ，c 相得开关函数也做如上分解。 2 1 1a b c 坐标下三电平p w m 整流器的数学模型 把电网电压和负载电流处理为扰动输入，取三相输入电流，直流侧串联电容电压 为状态变量，根据基尔霍夫定律的电压方程和电流方程，可以建立a b c 坐标系下的三 电平整流器数学模型： t d i 。 也百 td 小 - 百 td i s c - 百。 = u 。一足乙一s a l l + s 0 2 2 一u 。 = u 曲一r ，屯一氐l l + 咒2 2 一甜。 ( 2 2 ) = u 。一r j 。一l 吃l + 2 2 一u 。 考虑剑糸统是二相尢中线糸统，且1 阪设二相电删电压半衡，尢零序分量，则有g 乙+ 如+ 乞= o( 2 3 ) 【u + “曲+ u w = 0 通过式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以求出材，。： “。：一丢( 。+ & 。+ 墨。) 吃，+ 丢( ：+ & ：+ ：) 吃： ( 2 4 ) 盲流倒的两个电容的传涕函数为： c d 孥_ ：s a 口+ s 赢b + s 赢c “ _ s o 丝：一 ：屯+ s ：如+ 墨：t ) 一at ( s o ioat 将式( 2 2 ) ，( 2 4 ) ，( 2 5 ) 归纳成式( 2 6 ) 的矩阵型式。即为三电平p w m 整流 器再a b c 坐