（控制理论与控制工程专业论文）多电平逆变器空间矢量调制技术研究.pdf

博上学位论文 摘要 多电平逆变器中每个功率器件承受的电压相对较低，因此可以用低耐压的功 率器件实现高压大容量逆变器。且采用多电平变换技术可以显著提高逆变器输出 电压的质量指标。因此，随着功率器件的不断发展，采用多电平变换技术将成为 实现高压大容量逆变器的重要途径和方法。 但随着电平数的增加，对多电平逆变器的控制的复杂性也显著增大。本文就 多电平逆变器作为研究对象，对空间矢量调制技术在多电平逆变器上的应用进行 了研究，通过对空间矢量调制算法的改善来达到减小控制复杂性随电平数增加的 问题，以及对减小多电平逆变器输出的共模电压，降低功率器件的开关频率等性 能上的优化。 ( 1 ) 本文首先对当前主要的多电平逆变器的拓扑结构和p w m 调制技术进行 了介绍，并对空间矢量调制技术的研究现状进行了综述，按照两相电压空间的控 制和期望性能指标控制两个方面来划分p w m 调制技术的研究方向。本文在第二 章中对两相电压空间的控制方法进行了研究，而第三章和第四章的工作则对期望 性能指标的控制方法进行了讨论。 ( 2 ) 根据基本矢量在口侈两相坐标平面的坐标都是整数的规律，提出了通过 v n ( 七) 和z ( 七) 两个参数来确定参考电压矢量所在扇区s ( 七) 的方法，并给出了扇区 s ( 露) 中各顶点基本矢量的作用时间的计算公式；据此总结得到了在口两相坐标 平面下对参考电压矢量进行逼近的算法，该算法只需要进行简单的四舍五入与加 减运算，易于实现；对参考电压提出了同步采样的要求，提出调制算法在口锣两 相平面和口施三相平面上的收敛概念，指出收敛的调制算法能够降低逆变器输出的 次谐波成分。 ( 3 ) 提出了基本切换的概念，即每次只有一相输出改变，且只改变一个电平单 位的切换，利用基本切换提出了电路中各个开关器件的开关次数最少的调制方案。 以基本切换为基础，提出以切换路径来描述逆变器开关状态的切换过程，并给出 了路径封闭的概念，指出只有封闭的路径才能保证调制算法的收敛。为了寻求合 适的封闭路径以利用基本切换来降低开关次数，提出了特征四边形和特征网络的 概念，证明了要使用基本切换来遍历扇区的顶点，只能沿着特征四边形的边和特 征网络进行；发现了随着参考电压轨迹的半径所在的范围不同，特征网络具有两 种不同的形状。在这两种特征网络中，以特征四边形为基础分析了总开关次数最 小的切换路径，提出了优化开关频率的空间矢量调制算法。仿真结果表明，本算 法在一个参考电压周期内的总开关切换次数不到相同参数下同相层叠正弦调制算 i i 多电平逆变器窄问矢量调制技术研究 法的切换次数的一半，能够有效地降低开关器件的开关次数。 ( 4 ) 提出了最小实现的概念，并通过最小实现，将逆变器输出电压的零序分量 的幅值限制在1 3 个单位电平e 以内。最小实现是能够使得基本矢量的零序坐标的 绝对值小于l 的一个实现；本文通过研究指出，在理想的无限电平逆变器中所有 的基本矢量都存在有最小实现，使得其最小零序坐标的绝对值都小于1 ；而在行级 ，电平的逆变器中，具有最小实现的基本矢量限制在一定的区域内，且即便将零序 电压幅值限制在1 3 个单位电平e 以内，对于疗8 的系统，输出电压幅值的损失也 不到1 0 。据此，本文提出了利用最小实现将逆变器输出零序电压幅值和变化幅 度都限制在l 3 个单位电平e 的五段调制算法，并给出零序电压优化s v p w m 调制 算法的具体实现步骤。仿真和实验结果表明该算法对零序电压有着很好的抑制作 用，与理论推导的结果一致。 ( 5 ) 最后，本文在3 级7 电平级联型逆变器拓扑中建立了实验平台，并在实验 平台上对零序电压优化s v p w m 调制算法进行了实现，考察了该调制算法的计算 实时性能和零序电压的抑制能力，验证了这些调制算法的正确性和有效性。 关键词：多电平逆变器；空间矢量调制：开关频率：开关损耗；零序电压；共模 电压 i i i 博上学位论文 a b s t r a c t i nm u l t i 1 e v e l i n v e r t e r s ，t h ev o l t a g es t r e s so fe a c hp o w e rd e v i c ei sr e l a t i v e l yl o w e r ， t h a ti ss u i t a b l et or e a l i z et h eh i g hv o l t a g ea n dl a r g ec a p a c i t yi n v e r t e r sw i t ht h el o w v o l t a g er e s i s t a n tp o w e rd e v i c e s a n di ti sp o s s i b l et oe n h a n c et h eq u a l i t yo fi n v e n e r s o u t p u tv o l t a g eo b v i o u s l yb yu s i n g m u l t i - l e v e li n v e n e r s t h e r e f o r e ， w i t hm e d e v e l o p m e n to fp o w e rd e v i c e s ， t h em u l t i l e v e lc o n v e r t e rt e c h n o l o g yh a sb e e na i l e a e c t i v ea p p r o a c hf o ri n v e r t e r st oa c h i e v eh i g hv o l t a g ea n d1 a r g ep o w e r b u t ，t om u l t i 1 e v e l i n v e r t e r s ，t h ec o m p i e x i t yo fc o n t r o l l i n gi si n c r e a s e dr e m a r k a b l y b yt h ei n c r e a s eo fv o l t a g el e v e l s t h i sp 印e rr e s e a u r c h e do nt h ei m p r o v e m e n to fs p a c e v e c t o rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rm u l t i - l e v e li n v e r t e r s ， t h a tt ol o wd o w nt h e c o m p l e x i t yo fc o n t r o l l i n g ，t h ec o m m o nm o d ev o l t a g eo fi n v e r t e r s o u t p u tv o l t a g e ，a n d t h es w i t c h i n gt i m e so fp o w e rd e v i c e s ( 1 ) f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dt h em o d u l a t i o n s c h e m eo fm u l t i 1 e v e li n v e r t e r s ，a j l dr e v i e w e dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f s v p w m c o n t r o l l i n gs c h e m e t h i sp a p e rd i v i d e dt h er e s e a r c hd i r e c t i o ni n t ot w oa r e a s ， t h ec o n t r o l l i n go ft w o p h a s ev o l t a g es p a c ea n dt h ec o n t r o l l i n go fe x p e c t e dp e r f o m a n c e a n dt h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sc o v e r e dt h et w oa r e a s ( 2 ) b a s e do nt h em l et h a ta l lt h ec o o r d i n a t ev a l u eo f t h eb a s i cv e c t o ri si m e g r a l i n 口 c o o r d i n a t ep l a n e ，也i sp 印e rp u tf o r w a r daw a yt op o s i t i o nm er e f e r e n c ev e c t o r s s e c t o rs ( 七)b yt h ep a r a m e t e rv j ( j | ) a n dz ( 七) a n dt h ef o m u l aw h i c hi su s e dt o c a l c u l a t et h ed w e l l i n gt i m eo fe a c hv e c t o ri sg i v c no u t h e r e b y ，a na l g o r i t h mf o r a p p r o a c h i n gt h er e f e r e n c ev e c t o ri n口侈7 c o o r d i n a t ep l a n ew a sd r a w no u t ，w h i c hi s e a s yt ob er e a l i z e db ya r i t 量u n e t i ca n dr o u n d i n go p e r a t i o n ad e m a n do fs y n c h i l o n i z e d s 锄p l i n gw a sp r e s e n t e dt o t h er e f e r e n c ev e c t o r a n dt h ec o n c e p to fc o n v e 唱e n t m o d u l a t i o na l g o r i t l ni n 口侈7c o o r d i n a t ep l a n ea n d口6 cc o o r d i n a t ep l a n ew a sp u t f o r w a r d ，w h i c hc a nd e c r e a s et h es u bh a 咖o n i cc o m p o n e n to fm u l t i - l e v e li n v e r t e r s o u t p u tv o l t a g e ( 3 ) t h i sp a p e rp r e s e n t e dac o n c e p to fb a s i cs w i t c h i n gt h a tc h a n g e so n l yo n e p h a s e so u t p u tv o l t a g ew i t ho n l yo n el e v e l w i t ht h eb a s i cs w i t c h i n g ，am o d u l a t i o n s c h e m ew h i c hc a nd r o pd o w nt h es w i t c h i n gt i m e so ft h ep o w e rd e v i c e sw a sd r 鲫mo u t b a s e do nt h ec o n c e p t ，s w i t c h i n gr o u t ei su s e dt od e s c r i b et h es w i t c h i n gp r o g r e s so ft h e i n v e r t e r ss w i t c h i n gs t a t u s a n dt h ec o n c e p to f “c l o s e dr o u t e ”i sg i v e no u t ，t h a to n l y i v 多电平逆变器窄间矢量调制技术研究 t h ec l o s e dr o u t ec a ng u a r a n t e et h em o d u l a t i o na l g o r i t h mt ob ec o n v e 唱e d ac o n c e p t i o n o fc h a r a c t e r i s t i c sq u a d r a n g l ea n dc h a r a c t e r i s t i c sn e t w o r ki sp r e s e n t e d ，a n di ti sp r o v e d t h a ti tc a l lt r a v e r s et h ev e i r t e xo ft h es e c t o ro n l ys w i t c h i n ga l o n gm es i d eo f c h a r a c t e r i s t i c sq u a d r a n g l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sn e t w o r kw i t hb a s i cs w i t c h i n g t h i s p a p e rf o u n dt h a ti tc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d so fc h a r a c t e r i s t i c sn e t w o r k sw i t ht h e r a d i u sr a n g eo fr e f - e r e n c ev e c t o r sl o c u s c h a r a c t e r i s t i c sq u a d r a n g l ei su s e dt oa n a l y z e t h es w i t c h i n gr o u t ew h i c hh a st h em i n i m u ms w i t c h i n gt i m e si nc h a r a c t e r i s t i c s n e t w o r k s a tl a s t ，as w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m i z e ds v p w ma l g o r i t h mi sp u tf o n a f d ， w h i c hi su s e f u lt od e p r e s s i n gt h es w i t c h i n gt i m e so fp o w e rd e v i c e se f r e c t i v e l y c o m p a r e dt ot h ep h a s ed i s p o s i t i o ns i n u s o i d a lm o d u l a t i o n ( p ds p w m ) m e t h o d ，t h e t o t a ls w i t c h i n gt i m e sa m o n go n er e f e r e n c ev o l t a g ep e r i o do ft h ef r e q u e n c yo p t i m i z e d s v p w mi so n l yah a l fo fw h i c ho fp ds p w m ( 4 ) t h i sp a p e rb r o u g h to u tac o n c e p t i o no fm i n i m u mi m p l e m e n t a t i o n ，a n dw i t h w h i c hi tc a nr e s t r i c tt h ez e r oo r d e rv o l t a g ec o m p o n e n to fi n v e r t e r 。so u t p u ti n t oo n e m i r do fv 0 1 t a g el e v e l t h em i n i m u mi m p l e m e n t a t i o nm e a n st h a tt h ei m p l e m e n t a t i o n c a nm a k et h ea b s 0 1 u t ev a l u eo fz e r oo r d e rc o o r d i n a t eo fb a s i cv e c t o rt ob el e s st h a n1 t h er e s e a r c hp o i n t so u tt h a ti nt h ei n f i n i t el e v e l i n v e r t e r sa ut h eb a s i cv e c t o r sh a v ea m i n i m u mi m p l e m e n t a t i o n se x i s t e n c e w h i l ei nt h e 刀c e l lzl e v e li n v e r t e r s ，t h eb a s i c v e c t o rw h i c hh a st h em i n i m 嗽c o m p l e m e n t a t i o ni sl i m i t e di n t oa l la r e a e v e nt ol i m i t m ez e r ov o l t a g e 锄p l i t u d ei n t oo n et h i r do fo n eu n i tv o l t a g e1 e v e li nt h es y s t e m w h i c h s刀8 ，t h el o s so ft h eo u t p u tv o l t a g ea n l p l i t u d ei sl e s st h a nt e np e r c e n t t h e r e f o r e ，t h i sp 印e rd r a wo u taf i v es e g m e mm o d u l a t i o nm e t h o dw h i c hc a nl i m i tt h e z e r 0o r d e rv o l t a g ec o m p o n e n to fi n v e r t e r so u t p u ti n t oo n et h i r do fv o l t a g el e v e l ，a n d g i v e no u tt h es t e p st or e a l i z et h ez e r oo r d e rv o l t a g eo p t i m i z e ds v p w ma l g o r i t h m t h e r e s u l to fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v ec o r r o b o r a t e dt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t ( 5 ) a tl a s t ，a i le x p e r i m e n tp l a t f o mi ss e tu pw i t h3c e l l s7l e v e l si n v e r t e r s t t l e z e r oo r d e rv 0 1 t a g e0 p t i m i z e ds v p w ma l g o r i t h mi sr e a l i z e do nt h ee x p e r i m e n t p l a t f o m t h er e a lt i m ec a l c u l a t i o np e r f o m a n c ea n dt h ec a p a b i l i t yi nd e p r e s s i n gt h e z e r oo r d e rv o l t a g ei st e s t e di nt h ee x p e r i m e n t a n dt h ec o r r e c t n e s sa n dt h ee 疵c t i v i t y o ft h em o d u l a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o v e d k e yw o r d ： m u l t i - l e v e li n v e r t e r ； s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n( s v m ) ；s w i t c h i n g f r e q u e n c y ；s w i t c h i n gl o s s ；z e r oo r d e rv o l t a g e ；c o m m o nm o d ev 0 1 t a g e v 多电平逆变器窄问矢量调制技术研究 插图索引 图1 1基本电压源逆变器3 图1 2 二极管箝位型多电平逆变器电路拓扑5 图1 3电容箝位型多电平逆变器电路拓扑6 图1 4 三相2 级5 电平逆变器的拓扑结构8 图1 5 单级三电平空间矢量分布图1 3 图1 6 参考电压分解示意图1 6 图1 76 0 0 坐标系下三电平空间矢量图1 7 图1 8 零矢量的合成1 9 图2 1口锣直角坐标系示意图2 l 图2 2 参考电压矢量在口夕坐标平面的轨迹曲线2 4 图2 3 基本矢量在筇平面中的分布2 6 图2 4筇平面内三电平逆变器的基本矢量空间2 7 图2 5基本矢量在口锣平面中的分布2 9 图2 6口锣7 平面内三电平逆变器的基本矢量空间2 9 图2 7参考电压矢量所在扇区的定位3 0 图3 1相邻基本矢量之间的关系一3 8 图3 2 第f 层六边形切换路径4 1 图3 3三种四边形切换路径一4 2 图3 4 玩。( f ) i v t i ( f + 1 ) 时的扇区序列s 的形状一4 4 图3 5 特征四边形构成的特征网络4 5 图3 6 成( f ) i v f i ( f ) 时的扇区序列s 的形状4 6 图3 7 第f 层变异六边形路径4 7 图3 8情况2 中的特征网络4 7 图3 9 扇区& 在i 型特征四边形中的定位5 2 图3 1 0 三角形扇区辅助坐标的分布5 4 图3 1 1 离线计算任务的计算流程5 5 图3 1 2 在线控制任务的计算流程一5 6 图3 13 开关频率优化算法仿真输出结果5 7 图4 15 级1 1 电平零序电压约束范围分布6 4 图4 2 零序电压约束后的调制系数与级数及约束条件的关系曲线6 6 图4 3参考矢量与邻近输出矢量分布示意图6 8 i x 博士学位论文 图4 4 零序电压控制方法示意图6 9 图4 5仿真模块示意图一7 0 图4 63 级7 电平逆变器输出相电压和线电压仿真波形7 1 图4 7 逆变器输出的相电压与零序电压波形比较7 l 图5 1模拟实验装置结构示意图7 3 图5 2 级联单元电路结构7 4 图5 3零序电压优化s v p w m 调制算法实现流程图7 7 图5 4c p l d 控制逻辑的输出时序图7 8 图5 5零序电压优化s v p w m 调制算法输出电压波形8 0 图5 63 级7 电平级联型多电平逆变器零序电压实验波形8 0 x 多电甲逆变器窄间矢量调制技术研究 附表索引 表1 1当前主要的电力电子器件的电压和电流定额【9 13 1 一2 表1 2 单相全桥逆变电路的可行工况4 表1 3二极管箝位三电平逆变器的常用工况5 表1 4 三电平电容箝位型电路拓扑的常用工况7 表1 5 三相2 级5 电平逆变器的工况( 以a 相为例) 一8 表2 1口锣7 平面下三电平逆变器基本矢量的三相坐标3 5 表3 1 三种基本切换一3 9 x i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： b 叫呜 1 日期：衙于月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。 本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：纱年j 一月日 日期：沪v 年厂月叱日 清j 、刳 博十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着能源短缺与环境污染问题的日益突出，工业应用领域对于大功 率高压变频器的要求与日俱增。 交流电动机调速是高压变频器应用的一个重要领域。由于在工业应用领域中 高压大功率交流电机的应用占主要的地位，因此对高压大功率交流电机调速节能 装置的开发需求极为迫切，对于我国工业降低单产能耗具有重大意义。另一方面， 发展以大容量交流电机变频调速为核心技术的高速公共交通工具( 如电力机车、 城市地铁和轻轨) 以及电动汽车，对于减少尾气排放污染、降低对不可再生能源 的依赖有着重要的作用。我国上海磁悬浮高速城市轨道交通系统即采用了三电平 逆变器供电和矢量控制技术，是世界上第一条商业化运行的高速磁悬浮列车【l j 。 电力系统是高压变频器应用的另一个重要领域，它是柔性交流输电系统 ( f a c t s ：f l e x i b l ea ct r a l l s m i s s i o ns y s t e m ) 、无功补偿( r p c ：r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ) 和电力有源滤波器( a p f ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 的核心技术。柔性交流 输电系统在电力系统中的应用可大幅度改善电力系统可控性及可靠性，提高输电 线路的传输能力及系统的安全稳定性。由于电力电子装置的广泛使用，电网中的 无功和谐波污染日益严重，采用无功补偿和电力有源滤波器及其相关技术补偿电 网中的无功，治理谐波是无功补偿和电力滤波技术的发展趋势【2 娟】。 现在对大功率高压变频器的功率和电压的要求已达到几十甚至上百兆伏安和 十几千伏的数量级。在高压大容量换流设备的应用中，电力电子器件的容量和工 作频率一直是制约和阻碍其发展的一个重要因素。如果采用基本的电压源逆变器 拓扑结构，功率电子器件的电压和容量与逆变器的电压和容量基本上是同一数量 级( 参见1 2 节) 。尽管当前的电力电子器件已达到相当高的水平( 参见表1 1 ) ，但 仍不能满足应用的需要。因此，采用中小容量开关器件，通过适当的电路拓扑及 控制方法实现高压大容量换流设备，仍然是当前人们普遍接受的开发途径。 为了使用基本的拓扑结构实现高压大功率变流设备，可以依靠功率器件的串 联以承受高压，器件并联以承受大电流。由于功率器件参数的离散性，功率器件 的串并联需要复杂的静、动态均压1 1 4 ，l5 1 、均流电路。但这会导致系统控制复杂， 损耗增加；特别是对于具有负湿度系数的功率器件，均流是一件相当困难的事情。 多电平逆变器窄间矢量调制技术研究 表1 1 当前主要的电力电子器件的电压和电流定额【9 】 电力电子器件最高阻断电压( v )最大额定电流( a )最高工作频率( h z ) g t r1 8 0 08 0 0 2 k g t o9 k1 0 k 1 k p o w e rm o s f e t5 0 02 0 01 0 0 k 2 m i g b t6 5 k2 4 k2 0 k i g c t6 k4 kl k i e g t4 5 k1 5 k 另一条出路是采用多电平逆变器。最早的多电平变换器的概念是由南波江章 ( a n a b a e ) 等于1 9 8 0 年在i e e e 工业应用年会( i a s ) 上提出的三电平中点筘位式结构 【1 6 1 ( 参见2 2 节) 。现在，多电平逆变器的拓扑结构主要发展出三种电路【1 7 ，1 8 】：二 极管箝位式( 中性点箝位) 【19 1 、电容箝位式( 浮置电容) 【2 0 ，2 1 1 和级联多单元带分 离直流电源式【2 2 ，2 3 1 。多电平变换器技术已成为研究高压大容量变换器的一个新的 研究领域。 与传统的两电平变换器相比，多电平变换器每个功率器件的承受的电压相对 较低，因此可以用低耐压的功率器件实现高压大容量变换器，无需动态均压电路。 采用多电平变换器可以显著提高逆变器输出电压的质量指标。由于输出电平 数的增加，输出波形阶梯增多，就可更加接近目标调制波，其输出电压畸变非常 小，且输出电平的增多降低了输出电压的跳变，因此幽劣值低。 为了得到相同的输出电压指标，采用多电平变换器可以降低对器件开关频率 的要求，即各个器件工作在较低的开关频率，也可以得到同样的输出电压指标， 因而开关损耗小，效率高：另外，多电平变换器具有网侧输入电流畸变很小，以 及无需输出变压器，大大减小了系统的体积和损耗【1 ，1 7 ，2 4 】等优点。 随着g t o 、i g b t 等功率器件容量等级的不断提高，以及d s p 等控制芯片的 发展和普及，使得对多电平变换器的研究和应用得到了迅猛的发展，在p w m 控 制方法以及软开关技术方面形成了很多分支。其应用领域也从最初的d c a c 变 换，如大功率电机驱动2 5 2 7 】，拓展到了a c d c 变换，如电力系统无功和谐波补 偿【2 8 3 1 】；a c d c a c 变换，如超导储能【3 2 ，3 3 】：以及d c d c 变换，如高压直流变换 笙f 3 4 3 6 】 可 。 多电平变换器拥有实现高压大容量变换器的独特优势，随着功率器件的不断 发展以及电路拓扑和控制方法的不断完善，采用多电平变换技术将成为实现高压 大容量变换器的重要途径和方法。但对于多电平变换技术，随着电平数的增加， 控制的复杂性也显著增大，且对于有些拓扑结构会带来电压不平衡的问题【l 。这 些问题阻碍了多电平变换器在实际工业高压大容量变换器应用中的推广和发展。 博士学位论文 自从出现多电平变换器以来，对它的研究工作一直沿着两个方向进行：主回 路的拓扑结构和控制方法( 调制技术) 。多电平变换器的控制方法的研究是一个很 具有挑战性的研究方向，由于每个具体电路中开关器件的数量都远多于基本变频 器开关器件的数量，且随着器件的增加， 多电平变换器的工作状况数都非常庞大； 电路的工作状况成几何级数增长，每个 这一方面为通过控制这些状况来优化多 电平变换器的各项性能指标提供了很大的空间，但另一方面也使得其控制算法变 得非常复杂；由此形成了一个很有前景的研究方向：多电平逆变器的调制技术。 本文就多电平逆变器作为研究对象，对空间矢量调制技术在多电平逆变器上 的应用进行了研究，拟通过对空间矢量调制算法的改善来达到减小控制复杂性随 电平数增加的问题，以及实现对减小多电平逆变器输出的共模电压，降低开关器 件的开关频率等性能的优化。 1 2 多电平逆变器主回路的拓扑结构 由于本文的研究方向属于多电平逆变器的调制技术，受篇幅限制，不可能对 主回路的拓扑结构作太多的叙述。下面只扼要介绍其中最主要的三类结构：二极 管籀位式( 中性点箝位) 多电平逆变器、电容箝位式( 悬浮电容) 多电平逆变器 和级联型多电平逆变器。对多电平逆变器主回路拓扑结构感兴趣的读者可参阅文 献【l ，1 7 ，3 8 4 0 1 。为了更清楚地说明多电平逆变器思路，在此之前，用一小节的篇幅， 复习基本电压型逆变电路并以此为例介绍本文要用到的一些术语和定义。 1 2 1 基本电压源逆变电路 常用的基本电压源逆变电路如图1 1 。其中，单相半桥逆变电路( 图1 1 a ) 有一 个上桥臂( q 1 ) 和一个下桥臂( q 2 ) ；单相全桥逆变电路( 图1 1 b ) 有两个上桥臂( q l 和 q 3 ) 和两个下桥臂( q 2 和q 4 ) ；而三相桥式逆变电路( 图1 1 c ) 有三个上桥臂( q l 、q 3 和 q 5 ) 和三个下桥臂( q 4 、q 2 和q 6 ) ；每个桥臂含有一个带有反并二极管的开关器件。 决定于是否有驱动信号和电流的方向，每个桥臂有导通和关断两种状态。由 于存在反并二极管，当电流企图反向流过时( 图中从下往上) ，每个桥臂总是导通的； 而对于正向电流，只有存在触发驱动信号才能导通。 a 单相半桥逆变b 单相全桥逆变 c 三相桥式逆变 图1 1 基本电压源逆变器 多电平逆变器守问矢量调制技术研究 图1 1 的每个图中，每个桥臂的状态的组合，构成了该图的一个工况，那么， 图1 1 a 、1 1 b 和1 1 c 分别有2 2 = 4 、2 4 = 1 6 和2 6 = 6 4 种工况。应该避免同一相的 上下两个桥臂同时导通，因为这会将直流电源短路而损坏设备，称排除这些工况 后的工况为可行工况。显然，图1 1 a 、1 1 b 和1 1 c 分别有3 、3 2 = 9 和3 3 = 2 7 种工 况。 表1 2 单相全桥逆变电路的可行工况( 1 表示导通，0 表示关断) 工况 开关器件状态输出电平 序号s 岛墨 s a “曲 l01lo e | 2e 注 一e 2ol0l e | 2一e | 2 0 3l o 1 0 e | 2 e | 2 0 410o1e | 2 一e | 2 e 50lo0一e | 2 断路断路 6l000 e f 2 断路断路 7o0o1 断路 一e | 2 断路 8001o 断路e | 2断路 900 0 0 断路断路断路 表1 2 所示为单相全桥逆变电路( 图1 1 b ) 的可行工况，表中输出端断路的工况 很少出现，除非负载电路强迫电流等于零。所以对于单相全桥逆变电路，常用的 只有工况1 4 。 显然，将这类基本电路用于高压逆变器，需要与输出电压相同数量级的开关 器件，或采用多个器件串联。高耐压功率器件虽然得到了很大的发展，但其耐压 水平仍然难以满足高压大功率逆变器的要求，另外，新型器件的成本也是工业应 用难以承受的。器件串联的方法可以将高电压应力分摊到多个器件上，使得每个 开关器件的电压应力满足其额定阻断电压。但是由于各个开关器件之间存在导通 或关断时间上的个体差异，因此需要复杂的动、静态均压电路，从而导致系统控 制复杂，损耗增加，且不确定因素影响大，可靠性降低。 1 2 2 二极管箝位型多电平逆变器 为了解决高输出电压和开关器件电压受限制的问题，人们考虑可以采用电容 器将直流母线电压进行分压，再用二极管将每个开关器件承受的电压箝位到等于 其中一个电容上的电压，以便降低每个开关器件的电压应力，这样的电路拓扑称 为二极管箝位型多电平拓扑【1 ，1 7 ，19 1 。图1 2 a 所示为单相三电平二极管筘位拓扑结 构，其常用工况如表1 3 。 博七学位论文 a 三电平b 五电平 图1 2 二极管箝位型多电平逆变器电路拓扑 在图1 2 a 中，通过两个串联的大电容c l 和c 2 将直流母线电压分成三个电平， 即可2 ，o 和一e 2 ( 以两个电容的中点定义为中性点) 。稍加分析就可以发现，不 论在表1 3 的哪一种工况，二极管d l ，d 2 都将每个开关器件的电压箝位到直流母 线电压的一半。例如，当s 、同为导通时，二极管d 2 平衡了开关器件研，墨上 的电压分配。 若要得到更多电平数，如，电平，只需将直流分压电容改为( ，一1 ) 个串联，每 桥臂主开关器件改为2 ( ，一1 ) 个串联，每桥臂的箝位二极管数量改为一1 ) “一2 ) 个， 每( ，一1 ) 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。图1 2 b 所示则为五电平二极管箝位型逆变器 单相电路结构。 表1 3 二极管箝位三电平逆变器的常用工况( 1 表示导通，o 表示关断) 工况 开关状态输出电平 序号 s&s ：墨材硎 l1l0o e 注 2 0 1loo 3 0 o1le | 2 多电甲逆变器窄问矢量调制技术研究 由于没有两电平逆变器中两个串联器件同时导通和同时关断的问题，所以该 拓扑对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高。 在输出性能上也拥有多电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，幽动小，对电 机负载的冲击小等。 但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构仍然有其固有不足： ( 1 ) 箝位二极管数目多。对于，电平的二极管箝位逆变器，需要有( ，一1 ) ( ，一2 ) 个 箝位二极管。随着电平数的增加，系统的成本也将快速增加，且可靠性被削弱。 ( 2 ) 另外，由于各个开关器件的导通时间不对称，越靠近中间的开关器件导通 的时间越长，因此开关器件的负荷不一致。 ( 3 ) 该拓扑需要复杂的控制算法以利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压 平衡问题。 ( 4 ) 筘位二极管存在动态均压的问题，需要复杂的均压电路，且箝位二极管的 反相恢复问题也是主要的设计难题。 1 2 3 电容箝位型多电平逆变器 电容箝位型多电平逆变器又被称为悬浮电容多电平逆变器( f c m l ：f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e l ) 1 1 ，l 刀，是由法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 最早提出的【4 1 1 。 图1 3 所示为三电平和五电平电容箝位型多电平逆变器的拓扑结构。对比于图1 2 的二极管箝位电路，它也采用了分压电容c 1 c 4 将直流电源电压分成了几个较低 的电平，不同的是它还利用几个独立的悬浮电容e 己代替二极管对功率开关器 件进行直接箝位。 a 三电平b 五电平 图1 3电容箝位型多电平逆变器电路拓扑 博上学位论文 对于三电平的电容箝位型拓扑( 图1 3 a ) ，当s ，& 同为导通时，= ( e 2 ) ；而 群，墨导通时，输出甜册为一( e 2 ) ；但是对于输出材。为。电平时，导通的开关对既 可以是s ，研，又可以是s ，g 。这个电路的要点是维持筘位电容e 的端电压等于 e 2 ；该电容器在s ，研闭合时充电，在s ，g 闭合时放电。适当地选取0 电平的开 关组合，e 上的充电和放电的电荷可以达到平衡。表1 4 给出了三电平电容箝位 型电路拓扑的常用工况。 表1 4 三电平电容箝位型电路拓扑的常用工况( 1 表示导通，0 表示关断) 工况 开关状态输出电平 序号 s岛g墨“ 11100 e | 2 20l0l 0 、 3l ol0 4o01l e | 2 五电平的电容筘位型拓扑则如图1 3 b 所示。电容箝位型多电平逆变器的控制 非常灵活，电平数易扩展，且只需要一个独立的直流电源，整流设计简单。当整 流侧采用类似结构时，逆变器可实现四象限运行，特别适合交流传动应用场合。 但由于该结构需要大量的箝位电容，对于，电平的逆变器，其所需的悬浮电容 需要( ，一1 ) ( ，一2 ) 2 个。且在运行过程中必须严格