H桥级联多电平逆变器调制技术的仿真研究

1、H桥级联多电平逆变器调制技术的仿真研究 H桥级联多电平逆变器调制技术的仿真研究专业 :XXXXXX 学号:XXXXXXXXXX 学生姓名:XXX指导教师:XXX摘 要级联型逆变器由于其具有开关应力小,输出波形优,且易于封装和扩展等优点,越来越广泛地应用于中高压变频调速、柔性交流输电和高压直流输电等多种场合。其中载波相移 SPWMCarrier Phase-Shifted SPWM,CPS-SPWM技术能够在较低的开关频率下实现较高等效开关频率的效果,从而通过低次谐波相互抵消提高等效开关频率,具有良好的谐波特性。因而在应用于级联型多电平逆变器的各种多电平 PWM 方法中,载波移相 SPWMCPS

2、-SPWM的方法因其原理相对简单,控制相对容易,在级联型多电平逆变器的控制中获得了广泛的应用。本文重点研究 H 桥级联型多电平逆变器及载波相移 SPWM 调制策略的基本原理及方法,并进行相关的仿真及实验结果研究。本文首先在分析 H 桥级联型逆变器及其调制策略的基础上,深入分析级联型多电平逆变器拓扑结构及载波相移 SPWM 调制策略的原理及方法,为后续仿真及系统实验提供充实的理论依据。然后基于 MATLAB7.1/Simulink 仿真平台,对基于载波相移调制下的三相十一电平级联型逆变器进行系统仿真研究,构建了十一电平的拓扑结构,指出了各个参数的调制过程,深入地研究了在载波比为140、160、1

3、80,调制度为1、0.95、0.9等情况下逆变器线电压、相电压的输出波形,并对得到的波形进行频谱分析,进一步阐明载波相移调制策略的相关原理及其应用于 H 桥级联型多电平逆变器的相关原则,将得到相关实验结果并对其分析对比列表,实现了 H 桥级联型多电平逆变器的系统运行。关键词:多电平逆变器; H 桥级联; 载波相移 PWM; 谐波分析Abstract Because of small switch stress, high quality load wave and easy packaging,cascaded inverter will be more and more widely use

4、d in flexible AC transmission system FACTS, high voltage DC transmission and Variable-Frequency Speed Regulation System. Using the method of carrier phase shifted SPWM CPS- SPWM, the high equivalent switching frequency can be obtained with low switching frequency devices. This technique improves the

5、 equivalent switching frequency through the counteraction of lower order harmonics. So it is with a perfect performance on harmonic feature. Among the various multilevel PWM methods used in cascaded multilevel inverter, carrier phase-shifted SPWM CPS- SPWM has been widely used in the control of mult

6、ilevel inverter for its principle relatively simple and easy to control. In this paper, the basic principles of cascaded inverter and CPS-SPWM are studied, and some relative simulations and experiments will be done to prove some principles This paper first briefly introduced in the cascaded inverter

7、 and its modulation strategy based on the state of development, in-depth analysis of multi-level cascaded inverter and carrier phase-shifting SPWM CPS-SPWM modulation strategy principles. It will provide the basic of theory for the following simulation and systems experiment studiesSecondly, based o

8、n the MATLAB7.1 / Simulink simulation platform, single- phase five-level and three-phase five-level cascaded inverters based on carrier- based phase shift modulation will be simulated. In-depth studies the waveforms work in different carrier frequencies, as well as under different modulations, and t

9、he system harmonic analysis will be done. The carrier phase-shifting modulation CPS-SPWM strategy and the related principles of cascaded inverter are clarified. And the system experimental studies are completed, the relative experimental results are obtained and analysed, so the operation of the cas

10、caded H-bridge multilevel inverter system is carried out.Keywords: multi-level inverter; cascaded H-bridge; carrier phase shifted SPWM; harmonics目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 多电平逆变器研究现状21.2.1 二极管箝位型多电平逆变器31.2.2 飞跨电容型多电平逆变器51.2.3 级联型多电平逆变器61.3 多电平调制策略的研究现状101.4多电平逆变器输出波形控制策略的研究现状111.

11、5 本文主要研究内容和结构编排11第2章 H 桥级联型多电平逆变器132.1 H 桥级联型多电平逆变器及其工作机理132.2 H 桥功率单元工作机理132.3 H 桥级联拓扑结构152.4 H 桥级联型逆变器工作机理172.5 多电平调制策略的研究现状182.5.1 阶梯波调制策略192.5.2 开关点预置 PWM 调制策略192.5.3 空间矢量 PWM 调制策略202.5.4 载波相移 SPWM 调制策略202.6 谐波分析意义212.7 本章小结22第3章 H 桥级联型逆变器仿真建模研究233.1 Matlab/Simulink 仿真软件简介233.1.1 MATLAB 简介233.1.

12、2 MATLAB 与 SIMULINK243.2 MATLAB/Simulink 的应用及仿真模型的建立243.2.1 MATALAB/Simulink 软件在电路设计中的应用243.2.2 MATALAB/Simulink 软件仿真模型的建立253.3 单相 H 桥级联型十一电平逆变器建模253.3.1 单相仿真模型253.4 三相 H 桥级联型十一电平逆变器建模283.4.1 三相仿真模型283.5 本章小结32第4章 十一电平逆变器仿真结果及其分析334.1 不同参数下的仿真结果和频谱分析334.2 针对实验结果的比较总结414.3 本章小结41第5章 论文的工作及展望425.1总结42

13、5.2展望44参考文献45致谢47附录48第1章 绪 论1.1 课题背景及意义随着社会中工业及农业生产规模的不断扩大,使得对能源的需求量也越来越大,但是对于现有的有限能源,如何才能合理的利用,是各国政府关心的严重问题。我国政府在今年制定的“十一五”规划,特别把节能减排定为规划纲要,用来保证我国经济和社会的可持续发展1。电动机本身作为工业、农业、市政等领域的主动力源,是我国能源消耗的大户,根据国家权威部门统计,我国的发电总量中就有60%左右被各类电动机消耗,而其中的 90%被交流电动机消耗2,3。因此,对于交流电动机的变频调速,存在着巨大的节能空间和研究前景。对于广泛应用的高压大功率风机、泵类的

14、高压电机,由于传统的工作方式为电网电压直接驱动,存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节的问题,从而造成了很大的电能损失。而高压变频技术正是能够有效解决这个问题的关键技术,但现有的功率开关受耐压等级等多方面因素的制约,传统的两电平逆变器无法充分应用于高压变频调速领域,即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器,也存在动、静态均压问题,并且 dv/dt 较大,会产生难以处理的电磁干扰问题4。为此,有学者提出一种多电平功率变换技术,旨在解决功率开关耐压不足与高压大功率驱动之间的矛盾,并且可以有效减小 dv/dt,降低输出电压的谐波含量,这已成为高压大功率驱动场合的发展趋势5。多电平变换技术的思想最

15、早是在 1980 年 IAS 年会上,由日本长岗科技大学的 A. Nabae 等人提出的6。该电路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,用一对串联箝位二极管和内侧开关管并联,其中心抽头和第三电平连接,实现中点箝位,形成所谓中点箝位变换器NPC-Neutral Point Clamped。在这个电路中,主功率开关关断时,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。1983 年,Bhagwat 等人在此基础上,将三电平电路推广到任意 N 电平,对NPC 电路及其统一结构作了进一步的研究7。这些工作为高压大功率变换器的研究提供了一条崭新的思路。八十年代

16、末,随着 GTO,IGBT等大功率可控器件容量等级的不断提高,以及以DSP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才有了迅猛的发展,不仅在电路拓扑、PWM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 DC-AC变换,如大功率电机驱动,拓展到电力系统无功补偿和柔性交流输变电,再到近期的高压直流输电8-10。现有的多电平功率变换拓扑主要有以下三种11-13:1二极管箝位型多电平逆变器;2飞跨电容型多电平逆变器;3级联型多电平逆变器;由这三种基本拓扑结构又派生出了很多拓扑结构,主要有以下两种:4混合型多电平逆变器;5通用型多电平逆变器。伴随着多电平逆变器的发展,其控

17、制策略也得到了迅猛的发展。多电平PWM 方法,受到了国内外学者的广泛关注,并取得了大量研究成果。在各种多电平 PWM 方法中,CPS-SPWM 方法因其基于 SPWM 原理,原理简单,实现相对容易,可实现多电平逆变器的阶梯波电压波形输出,有效降低电压变化率应力,减小输出电压的高次谐波含量。基于上述优点,对 H 桥级联型多电平逆变器的载波相移 SPWM 调制策略的实现进行研究具有一定的工程应用价值。1.2 多电平逆变器研究现状多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器,从电路拓扑结构入手,在得到高质量的输出波形的同时,克服两电平电路的诸多缺点:无需输出变压器和动态均压电路,开关频率低,因而开关器

18、件应力小,系统效率高,对电网污染少等。多电平逆变器的思想从提出至今,出现了很多拓扑,但归纳起来主要有三种:二极管箝位型,飞跨电容型,以及具有独立电源的级联型逆变器,他们具有共同的优点:1电平数越高,输出电压谐波含量越低;2器件开关频率低,开关损耗小;3器件应力小,无需动态均压。1.2.1 二极管箝位型多电平逆变器1977 年德国学者 Holtz 首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路,1980 年日本的 A Nabae 等人对其进行了发展,提出了二极管箱位式逆变电路。图 1-1 为单相二极管箱位逆变电路,它具有 2 个电容,能输出 3 电平的电压。Bhagwat 和 Stefa

19、novic 在 1983 年进一步将三电平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位,同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。对于 N 电平三相二极管箝位型电路,直流侧需 N-1 个电容,能输出 N 电平的相电压,线电压为2N-1电平。显然输出电平越多、其输出电压和输出电流的总谐波畸变率越小。二极管箝位结构的显著优点:就是利用二极管箝位解决了功率器件串联的均压问题,适于高电压场合。图 1-1 二极管箝位型三电平逆变器拓扑在图 1-1 中,通过两个串联的大电容 C1和 C2将直流母线电压分成三个电平,即E/2,0 和-E/2以两个电容的中点定义

20、为中性点。稍加分析就可以发现,不论在表 1-1 的哪一种工况,二极管 D1,D2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 S1,S2同为导通时,二极管 D2平衡了开关器件 S1,S2上的电压分配。若要得到更多电平数,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 2N-1个串联,每桥臂的箝位二极管数量改为N-1N-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。表 1-1 二极管箝位型三电平逆变器工况工况序号开关状态输出电平S1S2S3S4Uan11100E/220110030011-E/2由

21、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,du/dt 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:虽然开关器件被箝位在 E/N-1电压上,但是二极管却要承受不同倍数的 E/N-1反向耐压;如果使二极管的反向耐压与开关器件相同,则需要多管串联,当串联数目很大时,增加了实际系统实现的难度。当逆变器传输有功功率时,由于各个电容的充电时间不同,将形成不平衡的电容电压。综合上述分析,我们可以得到二极管钳位型多电平变换器拓

22、扑的优缺点如下:优点:电平数越多,输出电压谐波含量越少。阶梯波调制时,器件在基频下工作,开关损耗小,效率高。可控制无功功率流。背靠背连接的系统Back to back连接系统控制简单,实现能量双向流动,还可较好的平衡电容电压;于每相桥臂中间的开关管的导通时间远远大于两侧的开关管,因此,可以根据需要选择不同额定电流的功率元件,使成本进一步降低,提高功率元件的利用率。缺点:需要大量的钳位二极管。每个桥臂内外侧功率器件的导通时间不同,造成负荷不一致。存在直流分压电容电压不平衡问题。电位发生变化不仅影响输出效果,也使开关元件承受电压发生变化,因此必须采取一定措施保证其平衡。1.2.2 飞跨电容型多电平

23、逆变器1992 年,/.nard 和 H.Foch 提出了如图 1-2 所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路,其特点是用箝位电容代替图 1-1 中所述的箝位二极管,直流侧电容不变,其工作原理与二极管箝位型逆变器相似。若要输出更多的电平,须按照层叠接法进行扩展。因此也称为多单元层叠型逆变器Imbricated CellMulti-level Inverter。同样对于三相 N 电平逆变器可输出 N 电平相电压,2N-1电平的线电压。图 1-2 飞跨电容型三电平逆变器拓扑对于三电平电容箝位型拓扑,如图 1-2 所示,当 S1,S2同时导通时,UanE/2,而 S1,S2同时导通时,输出 Uan-E/2

24、。但是对于输出 Uan为 0 电平时,导通的开关既可以是 S1,S1,又可以是 S2,S2。这个电路的要点是维持箝位电容 C1的端电压等于 E/2;该电容器在 S1,S1闭合时充电,在S2,S2闭合时放电。适当地选取 0 电平的开关组合,C1上的充电和放电的电荷可以达到平衡。表 1-2 给出了二电平电容箝位型电路拓扑的常用工况。表 1-2 飞跨电容箝位型三电平逆变器工况工况序号开关状态输出电平S1S2S3S4Uan11100E/221010030011-E/2但由于该结构需要大量的箝位电容,对于 N 电平的逆变器,其所需的悬浮电容需要N-1N-2/2 个。而且在运行过程中必须严格控制悬浮电容电

25、压的平衡以保证逆变器的运行安全,而电容器件本身存在可靠性较差,寿命较短的问题,所以导致逆变器可靠性差。对于电容电压平衡的问题,可以在输出相同电平时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决,但因电容太多,如何选择开关组合将非常复杂,并要求较高的切换频率。因此,对于逆变器的控制算法要求太高。鉴于此,对于该拓扑的应用性研究,近年来已经相对较少。飞跨电容型逆变器相对于二极管箱位型逆变器,具有以下优点:1、优点:电平数越多,输出电压谐波含量越少。阶梯波调制时,器件在基频下开通关断,损耗小,效率高。可控无功和有功功率流,因而可用于高压直流输电和变频调速。大量的开关状态组合冗余,可用于电压平衡控制。2、缺点

26、:当变换器输出电平数很大时,需要的箱位电容数量大,封装困难,成本较高。用于纯无功负载时,存在飞跨电容电压的不平衡。功率变换电路控制困难,有功功率流量转换的开关频率和损耗较高。1.2.3 级联型多电平逆变器1975 年 P. Hammond 提出了多个 H 桥采用隔离的直流电源作输入,输出端串联的结构。田纳西大学的 F.Z.Peng 等人于 1996 年系统地提出了级联型 H 桥型变流器的拓扑结构,并用于无功补偿。级联型 H 桥逆变器由若干功率单元级联而成,每个单元有其独立的直流电源。其主电路拓扑结构如图 1-3 所示,该电路为单相 N 单元级联型逆变器,其输出波形所含电平数为 2N+1,所含电

27、平数越多,则谐波含量越低,开关所承受的电压应力越低。图 1-3 级联型逆变器拓扑为了利用低压开关器件获得多电平高压输出,二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器共同采用的办法是,将电力电子开关器件串联组成半桥式结构,用一个高压直流电源供电,并采用多个直流电容串联分压,采用二极管或电容,将主开关管上的电压箝位在一个直流电容电压上,来达到用低压开关器件实现高压输出的目的。但因此出现了直流电容分压的均压问题。这给多电平逆变器带来了麻烦,只能采用控制算法来解决这个问题。而级联型多电平逆变器,是采用具有独立直流电源的 H 桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式,它不存在直流电容分压的问题。因此也不存在

28、直流电容分压的均压问题,相对于箝位型多电平逆变器,在控制上简单了很多。同二极管箝位型逆变器及飞跨电容型逆变器相比,级联型逆变器不需要大量的箝位二极管或电容,也不存在中间直流电压中性点偏移问题;采用模块化安装,结构紧凑;而采用载波相移的控制策略,其计算量不会随着输出电平数的增多而变得更加复杂。总的来说,H 级联型逆变器有如下特点:1每相由多个 H 桥单元级联而成,逆变器输出相电压电平数 L 与单元级联数目 N 之间存在 L2N+1 的关系。由于各功率单元结构相同,易于模块化设计和封装;当某单元出现故障,可将其旁路,其余单元可继续运行,系统可靠性大大得到了提高;2直流侧采用独立电源供电,不需箝位器

29、件,也不存在电压均衡问题。若直流侧由三相不可控整流电路供电时,整流侧需要采用多抽头变压器,虽然增大了装置体积,但多重化整流减小了输入侧电流谐波;3按特定规律分别对每一单元进行 PWM 控制,各单元输出波形叠加即可得多电平输出,控制方法比箝位型电路对各桥臂的简单,也易于扩展。当然,级联 H 桥型变流器也有不足之处,主要就是在需要提供有功功率的场合必须采用独立直流电源。显然,在不需要提供有功功率的场合比如静止无功补偿器、电力有源滤波器APF等,级联型多电平变流器具有更大的优势。H 桥级联型多电平逆变器可应用于高压大功率场合,如柔性输变电场合、静态无功补偿场合、风力发电的功率变换场合,集成光伏发电的

30、功率变换场合、舰船推进场合、高速列车牵引场合、抽水蓄能等大功率驱动场合。在大功率驱动场合,发电厂大量使用的风机、泵类为高压电机,现多采用 H桥级联型多电平逆变器来变频调速,以达到 20%左右的节能效果。国内的哈尔滨九洲电气公司,北京利德华福,山东新风光,上海艾帕和上海科达等公司已经批量生产,并且在国内的发电厂、市政等行业具有良好的市场前景。级联型多电平变换器的特点如下:1、优点直流侧采用电压相同但相互独立的直流电源,不存在电压不均衡问题,也无需箱位二极管或箱位电容,易于实现PWM控制。整流侧通过移相变压器实现多重化叠加整流,输入功率因数高 0.95以上,谐波小,整机效率高96cy0以上,对电网

31、污染小。每个功率单元采用常规低压IGBT器件,结构相同,给模块化设计和制造带来方便,装配简单,系统可靠性高,易于维护。由于变压器副边绕组的独立性,使每个功率单元的主回路相对独立,类似常规低压变频器,便于采用现有的成熟技术。可实现的电平数较多。一般二极管或飞跨电容型结构,由于箱位二极管或箱位电容数目大以及控制复杂程度的限制,一般仅限于七或九电平以内。级联多电平结构无此限制,故可输出更多的电平与更高的电压,而不会增加主电路结构的复杂性,d卜刀t小,可减少对电缆和电机的绝缘损坏,电机不需要降额使用。串联的功率单元数目增加时,其控制方法不需做大的改变,控制简单可靠。其它的多电平拓扑结构,例如二极管箱位

32、型,随着电平数目增加,对于电容电压平衡问题,要进行深入的研究和控制。当某个功率模块损坏时,变频调速系统的主控系统通过检测确认哪一级模块损坏,可以整级将这级有故障的三相模块全部旁路掉,相应的系统减小输出功率,降额使用;也可采用特殊的控制手段,仅仅将故障模块旁路掉,仍然使输出电压对电机出线端三相对称。与其它两种结构相比,若要输出相电压产生相同的电平数,三种结构功率器件的数目相等,但由于没有箱位二极管或箱位电容,级联多电平结构所需的器件总数目最少,如表 1-3 所示。抗浪涌能力强。到达输入的任何雷电感应的浪涌都会由于变压器的阻抗而得到预期的限制,浪涌电流很容易被二极管整流器和大电容组吸收而不会到达功

33、率模块。表 1-3 多电平结构每相所需器件数目比较M电平逆变器类型二极管箱位型电容箱位型串联型主开关器件(M-1*2(M-1*2(M-1*2续流二极管(M-1*2(M-1*2(M-1*2续流二极管(M-1*M-200直流侧串联电容容(M-1(M-1(M-1*2箱箱位电容0(M-1*M-2/202、缺点需要很多分离的直流电压源,系统结构复杂。当采用三相交流通过不可控整流方式得到直流电源时,与电网的联接需采用曲折联接的移相变压器,使结构复杂,体积增大,成本增加。PWM电压源输出电压的快速跳变对电机首匝绝缘的冲击会因为电缆的加长而加重,长电缆的波反射会使跳变加倍。解决办法是:在针对每相电路的每一时刻

34、控制时只允许一个模块动作,这样只产生很小的跳变,即使发生反射加倍,对几千伏的绝缘来说,增加的冲击是可以忽略的。由于采用不可控整流桥,能量只能单向流动而不能回馈,逆变器无法四象限运行。表1-4三种多电平拓扑结构比较比较项目二极管钳位式飞跨电容钳位式级联式主要优点双向功率流动自动均压,双向功率流动无需均压,模块化设计,电平数多主要缺点电容均压复杂,存在电容电压不平衡问题体积大,系统成本高,封装复杂需要多个电流源,四象限运行困难直流电源一个高压直流电源一个高压直接电源多个彼此独立的直流电源钳位、吸收电路有钳位、吸收电路有钳位、吸收电路基本不用阻容吸收电路,无钳位电路主要应用场合中、高压变频调速和无功

35、补偿变频器高速列车牵引、有源滤波器1.3 多电平调制策略的研究现状多电平逆变器PWM控制技术是用一种参考波为正弦波的波形作为调制波,而以Pf频率调制比倍于调制波频率的三角波为载波,由于三角波的上下宽度式线性变化的,因此通过正弦调制波与三角波进行比较在正弦波大于三角波的部分就可以得到一组幅值相等,而宽度正比于正弦波的矩形脉冲序列来等效正弦波,用开关量取代模拟量,并通过逆变开关管的通断控制,把直流电能变换成多电平PWM交流电能。多电平逆变器的PWM控制法主要有两类:即载波调制法和空间电压矢量调制法。载波调制法又可以分为载波移相法、载波层叠法、开关频率优化PWM法、阶梯波EPWM法和分段载波层叠式P

36、WM法。在空间电压矢量调制法中又可以分为60度坐标系法、参考电压分解法和通用法等不同的实现途径和方法24。不同的PWM控制法适合于不同的主电路结构。空间电压矢量控制法适合于三五电平逆变器,五电平以上的多电平逆变器不适用空间电压矢量控制法,因为它电路非常复杂。对于五电平以上的多电平逆变器电路,更合适采用载波调制PWM控制法,它可以使电路大大简化。载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法,既可以用于二极管钳位式电路和飞跨电容钳位式电路,也可以应用于具有独立直流电源的级联式电路。而载波移相PWM控制法和开关频率优化PWM控制法,则适合于级联式多电平逆变器电路。另外,开关频率化PWM控制法适合用

37、于三相多电平逆变器;单相级联式多电平逆变器,用载波移相PWM控制法;三相级联式适合用载波移相与开关频率优化PWM控制法;而阶梯波EPWM控制法和消除特定谐波PWM控制法,适合于所有多电平逆变器25。1.4多电平逆变器输出波形控制策略的研究现状对逆变器的输出电压波形进行校正,是为了让校正后的系统满足逆变电源的各项性能指标。随着现代控制理论的发展和正弦逆变波形控制算法的深入研究,多种基于先进控制策略的逆变波形控制算法与控制方案已经应用在了多电平逆变器中。其中,每种控制策略的思路与出发点各不相同、控制特性不一且各有优缺点。但它们的目标都是为了保证逆变输出电压波形畸变小、谐波含量低。正弦逆变波形控制策

38、略研究是正弦逆变电源设计理论的重要组成部分,是实现系统优良动静态特性的重要手段26。在逆变器的多种控制策略中,重复控制技术能有效消除非线性负载和干扰引起的波形畸变;滑模变结构控制方法使系统运行于一种滑动模态,能保证系统的鲁棒性;模糊控制和神经网络控制等智能控制不依赖控制对象的数学模型,适应于非线性系统;无差拍控制能够瞬时控制电压,对负载有很强的适应能力,有输出总谐波畸变少,损耗少等优点;PID控制简单并具有好的可靠性,新型数字化PID控制更能取得满意的控制效果。鉴于以上控制策略各有优缺点,所以把其中两种或者几种控制策略结合运用在逆变器中成了近几年逆变器波形控制策略的研究热剧27-28。1.5

39、本文主要研究内容和结构编排基于载波电压移位 SPWM 调制策略的 H 桥级联型多电平逆变器,实现方法简单、易于扩展、便于模块化的设计,在高压大功率变频调速系统中得到越来越广泛的应用。因此,本文基于载波相移 SPWM 基本原理,对级联型单相十一电平以及级联型三相十一电平 H 桥逆变器进行系统仿真,并通过基于DSP+FPGA 构建的实验平台对三相十一电平级联型逆变器进行系统实验。本文主要包括以下几个方面:1深入分析载波相移 SPWM 调制策略及级联型多电平逆变器的基本原理,及其基于载波相移 SPWM 方法的控制机理;2基于 Matlab7.1/Simulink 仿真软件,建立级联型单相十一电平逆变

40、器和级联型三相十一电平逆变器的仿真模型,对载波相移 SPWM 调制策略的控制性能进行系统仿真分析;3在主要由 DSP+FPGA 搭建的实验平台上,对三相十一电平级联型逆变器进行系统实验,并得出相关结论,进而验证仿真结论的正确性与可行性。各章节研究内容如下:第一章 绪论。主要介绍了课题的背景和研究意义,并着重比较分析了几种多电平逆变器研究现状,以及目前较为常用几种的多电平调制策略。第二章 H 桥级联型多电平逆变器、载波电压相移 SPWM 调制策略。对 H 桥功率单元的工作机理进行详细分析,进而推导到多个 H 桥级联结构,并且扩展到三相 H 桥级联型多电平逆变器结构,并阐述了其运行机理。通过前文对

41、级联型多电平逆变器及其控制策略的理论研究以及谐波定义的相关知识,为后文的仿真和实验研究奠定了理论基础。第四章 基于电压移位调制策略的 H 桥级联型逆变器仿真研究。对单相十一电平以及三相十一电平联型逆变器的仿真与分析,深入地研究了在载波比为140、160、180,调制度为1、0.95、0.9等情况下下逆变器线电压、相电压的输出波形,并对得到的波形进行频谱分析。第五章论文的工作及展望。第2章 H 桥级联型多电平逆变器2.1 H 桥级联型多电平逆变器及其工作机理通过前面一章的叙述,可以得知,相对于二极管箝位型逆变器以及飞跨电容型逆变器而言,级联型多电平逆变器有其显著的优势,级联型逆变器不需要大量的箝

42、位二极管或电容,也不存在中间直流电压中性点偏移问题及均压问题,采用模块化安装,结构紧凑。本章将系统地介绍级联型多电平逆变器的基本原理。21 级联型逆变器作为多电平逆变器是出现的最早的一种。1975 年P.Hammond 提出了多个 H 桥采用隔离的直流电源作输入,输出端串联的结构,并申请了美国专利。1980 年,二极管箝位多电平结构中性点箝位结构才 出 现 。15二极管箝位结构在出现后得到迅猛的发展。后 来P.W.hammond,F.Z.Peng 等人发现级联型逆变器在电机驱动应用中的优越性,由于中等电压、高功率的需要,级联型逆变器在 90 年代后期才得到广泛流行。现在级联型逆变器广泛应用于高

43、电压的电机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等场合。级联型逆变器是一种有很好应用前景的多电平逆变器。除具有多电平逆变器的特点外,级联型逆变器具有模块化结构,适合大规模生产,可显著降低成本,对于产品市场化具有较大的意义。级联型逆变器在国内外的大功率变换领域已得到一定的应用,在国内外也引起越来越多学者的重视,因此对级联型逆变器作进一步的研究,具有重要的理论及实际意义。13本节主要阐述级联型逆变器的基本结构以及基本工作原理。本节的研究工作对级联型逆变器实用化具有比较重要的理论和实际意义。2.2 H 桥功率单元工作机理图 2-1 所示为级联型 H 桥逆变器的单元结构,称之为单个 H 桥单元。其输入为

44、直流电压源 E,通过 4 个带反并联二极管并联的 IGBTV1-V4输出 Uab的交流电压。图2-1 单个 H 桥单元通过控制 H 桥臂上的 V1-V4的导通与关断,可使 H 桥单元输出所需要的电压和频率。由图 2-1 可以看出,单个 H 桥单元的输出电压 Uab与四个开关 V1-V4的开关状态有关。图 2-2 所示为该单个 H 桥单元输出三电平方式的输出波形示意图。从该示意图中可以看出,其输出电平包括 E,0,-E。a 三电平b 两电平图2-2 单个 H 桥工作方式其中每个功率器件所施加的驱动信号如表 2-1 所示。由于逆变器有四个IGBT,而每个 IGBT 有两个工作状态,在同桥臂的两个

45、IGBT 不同时导通的情况下,共有224种输出状态,对应三个电平。表2-1 单个 H 桥单元输出三电平驱动信号表UabV1V2V3V4+E10010110000011-E0110图 2-2 所示为该单个 H 桥单元输出两电平方式的输出波形示意图。输出电平包括 E,-E。其中每个功率器件上所施加的驱动信号如表 2-2 所示。可见在在逆变电路同一桥臂上的两个 IGBT 不同时导通的情况下,V1和 V4,V2和 V3同时通断可输出两电平。表2-2 单个 H 桥单元输出三电平驱动信号表UabV1V2V3V4+E1001-E01102.3 H 桥级联拓扑结构级联型多电平逆变器是由若干个基本逆变单元单个

46、H 桥逆变器通过串联连接而形成的单相或三相逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波,通过输出波形的叠加合成,形成更多电平台阶的阶梯波,以逼近逆变器的正弦输出电压。其中每个基本逆变单元单个 H 桥逆变器结构可以相同,也可以不同,结构相同时称之为相同单元级联型多电平逆变器,不同时称之为混合单元级联型多电平逆变器22-24。本文所研究对象为相同单元级联型逆变器,每个单元均为基本 H 桥电路。如图 2-3、2-4 所示为级联型多电平逆变器拓扑结构。各个 H 桥逆变器具有相同的结构,一个 H 桥逆变器由直流输入电压源和一个单相输出 H 桥逆变器由四个功率开关管组成构成。H 桥逆变器输入端为恒定的直流电

47、压源,通过控制 H 桥逆变器的四个功率开关管,输出端可以输出幅值和频率可控的逆变电压,各个 H 桥逆变器输出端串联,即可获得高电压输出,可用于高压电动机等高压负载。一个 H 桥基本单元可输出三电平,对于 N 单元级联的情况,可以输出 2N+1 电平。图2-3 单相级联型多电平逆变器拓扑图2-4 三相级联型多电平逆变器拓扑对于三相级联型 H 桥逆变器而言,其每一相结构与单相级联型结构相同,采用星型或三角形连接,直流侧为直流电源,输出三相相电压以及线电压,拓扑结构如图 2-4 所示。2.4 H 桥级联型逆变器工作机理级联型逆变器的构成以及基本原理已于前文有所叙述,本节主要进行系统的阐述其具体工作原

48、理。通过前文叙述可知,级联型逆变器由多个基本模块单元串联组成,每个模块单元为基本 H桥逆变器,通过级联达到输出多电平的目的,最大限度地消除谐波的影响。17由于本文主要设计五电平级联型逆变器的工作,这里只讨论两个H桥级联的情况。对于 N个H 桥级联的情况,只需把 2改为N即可。对于 2 个 H 桥级联的逆变器,逆变器输出电压等于各单个 H 桥输出电压的叠加,当单个 H 桥单元工作在三电平方式下,该级联型逆变器含两个H 桥单元,输出电压为:(2-1中,Uab为该级联型逆变器两个 H 桥单元输出的总电压,Uabii1,2为各单个 H 桥单元的输出电压。从前述单个 H 桥的工作原理中,可知当单个 H

49、桥工作在三电平方式的情况下,可以输出三个电平:+E,0,-E。式2-1中 Uabii1,2可取三种电平中的任意一种,从而得知,输出电压的最大值 Uab和最小值 Uabmin分别为:2-22-3结合式2-2及2-3可以计算出该级联型逆变器可实现的最大电平数:2-4对于三相系统,可以有星型和三角型两种连接方式,三角形连接中由于相电压等于线电压,其分析结果与上述单相的分析结果相同。对于星型连接的三相系统而言,线电压为两相电压的差值,等效为 2N 个单个 H 桥单元输出电压的叠加,类比上面的结果可以得到五电平逆变器线电压电平数的以下结论:2-5同理,对于 N 单元级联型逆变器而言,输出相电压电平数为:

50、2-6输出线电压电平数为:2-7当单个 H 桥单元输出两电平,输出电平中没有“0”电平,两个基本 H桥单元输出电平数为: 2-8对于 N 电平逆变器输出相电压电平数为: 2-9相电压输出电平数为: 2-10对于级联型高压变频系统中级联工作的各个 H 桥单元如图 7 所示,有几点需要注意:1同一桥臂的两个 IGBT 不能同时导通如 V1和 V3,V2和 V4不能同时导通,否则会发生直流侧短路,造成 IGBT 器件或交流侧烧毁。2在三电平工作方式时,对于同一输出电压可有不同开关状态,如V11,V21,输出电压为 0;V31,V41,输出电压也为 0。因此,在对于H 桥单元的控制上要使某项控制效果最

51、佳,如 IGBT 的开关频率最低。3当负载为感性负载时,在开关器件开关状态发生变化时,负载电流不能突变,二级管起续流作用,此时,反馈的能量暂存在直流侧电容器中。积聚在电容上的能量越多,电压就越高,当电压高过一定值时,将导致二极管、IGBT 或电容的损坏,因此需要设置过压保护电路25。2.5 多电平调制策略的研究现状PWM 技术是一种多脉冲调制技术,它是利用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,以实现抑制谐波及变频、变压之目的14。SPWMSinusoidal Pulse Width Modulation技术,是指调制信号正弦化的PWM 技术。由于其具有开关频率固定、输出

52、电压只含有固定频率的高次谐波分量、滤波器设计简单等一系列优点,SPWM 技术成为目前应用最为广泛的逆变用 PWM 技术。多电平逆变器的 PWM 控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术,它是与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的,因为它不仅决定多电平逆变器的实现与否,而且,对多电平逆变器的电压输出波形质量,系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。多电平逆变器功能的实现,不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础,还要有相应的 PWM 控制方式作为保障,才能保证系统高性能和高效率的运行。在过去的近二十年里,大量的多电平逆变器 PWM 控制方法被提出,它们基本上都发源于业己成熟的两电平PWM 技术,归纳起来可以分为以下几大类:多电平阶梯波调制,多电平开关点预制 PWM 法,多电平载波 PWM 技术,多电平空间矢量 PWM 技术。2.5.1 阶梯波调制策略阶梯波调制策略的目的是用阶梯波来逼近正弦波。其典型输出波形如图2-5 所示。显然,输出电压电平台阶的产生,实际上是对作为模拟信号的参考电压的一个量化逼近过程,这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求,所以可以用低开