飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真

天津大学2013届本科生毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书题目：飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真学生姓名李向阳学院名称电气与自动化工程学院专业电气工程及其自动化学号3009203142指导教师张云职称讲师天津大学2013届本科生毕业设计（论文）一、原始依据工作基础：多电平逆变器具有器件电压应力低、输出波形总谐波畸变低、系统电磁干扰小、损耗小输出电压等级高、传输功率大等优点，因而在并网发电、新能源、燃料电池、交流电机调速、大功率电机驱动等领域应用广泛。当功率单元结构不对称时，就构成了非对称多电平逆变器。飞跨电容型多电平逆变器的钳位器件数量是二极管钳位型的一半，又无级联型所必须的多路直流输入电源，因此具有很高的研究意义。研究条件：相关的参考书、电子文档资料若干，计算机一台，Matlab仿真软件。工作目的：本课题研究的目的是针对非对称五电平逆变器，采用飞跨电容型拓扑结构，并研究其运行特性。利用Matlab仿真软件，建立仿真模型。二、参考文献[1]王兆安，刘进军，杨旭，卓放，裴云庆，王跃，等．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2009[2]王成智，邹云屏，金红元，张允，丁凯．.新型五电平逆变器及其控制研究．通信电源技术，2005．4[3]刘凤君，等．现代逆变技术及应用．北京：电子工业出版社，2006[4]王鸿雁，王小峰，张超，邓焰，何湘宁．飞跨电容多电平逆变器的新型载波PWM方法．电工技术学报，2006．2[5]蔡兴．多电平逆变器技术及其原理综述．南昌高专学报，2011．10[6]刘苗，洪峰，王成华．飞跨电容型双降压五电平逆变器．中国电机工程学报，2012．4[7]张元媛，阮新波．多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略．中国电机工程学报，2004.8[8]张云,孙力,王要强.非对称混合多电平逆变器功率均衡方法.中国电机工程学报，2010．6[9]丛望，张爱民．五电平逆变器仿真及控制研究．船电技术，2009．5[10]曲学基，曲敬铠，于明扬，等．逆变技术基础与应用．北京：电子工业出版社，2007[11]刘凤君，等．多电平逆变技术及其应用．北京：机械工业出版社，2007[12]刘凤君，等．环保节能型H桥SPWM直流电源式逆变器．北京：电子工业出版社，2010[13]陈道炼，等．DC-AC逆变技术及其应用．北京：机械工业出版社，2003[14]张云，孙力，吴凤江，孙奎．电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制．中国电机工程学报，2009．7[15]彭方正，钱照明，罗吉盖斯，赖泽生，等．现代多电平逆变器的控制策略．变流技术与电力中国，2006．4[16]B.ShanthiandS.P.Natarajan.ComparativeStudyonUnipolarMulticarrierPWMStrategiesforFiveLevelFlyingCapacitorInverter,INTERNATIONALCONFERENCEON天津大学2013届本科生毕业设计（论文）“CONTROL,AUTOMATION,COMMUNICATIONANDENERGYCONSERVATION-2009,4th-6thJune2009[17]刘苗，洪峰，王成华．五电平飞跨电容型双降压逆变器．电工技术学报，2011．5[18]张云，孙建涛．非对称H桥五电平逆变器及其通用调制策略．变频器世界，2010．9[19]洪峰，刘苗，嵇保健，王成华．一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法．中国电机工程学报，2012．2三、设计内容和要求1、研究内容：分析非对称五电平逆变器的工作机理，采用飞跨电容型拓扑结构，建立仿真系统，实现飞跨电容型非对称五电平逆变器运行,并记录和分析其运行特性。2、要求：1)能够正确地运用电力电子技术的基本原理，对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；2)能够运用Matlab软件对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行仿真，并分析性能；3)充分查阅参考资料，能够总结出所研究课题的应用背景和方法手段；4)毕业论文主题明确，内容正确；5)各种文档齐全；6)毕业论文格式符合学校统一要求；7)翻译选题与论文关系密切，翻译正确。指导教师（签字）年月日审题小组组长（签字）年月日天津大学2013届本科生毕业设计（论文）天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真学院名称电气与自动化工程学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名李向阳指导教师张云一、课题的来源及意义逆变器是一种用来将输入直流电转换成输出的交流电的电源设备[1,2],由于在节能、可靠性和性能指标等方面的巨大优势,使得它越来越多地被人们应用在静止同步补偿器(STATCOM)和综合潮流控制器(UPFC)、不间断电源(UPS)以及各种电机的调速系统中[3-6]。而为了解决最初两电平逆变器的受开关管功率和耐压的限制而导致的不宜实现高压大功率输出的缺点[7-9]，多电平逆变器开始在直流输电、无功补偿、电力有源滤波和高电压大功率等场合得到了越来越广泛的重视和研究[10-16]，多电平逆变电路拓扑结构能够保证输出较为理想的正弦电压波形[17]，而五电平逆变器是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路。为了更好地利用这项技术，许多研究人员提出了一些在拓扑的研究方面的改进：改进的主要方向是减少器件使用数量[18]，并解决电容电压的不平衡等问题。同时为更易于向多电平拓展[19]，也使均压控制策略更容易，飞跨电容型逆变器则获得了更多的关注。飞跨电容型非对称五电平逆变器也成为了国际上的研究热点，其运行特性也让研究者倾力研究。二、国内外发展状况在上世纪八十年代，随着电力系统中直流输电、无功补偿、电力有源滤波等发展的需要和高电压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及上世纪七十年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的各国对节能技术和环保技术的广泛关注，逆变器向多电平拓展的呼声和研究也越来越多。1962年，阿波罗登月指令舱应用了使输出电压的电平数大于或等于三的逆变技术。1964年，根据A.Kernick提出的谐波消去原理，并仿照阿波罗登月指令舱逆变器电路，用8个晶体管单相全桥逆变器和一个输出变压器研制出了三相多电平逆变器。然而，那些并不是真正意义上的多电平逆变器，那只是两电平全桥逆变器通过输出变压器进行移相多重叠加得到的输出电压，仍然是两电平逆变器。1977年，德国学者Holtz提出了开关管辅助钳位式三电平逆变器，但是这种逆变器却无法向更多电平拓展，因此也算不上真正的多电平逆变器。1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Nabae）等人提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。这才标志着进入了多电平逆变器的研发新阶段。1983年，P.M.Bhagwat天津大学2013届本科生毕业设计（论文）等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。1999年，XiaomingYuan提出了二极管自钳位式多电平逆变器。1988年，M.Marchesoni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。2000年，FangZ.Peng提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。同年，M.D.Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变单元串联式多电平逆变器。自1992年提出飞跨电容型多电平逆变器的概念后，飞跨电容型多电平逆变器在二十年来得到了飞速发展。对其运行特性的研究也越来越深。作为其中的典型，飞跨电容型五电平逆变器更是研究的重点。根据功率单元是否对称又可以分为对称和非对称两种结构。作为一般对称的补充，飞跨电容型非对称五电平逆变器也在电力系统中有着重要作用。作为逆变器，输出电压或电流一直是逆变器研究关注的一个重点，其中脉宽调制技术尤其重要，对于飞跨电容型非对称五电平逆变器，通常所用的调制技术是SPWM技术；同时，由于开关器件功率的限制，往往还要采用多重叠加法来解决。三、课题研究目标以五电平逆变器为研究对象，采用飞跨电容型非对称拓扑结构，应用Matlab建立模型进行仿真，认真观察其运行特性并根据所得结果分析并找出影响其运行特性的各种因素并提出相应的优化措施。四、课题研究内容1、通过查阅和学习，在原有的专业知识基础上，理解五电平逆变器,掌握Matlab的使用方法，熟悉飞跨电容型多电平逆变器的主电路结构；2、以主电路的拓扑结构图为基础，学习飞跨电容型非对称五电平逆变器各部分元件在整个电路中的作用，在Matlab中进行仿真；3、能够正确地运用电力电子技术的基本原理，对电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；4、能够通过Matlab仿真软件的仿真结果总结出其运行特性，并通过仿真找出影响运行特性的因素；5、能够通过仿真和平时的专业知识提出简单的优化措施。五、研究方法、手段1、本课题的内容有仿真，因此需要熟练掌握Matlab的使用方法；2、根据各种参考资料和所学专业知识的多电平逆变器工作原理和电路结构，对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；3、应用Matlab仿真软件对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行仿真，分析运行特性，并分析其影响因素；天津大学2013届本科生毕业设计（论文）六、论文进度安度1、2012.12.20-2013.2.28熟悉研究课题，查阅相关资料、书籍；2、2013.3.1-2013.3.7完成开题报告，任务书，英文翻译，并通过批准；3、2013.3.7-2013.3.10根据课题要求，复习电力电子教科书的“DC-AC逆变换器”、“PWM控制技术”章节，掌握传统的三相逆变器(教科书上的)的运行原理、PWM控制技术；4、2013.3.11-2013.3.14学习matlab/simulink仿真软件，并将对教科书中的三相逆变器接RL三相Y型负载进行仿真，并分析相电压、线电压，线电流的波形，写成报告；5、2013.3.15-2013.4.30将各部分原理联系在一起，形成整体系统，了解其工作原理和功能，并在研究过程中完成论文，得出结论；6、2013.5.1-2013.5.31给所研究系统建立数学模型并用Matlab仿真，完善论文内容；7、2013.6.1-2013.6.20进行总结，撰写毕业论文，准备论文答辩。七、可行性分析多电平逆变器工作原理可以已知，飞跨电容型非对称逆变器拓扑结构已经掌握，Matlab仿真软件可以完全模拟其电路结构并得出相应运行结果。八、已具备的实验条件Matlab仿真软件等。参考文献[1]王兆安，刘进军，杨旭，卓放，裴云庆，王跃，等．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2009[2]王成智，邹云屏，金红元，张允，丁凯．新型五电平逆变器及其控制研究．通信电源技术，2005．4[3]刘凤君，等．现代逆变技术及应用．北京：电子工业出版社，2006[4]王鸿雁，王小峰，张超，邓焰，何湘宁．飞跨电容多电平逆变器的新型载波PWM方法．电工技术学报，2006．2[5]蔡兴．多电平逆变器技术及其原理综述．南昌高专学报，2011．10[6]刘苗，洪峰，王成华．飞跨电容型双降压五电平逆变器．中国电机工程学报，2012．4[7]张元媛，阮新波．多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略．中国电机工程学报，2004．8[8]张云，孙力，王要强．非对称混合多电平逆变器功率均衡方法．中国电机工程学报，2010．6[9]丛望，张爱民．五电平逆变器仿真及控制研究．船电技术，2009．5[10]曲学基，曲敬铠，于明扬，等．逆变技术基础与应用．北京：电子工业出版社，2007[11]刘凤君，等．多电平逆变技术及其应用．北京：机械工业出版社，2007天津大学2013届本科生毕业设计（论文）[12]刘凤君，等．环保节能型H桥SPWM直流电源式逆变器．北京：电子工业出版社，2010[13]陈道炼，等．DC-AC逆变技术及其应用．北京：机械工业出版社，2003[14]张云，孙力，吴凤江，孙奎．电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制．中国电机工程学报，20