三电平逆变器SVPWM方法仿真

湖南大学硕士学位论文三电平逆变器SVPWM方法的分析与研究姓名：金永顺申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：欧阳红林20070508三电平逆变器SVPWM方法的分析与研究II摘要多电平逆变器适合大容量、高压的场合，得到了越来越多的应用。在多电平逆变器的多种控制策略中，空间矢量调制（SVPWM）算法具有调制比大、能够优化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为人们关注的热点。本文对三电平逆变器SVPWM调制手段进行了全面系统的深入研究，重点研究了如何实现三电平逆变器中的SVPWM调制，同时本文对三电平逆变器中点电位平衡的问题也进行了详细的研究。文中通过对三电平逆变器拓扑结构的分析，阐述了三电平逆变器的运行机理。为了对三电平逆变器矢量调制技术进行全面的分析，本文首先从两电平SVPWM调制策略入手介绍了SVPWM调制的基本原理。然后分析了SVPWM控制策略在三电平逆变器的应用。为了实现方便三电平逆变器的空间矢量调制，本文提出了两种判断参考矢量位置的办法，并介绍了输出矢量作用时间的计算方法。在减小开关器件损耗方面，本文介绍了一种减小开关损耗的电压矢量作用顺序。同时也介绍了一种以牺牲开关损耗平衡中点电位的双极性调制策略。该调制策略通过利用冗余的小矢量和零矢量能让逆变器输出更好的电压波形并能更好的平衡中点电位。由于中点电位的不平衡是钳位式三电平逆变器运行过程中比较严重的问题，本文对此作了详细的研究。分析了大、中、小矢量对中点电位的影响，发现了哪些矢量能够影响中点电位的波动，并得出通过对成对小矢量的作用时间分配能够控制中点电位的结论。本文提出了几种能够抑止中点电位漂移的方法。昀后为了验证分析的正确性，构建了一个利用三电平逆变器控制异步电机的模型。通过对系统的仿真，验证了算法的可靠性。关键词:多电平逆变器；二极管钳位；三电平逆变器；空间矢量调制；中点电压平衡；硕士学位论文IIIAbstractMultilevelconvertershavebeenwidelyusedinhigh-voltageandhigh-powerapplicationfields.Amongmanyofitsmodulationstrategies,SpaceVectorModulation(SVM)hasbeenoneofthemostpopularresearchpoints.Themainadvantagesofthestrategyarethefollowing:itprovideslargerundermodulationrangeandofferssignificantflexibilitytooptimizeswitchingwaveforms；itiswellsuitedforimplementationonadigitalcomputer；ithashigherDCvoltageutilizationratio.TheprincipleofthreelevelvoltagespacevectorPWMisdeeplystudied.ThemainpointinthisarticleishowtousespacevectorPWMtechniqueinthreelevelinverter.Atmeantime,thereasonofunbalancinginneutral-pointpotentialfluctuationisinvestigated.Thispaperhaveresearchedthetopologyofthreelevelinverter,anddiscussedtheprincipleofthethreelevelinverter.Thisarticlediscusssvpwmstrategyusedintwolevelinverter.ForusingSVPWMinthreelevelinverter,thispaperproposetwowayofjudgingtheplaceofreferencevector,andthenintroducethewayofcomputingthetimeofmodulation.thispaperintroducesapproachthatcanreduceswitchingloss.Atthesametime,ThearticleproposesanovelSVPWMstrategyforthethree-levelneutral-point-clampedvoltagesourceinverter,basedontheparticulardispositionofalltheredundantvoltagevectors．Thenewmodulationapproachshowssuperiorperformancefortheharmonicvoltageandthecontrolofneutral-pointpotential.Themainfactorwhichinfluencesneutralpointvoltagebalanceofthreelevelinverterisdeeplystudied.Hencesomewayofbalancingtheneutral-pointvoltageareproposed.AtlastwesimulatetheSVPWMmodulatingmeansofthree-levelinvertersbyMATLAB,andprovethecorrectionofmodulatingmean.Keywords:MultilevelInverterDiode-Clamped;Three-LevelInverter;SpaceVectorModulation;Neutral-pointvoltagebalancing硕士学位论文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：日期：年月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□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日√硕士学位论文1第1章绪论1.1引言多少年来，人们都在孜孜不倦地研究电的任意变换，随着工业革命步伐的持续加快，人们更想利用电子技术将固定频率的交流电变换为任意频率的交流电，从而可以满足机器设备的不同需要。很长时间来，由于电力电子器件的发展跟不上人们的需求，使得固定频率的交流电的使用受到了一些限制。近年来，随着电工领域各种技术的全面发展，人们对电力电子装置的高压、大功率和高频化的要求越来越强烈，人们希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级，例如，电力系统中以高压直流输电(HVDC)、静态无功补偿(STATCOM)等为代表的柔性交流输电技术(FACTS)，以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置。在传统的两电平变换器的大功率运用中存在许多问题: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。多电平变换器也就是在这种背景下成为高压大功率变换研究的热点。1.2多电平逆变器的研究现状及发展前景多电平逆变器是在1981年由Nabae等人提出的“中点钳位PWM逆变器(Neutral-Point-ClampedPWMInverter,NPC-PWM)”的基础上发展起来的，其后在高压大功率变频调速器方面得到了广泛的应用。尽管Nabae未明确提出多电平逆变器的概念，但该逆变器本身就是二极管钳位三电平逆变器的雏形。多电平逆变器的一般结构是有几个电平台阶成阶梯波以逼近正弦输出电压。在过去两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件的开关特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低，使这种方案非常麻烦甚至很难实现。许多情况下也采用交一直一交变频方式，在这种方式中，或是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采用低压变换器。很明显，以上两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现中间环节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件提出了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力，因此，人们提出了一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降压三电平逆变器SVPWM方法的分析与研究2变压器，又无须均压电路的多电平变换器。多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统逆变器较高的dv/dt，di/dt所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善输出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角度，它更适合于大功率场合。多电平逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，且无需均压电路，开关器件在输出电压基频以下，其开关损耗小，可避免大的dv/dt所导致的各种问题。尤其是八十年代以来，以GTO、IGBT为代表的第三代电力电子器件，以及以DSP为代表的智能控制新片的迅速普及，为这种新型多电平变换器的研究和实际应用提供了必要的物质基础。基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路已进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少。但这种理论上可达到任意N电平的多电平逆变器，在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下，并不追求过高的电平数，而以三电平昀为实际。国外也有对七电平及更高电平的研究，但都还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。目前三电平逆变器的主要控制方法有消谐波PWM法，开关频率昀优PWM法和空间矢量PWM法等。控制方法的研究是三电平逆变器研究的一个热点问题。国外多电平逆变器己经有了成品出现，如ABB公司的高压大容量变频器就是采用IGCT中点钳位电压型三电平逆变器，昀高输出电压可将近400KV。又如巴西伊泰普HVDCT工程运行电压昀高为600KV，输送功率为3180OMW，线路长800KM，它代表了当今HVDCT水平、鉴于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡，发展HVDCT显得非常重要。我国变频器总的潜在市场应为1200-1800亿元，其中常压变频器约占市场份额的60%左右，中、高压变频器需求数量相对比较少，但由于单台变频器功率大、售价高，应占市场的40%左右在多电平方面，国内己有几家推出采用基于1.2KV～1.8KV的IGBT器件单元串联单相桥式主电路结构的高压变频装置，这种主电路结构由于器件多而复杂，信号调制困难使得整体可靠性比较差，其输出功率也不高。总体来说，多电平变换技术(尤其是三电平)，在国外尽管存在一些尚未完善的地方，但是三电平逆变器不仅能应用于大功率高输入电压的逆变场合，而且能应用子如静止无功补偿、电力有源滤波