基于三电平逆变器的永磁同步电机控制策略研究.docx

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1、1.C1.滤波的三电平逆变器摘要多电平逆变器已经被应用于越来越多的大功率电能变换场合，如果在逆变器并入电网使用前，其输出端缺乏理想的控制策略和滤波器滤波，那么不仅在并网的过程中，开关器件容易被谐波破坏，而且其输出电流注入电网后会造成谐波污染，优越的并网控制策略和输出滤波器的参数设计是本课题的主要核心。本课题旨在深入探讨三电平并网逆变器的发展历程，并从多个角度分析其拓扑结构、PWM控制策略的优势与不足，为三电平并网逆变器的应用提供有效的参考。在仿真中搭建SVPWM模块和并网模块，通过仿真波形验证该控制系统的可行性。最后在进行总体硬件设计的滤波电路部分。关键词：三电平逆变器；并网；空间电压矢量控制

2、策略(SVPWM)；1.C1.滤波器;MAT1.AB仿真第一章绪论1.1 课题研究背景及意义现如今能源对于人类社会已经越来越重要了，而传统的能源在不知节制的开采使用中已经趋于匮乏，电能作为当今最不可或缺的能源，整个社会的运行几乎离不开电能。为了使电能可以最大化为我们服务，电力电子技术的出现使得电能的使用到达一个新门槛，利用新兴技术将固定频率的工业交流电通过电力电子装置转变成任意频率的交流电，供电气设备使用，但由于电力电子器件性能突破跟不上人们的需求，对于一些大功率、高压场合的电能变换一直受到限制。为了进一步提高电能的利用率以及进一步解决电能质量问题，多电平逆变器是一种值得深入研究的道路。1.2

3、 国内外发展现状1.2.1 并网逆变器发展现状自从晶体管问世之后，电力电子技术的发展就开始快马加鞭，逆变技术也成为当今电力电子研究的热点。自从结合了GTR和MOSFET两种晶体管优点的IGBT问世后，因其优越的耐压能力和开关频率被广泛用于逆变器中作开关管使用,这样也使得逆变器的效率获得提升，这让致力于让逆变器造福社会的各国科学家看到了方向。经过多年各国学者的研究，现如今，不仅电力电子器件的发展使得逆变器性能进一步提升，各种控制理论的优化也促使逆变器的控制策略变得更加优越更加完善，种种这些进步，都使得并网逆变器走向高频化、高实用化、低成本化。1.2.2 三电平技术发展现状随着技术的不断发展，逆变

4、器已经从最早的两电平变换器，发展到三电平甚至多电平变换器。传统两电平逆变器，输出只有两个电平，输出电压谐波畸变率稍大，需要更大的滤波电感来进行谐波滤除4。在一些特定高电压等级的电气场合，传统的两电平逆变器因为受其开关管耐高压性能限制，无法被很好的应用，需求无法被满足。在这种背景下，如何实现低耐压功率器件去应用于高压场合成为了当时的研究热点，多电平技术也在这种背景下诞生，这种新颖的逆变器主电路拓扑结构，通过增加半导体开关数量，减小开关电应力和EMI干扰，完成了低耐压器件在高压场合应用的突破5。三电平逆变器所具有的优点是一般二电平逆变器所不具备的：（1）因其输出不两电平多出两个电平，其组成的PWM

5、更加平滑，与正弦波更为接近，所含纹波亦比较二电平少；（2）三电平逆变器与二电平逆变器相比，在正常工作中，其开关管仅承受一半的电应力，同时也提升了系统可靠性；（3）三电平的结构使开关管的开关损耗也更加小，从而使系统也具有更高的运行效率。Uo在多电平技术的长期发展中，因追求其更完美的性能而产生了许多不同的拓扑结构。如今普遍被应用于各种实际工程的拓扑有三种6：(1)二极管箝位型逆变器(Diode-ClampedIiiverter);(2)飞跨电容箝位型逆变器(Flying-CaPaCitorInVerter)；具有独立直流电源的级联型逆变器(CaSCaded-InVerterWithSeParate

6、dDCSoUrCeS)。(1)二极管箝位型逆变器iode-Clampedlnverter)二极管钳位型拓扑也称作NPC型拓扑，它是通过二极管连接到直流侧中性点来对每相的输出电压进行钳位的。如果不考虑死区时间，每相上桥臂的1、2管分别与下桥臂的3、4管形成互补。我们可以看出该拓扑的器件成一字型排列，所以每个开关器件的损耗是比较均匀的，应力也比较低。图1.3二极管钳位型逆变器拓扑图该拓扑有以下优点：(I)开关管的损耗比较均匀，器件承受的开关电应力比较低；(11)电平数多，输出可以更逼近标准正弦波形，谐波更少，电能质量更高;(III)逆变器开关动作一次的dv/dt远小于两电平；该拓扑也有一些不足：(

7、I)需要更多的开关器件，拓扑需要大量二极管，使整个电路的复杂程度和成本增加；（三）存在中点点位不平衡的问题。(2)飞跨电容箝位型逆变器(FIying-CaPaCitOrInVerter)通过对NPC型逆变器的拓扑结构的重新设计，我们把原本的钳位二极管替换为了更加稳定的电容，从而实现相同的性能，同时也改进了需要大量二极管的缺图1.4飞跨电容箝位型逆变器拓扑图该拓扑的优点：(I)中点电压不平衡的问题得以解决；(Il)可以实现更多的开关状态组合，更容易平衡开关器件的导通时间；它也存在一些不可忽略的缺点：(I)拓步存在数量较多的钳位电容，逆变器体积和成本有所增加；(II)随着钳位电容的频率增加，电容的

8、寿命和可靠性也会降低；(III)利用电容取代二极管提高电压合成的灵活性，使得调制策略也变得更复杂，在一定程度上也增加了开关装置的损耗。(3)具有独立直流电源的级联型逆变器(CaSCaded-InVerterWithSeParatedDCSOurces)级联型拓扑结构在多电平拓扑中最早诞生，该逆变器的拓扑通过多个桥式逆变器串联形成，原理是基于移相串联叠加输出技术实现，根据图1.6可以发现级联型逆变器的结构十分清晰明确，每个部分都有一个单独的直流源，相互独立,因此不需要考虑分压。O图1.5具有独立直流电源的级联型逆变器拓扑图级联式逆变器的优点有：(I)能根据实际需求实N电平输出；(II)易于维护和

9、升级；它的缺点有：(I)需要多个直流源，目前只能应用于低压逆变中；(II)成本较高。1.2 .31.C1.滤波器发展现状近年来电力电子装置的普及使用而产生的谐波危害对电网的稳定运行和继电保护的正确动作带来巨大的影响，谐波含量不符合规定的电流是不允许并入电网的，下表规定了并网电流谐波含量的要求：表1.1并网电流谐波分量上限谐波次数h(奇次谐波)hllllh1717h2323h3535h总谐波畸变率占额定并网电流的比例4.02.01.50.60.35.0现在的并网逆变器控制策略大多是高频PWM控制技术，系统的输出电流会因为开关器件高频率动作含有大量高次谐波，如果不消除这些有害谐波直接把电流接入电网

10、显然不符合并网电能质量标准。如果既要满足逆变器高频化又要解决输出谐波含量的问题，设计出理想的输出滤波器是目前最主流的解决办法。传统的并网滤波器有1.滤波器，其结构如下图，1.型滤波器构成非常简单，对于低次谐波的具有可观的滤波作用，但是在高频端滤波性能有所不足，无法将电流中的谐波滤除到理想的含量。1.型滤波器想要提高滤波效果，就不得不增加其电感值，这样不仅使电感体积成本增大，也会对电网带来很多不稳定的因素。图1.61.型滤波器为了突破1.型滤波器的瓶颈，1.C1.滤波器的概念在1995年被首次提出，1.C1.型滤波器可以有效提高滤波器在高频段的衰减特性，又能保持低频段良好的增益特性，使得输出电流

11、质量得到进一步提升。它的结构如图1.8所示，通过一个逆变侧电感、支路电容和一个电网侧电感构成。1.C1.滤波器仅凭1.滤波器的一半总感量即可达到相同的滤波效果，能显著减少设备体积和成本。但是通过计算可以发现1.C1.滤波器的传递函数是一个三阶传递函数，它的系统控制复杂程度也比传统1.滤波器大，参数设计难度也很大，因此如何调制控制策略和优化参数设计成为研究1.C1.滤波器的重中之重。文献中分步对滤波器参数设置最优条件，建立不等式求解可以得到效果优良的参数。图1.71.C1.型滤波器1.3 本文的主要研究内容1.基于NPC型三电平逆变器，将其等效为理想单刀三掷开关模型，设计开关函数模型，方便后续分

12、析；2 .对比研究三电平逆变器的几种主要调制技术；3 .搭建空间矢量PWM控制算法的模型，利用详细的计算推导SVPWM算法原理；4 .进行总体硬件电路设计；5 .利用仿真软件对三电平逆变器进行建模，并搭建SVPWM算法模块和并网模块，通过波形结果验证改控制系统的可行性。第二章NPC三电平逆变器的原理与建模2.1NPC三电平逆变器的工作原理对三电平逆变器的结构和工作原理进行分析对深入研究三电平技术非常必要,由浅入深才能理解得更到位。本章将深入探讨三电平逆变器的结构、运行原理以及驱动导通原则和电平切换原则，并建立相应的开关函数数学模型，为SVPWM控制策略的更深入研究提供有力的支持。由图可知，这种

13、拓扑仅需一个独立的直流源，因此其整流侧的设计更加精简、高效。每相都可以通过特定的开关组合输出高（UdC/2）、低（-Udc2）和零电平（O）o我们以其中一相为例分析当开关管处于不同开关组合时逆变器输出的电平状态。由电流走向可看出，输出为P状态时，驱动给开关管SaKSa2导通信号，给开关管Sa3、Sa4关断信号：当电流方向为正时，电源对Cl进行放电，电流经上桥臂Sal、Sa2到达a点，此时a点电位即为P点电位，输出端电压U=UdC/2；当电流反向时，电流经与Sal、Sa2反并联的续流二极管对电容Cl进行放电，此时输出电压U=Udc2（2）输出电压为O（O状态）图2.30状态电流流向示意图由电流走

14、向可看出,当输出为。状态时，驱动给开关管Sa2、Sa3导通信号,给外管Sal、Sa4关断信号：当电流方向为正时，电流从O点通过钳位二极管Da1和开关管Sa2流向a点，此时a点电位就是0点电位，输出电压U=0；当电流反向时，电流通过开关管Sa3钳位二极管Da2流向中性点O,此时输出电压U=0。由电流走向可看出，当输出为N状态时，驱动给开关管Sa3、Sa4导通信号,给开关管Sal、Sa2关断信号：当电流方向正时，电源对C2进行放电，电流经下桥臂与Sa3、Sa4的反并联续流二极管到达a点，此时a点的电位即为N点的电位,该相输出端电压U=-UdC/2；当电流反向时，电流经Sa3、Sa4对电容Cl进行放

15、电,此时输出电压U=UdC/2。综上描述，可以得到以下开关状态与输出电平的关系:表2.1NPC三电平逆变器的器件开关状态与输出电平关系输出电平SalSa2Sa3Sa4P导通导通关断关断O关断导通导通关断N关断关断导通导通我们可以发现，无论何时无论哪种状态，Sal和Sa3不会一起导通，Sa2和Sa4也不会同一时刻导通，即一管与三管、二管与四管永远处于一种互补的关系，这是因为如果在电平切换的过程中互补的开关管同时导通了，那整个直流侧的母线电压都将会加到一个开关管上，使管子非常容易发生过压而损坏。对于三电平逆变器三种电平状态之间进行切换的时候，有两种状态，分别为稳定状态和死区状态。死区状态是一种过渡状态，这是因为为了保证逆变器在每次进行电平状态切换的时候开关管的动作可以达到最少，让逆变器不会由P状态直接切换到N状态我们需要设置一个过渡状态O。使我们用1和O分别表示管子的开通和关断，三电平的运行状态如下表：硬件设计，都必须确保开关管具有足够的时间裕度，免出现开关管直接短路而导致模块受损的情况9。根据输出电平关系，我们可以通过相电压UAe）和UBO得出线电压UAB,合成的三电平线电压有5种电平，阶梯级数更多，其输出线电压较两电平的线电压也更逼