级联型多电平逆变器的SVPWM控制系统研究

发布时间：2020-07-28 07:59

【摘要】：在传统工业技术改造场合,高压大功率交流电动机变频调速技术已逐步取代直流电动机调速技术而占到主导地位。在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路及船舶等领域中,广泛应用大中容量的交流电动机调速系统。交流电动机调速系统的应用,不但可以节能,也可以使整个系统的性能达到最佳,改善工艺条件,提高生产效率,也大大提高了产品的质量。同时在解决环境污染方面,中、高压大容量变频调速系统也是一种最好、最直接的方法之一,如高速电气化铁路、城市地铁和轻轨及电动汽车等,可以大大减少尾气排放的污染。多电平逆变器具有输出电压电平数高、输出波形与正弦波接近、谐波含量少和电压变化率小等特点,因此适用于高压大功率应用场合,在中、高压大容量变频调速器大量应用的促使下,多电平逆变器已成为当前电力电子技术中倍受关注的重要研究热点。级联型多电平逆变器(Cascaded Multilevel Inverter-CMLI)采用由独立直流电源供电的H桥基本功率单元进行叠加,不存在直流电容均压问题,具有所需的元器件少、输出电压谐波含量少、易实现模块化和易扩展等优点,因此是多电平逆变器中应用最为广泛的结构之一。在调制算法方面,由J.Holtz提出的空间矢量PWM控制法(SVPWM)把交流电机和逆变器视为整体,着眼于使交流电机的磁链轨迹为圆形,具有噪声低、转矩脉动小、高直流电压利用率、便于微机实时控制等优点,因此具有广阔的发展前景。本文围绕级联型多电平逆变器,对其SVPWM调制算法、过调制算法及由其构成的双Y移30°永磁同步电机控制系统等若干关键问题展开深入研究,其主要内容包括:1、N级级联型多电平逆变器通用SVPWM算法和简化SVPWM算法研究提出了一种适合于任意电平数的级联型多电平逆变器通用SVPWM算法,对参考矢量所在的扇区进行了判断,确定了参考矢量顶点所在的三角形,对三角形的类型进行了辨识,利用参考矢量所在正六边形的层数和在扇区垂直方向的层数这两个参数推导了合成参考矢量三个矢量的作用时间。验证了该算法的正确性和通用性。为任意电平数的级联型多电平逆变器的SVPWM算法提供了一个通用的调制方法。针对输出电压中出现电压跳变的现象,提出采用死区技术避免了同一扇区内H参数的变化,使输出电压波形中不再出现电压的跳变,同时降低了输出电压波形的总谐波畸变率(THD)。针对级联型多电平逆变器SVPWM算法的复杂程度随着电平数的增加而显著增加的现象,提出了基于映射原理的简化SVPWM算法,将参考矢量所在的正六边形映射到中心小正六边形,按照两电平逆变器的SVPWM算法选择合成参考矢量的基本矢量及其作用时间,再将其进行逆映射,转化为多电平逆变器的参考矢量合成,进而确定开关状态序列。避免了判断多电平逆变器参考矢量顶点所在的三角形,简化了算法,并且算法的复杂程度不会随着电平数的增加而增加。2、级联型多电平逆变器过调制算法的实现针对级联型多电平逆变器过调制的实现,提出了叠加原理与基于映射原理的SVPWM算法相结合的过调制方法。根据调制度系数的不同把过调制区划分成两个区,由于在过调制Ⅰ区内仅需对参考矢量的幅值进行修正,所以采用叠加原理对参考矢量进行修正,在过调制Ⅱ区内不仅要对幅值进行修正,还要修正其相角,为简化算法的复杂程度,对叠加原理进行改进,重新定义叠加系数,根据参考矢量相角的大小对参考矢量进行修正,利用公式推导出合成修正参考矢量的基本矢量的作用时间。避免了复杂的傅里叶级数变换,使算法简单、容易实现,同时提高了直流电压的利用率。针对过调制区内调制度系数增加到一定值后调制增益会随之下降的问题,提出采用逆增益对调制增益进行补偿的方法,有效的补偿了过调制区域内调制增益的下降。3、多电平双Y移30°永磁同步电机调速系统的SVPWM算法及矢量控制系统研究为了满足高压大容量调速系统的要求,将多电平逆变器与多相电机相结合,提出了级联型多电平逆变器驱动双Y移30°永磁同步电机调速系统的SVPWM算法。构建了五级11电平级联型多电平逆变器驱动双移30°永磁同步电机(PMSM)的六相调速系统拓扑结构,对多电平逆变器空间矢量的分布进行了详细分析,将两电平多相电机的相邻最大四矢量SVPWM方法扩展到多电平多相电机,研究了基于双级联型逆变器的四矢量SVPWM算法;对采用该方法的谐波损耗进行了深入的分析,构建了基于双多电平逆变器的双移30°永磁同步电机矢量控制系统。该系统可实现10kV甚至更高电压等级的多相电机驱动,并且谐波含量低,转矩脉动小,调速系统稳态性能好。4、级联型多电平逆变器装置的研制最后本文对级联型多电平逆变器装置进行了研制,主要包括逆变器主电路硬件设计及基于DSP的控制电路部分软、硬件设计。并在该装置上进行了两种调制度系数下的实验,给出了主要的实验波形,验证了所提方法的可行性,其对促进级联型多电平逆变器在高压变频领域的应用具有很好的工业应用前景。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM464
【图文】：

该桥臂上功率开关关断，下桥臂导通。在横轴以下，当正弦波幅大于负三角载波幅值时，与该三角载波对应的功率单元右桥臂上功率开关导通，桥臂关断，反之，当正弦波幅值小于负三角载波幅值时，该桥臂上功率开关关，下桥臂导通。对于 B 相和 C 相 2N 路三角载波是相同的，不同的只是正弦调波的相位。②载波反相层叠 PWM 控制载波反相层叠 PWM 控制不同于载波同相层叠 PWM 控制的只是横轴以上的 N三角载波与横轴以下的 N 路三角载波相位反相，其它均相似。和功率模块对应三角载波的分布与上一种方式相同，即和同一功率单元对应的两桥臂的三角波置应对称。如图 1.9（b）所示。③载波依次反相层叠 PWM 控制载波依次反相层叠 PWM 控制的特点是正弦波与上述两种方法相同,不同的是角载波的相位由上而下依次反相，其原理图如图 1.9（c）所示，由此可以看出，以上三种方法的不同之处仅在三角波的分布情况不同。

根据上述算法利用Matlab对级联型多电平逆变器进行了仿真研究，载波频率1KHz，调制度系数为0.9，每个H桥直流电压取900V，每相采用五个H桥级联。图2.9为级联型多电平逆变器每相五个H桥级联，采用错位移相SPWM输出的A相50Hz十一电平相电压波形与谐波分析，其基波幅值为3917V，图2.10是采用本文方法输出的扇区判断波形，相电压波形及其谐波分析，从图中可见电压波形接近正弦波，基波幅值为4499V，较错位移相法高出582V，直流电压利用率提高了14.86%

调制度系数为0.9，每个H桥直流电压取900V，每相采用五个H桥级联。图2.9为级联型多电平逆变器每相五个H桥级联，采用错位移相SPWM输出的A相50Hz十一电平相电压波形与谐波分析，其基波幅值为3917V，图2.10是采用本文方法输出的扇区判断波形，相电压波形及其谐波分析，从图中可见电压波形接近正弦波，基波幅值为4499V，较错位移相法高出582V，直流电压利用率提高了14.86%，电压总谐波畸变率THD=12.59%，较错位移相法的13.19%低，且电压低次谐波含量很小

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本文编号：2772583