畢業(yè)論文-中點(diǎn)鉗位逆變器的空間矢量調(diào)制研究

HUNAN畢業(yè)論文論文題目中點(diǎn)鉗位逆變器的空間矢量調(diào)制研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣工程及其自動(dòng)化1108班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 5月25日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁1緒論1.1引言1980年提出的中點(diǎn)鉗位逆變器，因?yàn)樗鼫p少了設(shè)備的開關(guān)損耗，很好地解決了在功率元件的耐低壓的問題存在，并很大程度的改善逆變器的輸出波形，已經(jīng)成為今天的研究熱點(diǎn)，在電力，機(jī)械，冶礦，石化等使用高壓和其他領(lǐng)域的高功率應(yīng)用中廣泛采用。其中的一逆變器脈寬調(diào)制（PWM）控制策略這一關(guān)鍵技術(shù)，各種PWM方法已被國內(nèi)外許多學(xué)者和專家提出。其中，空間矢量調(diào)制（SVPWM）電壓利用率高，輸出電壓豐富，易于實(shí)施，易于控制中點(diǎn)電壓，具有明顯的優(yōu)勢，因此它已經(jīng)更多的被關(guān)注。發(fā)展過程中，因?yàn)楹荛L一段時(shí)間的此類應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)大容量、高性能化是一個(gè)問題，而三電平逆變器可以。在技術(shù)上，在現(xiàn)實(shí)上應(yīng)用，它都具有非常重要的意義。在控制時(shí)中點(diǎn)電位平衡控制的核心問題是非常重要的，因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)要經(jīng)受的電壓值和直流電容器的直流側(cè)電壓值相等這一特性，保持平衡，就能保證每個(gè)開關(guān)的電壓保持在一半的直流電壓，相反如果中點(diǎn)電壓不平衡的情況下，輸出電壓的諧波含量，會(huì)大大提高，帶來不穩(wěn)定，并且可能損壞開關(guān)元件和直流電容器。實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一定的局限性，至今沒有任何的專家提出的各方面特點(diǎn)完美的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在整個(gè)多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器中具有三種：級聯(lián)H橋型逆變器，飛跨電容型逆變器，二極管鉗位型（中性點(diǎn)鉗位型，NPC）二極管鉗位（NPC）的應(yīng)用可以很方便的開關(guān)控制，保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的變壓器，同時(shí)減少了笨重的電容和預(yù)充電系統(tǒng)和獨(dú)立的DC電源的需求，這些優(yōu)勢使二極管鉗位逆變器具有更好的發(fā)展前景，因此，我們研究了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了幾類調(diào)制方法并重點(diǎn)討論了中點(diǎn)鉗位逆變器的空間矢量調(diào)制應(yīng)用手段，以確定的方式來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)鉗位逆變器空間矢量調(diào)制討論中點(diǎn)鉗位逆變器中點(diǎn)電位平衡的問題。1.2多電平逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀多級逆變器正常構(gòu)造中，為了獲得類似為正弦的輸出電壓，有幾步的階梯波。以往的的高壓大容量使用中，人們希冀行使一個(gè)直接有效的高壓變壓器方案，但兩電平逆變器正常都是選用串聯(lián)和并聯(lián)電力開關(guān)配置，需要所有開關(guān)必須是串并聯(lián)的特性完全相同而且切換裝置必須同時(shí)被打開和關(guān)閉。該設(shè)備器件相匹配這一過程是比較困難的，這將使得開關(guān)裝置利用因數(shù)相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致這串并聯(lián)的功率開關(guān)器件方案是很麻煩的，甚至更難實(shí)現(xiàn)。還有就是交流-直流-交流變頻的情況，在這種方式的情況下，無論是在AC輸入側(cè)和AC輸出側(cè)的兩端使用低壓變換器，或多路復(fù)用多個(gè)小容量變壓器為了獲得高壓大功率?？梢栽谏鲜鰞煞N方法中找到既昂貴和能量效率低下的重型變壓器，后者的方法更具較不可靠的使用性，降低系統(tǒng)效率，低頻能量傳輸?shù)睦щy和當(dāng)前的中間環(huán)節(jié)電流部分過大，等等。這些不可避免的問題，從而使所使用的要求，特別是在壓力方面要求更高水平的轉(zhuǎn)換器的裝置中，產(chǎn)生了多級轉(zhuǎn)換器-其本身是改進(jìn)的主電路變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以改善的結(jié)構(gòu)，從而在使用過程中無需均衡電路和一個(gè)新的升降壓轉(zhuǎn)換器的變壓器，以及所有功率器件在基頻以下工作，以減少開關(guān)應(yīng)力，克服現(xiàn)有的逆變器的缺點(diǎn)，改善了輸出波形。由于輸出電壓水平可以增加生產(chǎn)數(shù)量得到較好的輸出波形，諧波頻譜。但是，因?yàn)樗枰嗟墓β势骷m合于高功率需求的情況，這是從它的性能比觀點(diǎn)考慮的。自上世紀(jì)80年代以來，由于電力電子器件的第三代快速傳播（GTO，IGBT，等）和智能控制芯片（DSP）的快速發(fā)展，多電平逆變器奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，增強(qiáng)型多電平逆變器研究分析具有較大的實(shí)踐意義，大量實(shí)際應(yīng)用的三電平逆變器電路出現(xiàn)。通常認(rèn)定三電平逆變器是多電平逆變器的奠基，多級逆變器是參照形似的三電平逆變器拓?fù)錁?gòu)造演化而來。從理論上講，變頻器越高的電平數(shù)目，你能夠得到更多的階梯電壓平臺，從而取得較低的諧波因素更接近正弦波的輸出電壓。但是，考慮到實(shí)際應(yīng)用的條件和控制硬件的復(fù)雜性，為滿足性能，電平數(shù)不會(huì)太高，在生活中三電平是最實(shí)用水平。七級水平和更高水平的研究，我們還處于理論階段，沒有成熟的。三電平逆變器調(diào)制方案是研制重難點(diǎn)的主要問題，當(dāng)前的最好的開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制方法，消弭諧波含量的的脈寬調(diào)制方法和空間矢量脈寬調(diào)制方法，三個(gè)主要的控制方法是三電平逆變器的主要使用方法。目前市場上的成品陸續(xù)上市，通常使用IGCT中點(diǎn)鉗位電壓變頻器如ABB的ACSI00系列高壓大容量逆變器，其輸出電壓高達(dá)4KV，但高次諧波含量仍然較大。盡管中國幅員遼闊，但能源分布和負(fù)荷需求呈現(xiàn)出極端的不平衡，驅(qū)動(dòng)開發(fā)是非常迫切，市場常壓變頻器上目前的情況約占60％，而需求的數(shù)量，高壓變頻器是比較小的，主要用于電力，機(jī)械，冶金領(lǐng)域的地方電力的需求，但由于單價(jià)格高，潛力相當(dāng)大。總體而言，高達(dá)1800-2000元的潛在市場，并逐年遞增。國內(nèi)廠商紛紛推出高壓變頻器主要幾個(gè)單相橋式結(jié)構(gòu)的電路中，最常用的是基于一系列千伏級IGBT器件單元串聯(lián)而來。整體性能基本上是良好的，但器件復(fù)雜，因?yàn)樵撛O(shè)備使得信號調(diào)制是比較困難的，有必要提高輸出功率的整體可靠性，實(shí)際應(yīng)用需要加以改進(jìn)。多級轉(zhuǎn)換技術(shù)（尤其是三電平），雖然在一些地方尚未很成熟，但它有在電源的逆變器的高輸入電壓方面發(fā)揮了不可替代的作用，而在電力電子（靜態(tài)無功補(bǔ)償器，有源電力濾波器）的應(yīng)用越來越廣泛，此外還具有在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。特別是：（1）穩(wěn)定的直流電感，電容不起作用，使用大功率遠(yuǎn)距離高壓直流輸電沒有同 步問題的優(yōu)勢-HVDC（高壓直流輸電）應(yīng)用（2）為了克服嚴(yán)重的諧波電流整流電路，提高電能質(zhì)量應(yīng)用綜合管理。（3）高性能水準(zhǔn)，穩(wěn)定的速度范圍，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快并且在四象 限可逆運(yùn)行，調(diào)速性能堪比直流驅(qū)動(dòng)大容量高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的電力拖 動(dòng)。但是，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的目標(biāo)尚不理想，還有大量的工作和問題，需要認(rèn)識到周期性。但在本世紀(jì)發(fā)達(dá)的產(chǎn)業(yè)條件下多電平逆變器的應(yīng)用將迎來一個(gè)飛躍。1.3三電平逆變器工作原理三電平逆變器--拓?fù)浠诖?lián)連接的中性點(diǎn)加上一對鉗位二極管三電平逆變器的兩個(gè)功率電子開關(guān)裝置，也被稱為中性點(diǎn)鉗位（稱為NPC），是最單一且最有應(yīng)用價(jià)值的一類多電平逆變器，歸類于電壓源逆變器的一部分。在所謂的三電平逆變器的相輸出電壓裝置中，每個(gè)逆變器相對于所述直流側(cè)的電壓的交流側(cè)，有可能的三個(gè)值，該正端子電壓（+1/2UD），負(fù)極端子電壓（-1/2UD）中點(diǎn)零電位（0），圖1.3所示為三電平逆變器典型橋臂。兩直流分壓電容C1，C2相等，三相逆變電路。負(fù)載是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三電平水平的逆變器的拓?fù)錁?gòu)造比較固有的兩電平水平逆變器，擁有以下特質(zhì)：1）兩電平功率中點(diǎn)只有兩個(gè)值輸出，三電平相對中點(diǎn)點(diǎn)位有三個(gè)值，負(fù)載不具有三倍次諧波電流2）輸出電平有三種，失真度小諧波小，輸出不需要很多的過濾器，在相對遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那闆r下，可以有一個(gè)小的電壓損失，后期負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)影響相對較小，不需要防護(hù)等級高的電機(jī)，降低了系統(tǒng)的制造成本。3）對比兩電平逆變器，可以獲得諧波成分更低的高品質(zhì)電壓波形，是以效能也獲得了進(jìn)步。此外，三電平逆變器的直流電壓由兩個(gè)開關(guān)裝置共享，使得開關(guān)裝置的額定電壓可低一倍?？梢杂行У亟鉀Q電力電子器件的耐壓力不高，所以它更適合于中壓大功率電動(dòng)機(jī)調(diào)速。4）相對照下三電平逆變器的開關(guān)元器件經(jīng)受的電壓只有兩電平的1/2，元件的電壓水準(zhǔn)可以消減1/2，功率開關(guān)元件的不異的電壓條件下，發(fā)熱程度小,電路模塊物理體積小。可以承受更高的電壓，從而提高了電動(dòng)機(jī)的功率5）繞組電壓絕緣的需要也有所縮小，開關(guān)頻率降低一半，一般的三相電機(jī)進(jìn)行少許絕緣性能加固頻率控制系統(tǒng)就能夠應(yīng)用到需要的的諧波分量條件下，也允許使用較低的調(diào)制比。圖1.3三電平逆變器典型橋臂1.4課題的意義、背景和研究的主要內(nèi)容一個(gè)三電平逆變器具有傳統(tǒng)的兩電平逆變器不具有的優(yōu)點(diǎn)是更好的適應(yīng)高功率，高電壓,更好地適應(yīng)高功率，高電壓的情況;諧波內(nèi)容減少，輸出波形更完美;開關(guān)損耗大大減低。引起來自不同國家各方面關(guān)注，從而使控制裝置也成為熱門話題。涌現(xiàn)了非常之多的各有優(yōu)缺點(diǎn)的多種多樣的調(diào)制方式，而且對于不同的場合，在幾個(gè)方面，由于瞬時(shí)空間矢量為SVPWM的控制量，是對于高動(dòng)態(tài)性能，如矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制最適當(dāng)?shù)目刂品椒?。雖然三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已被提出，但事實(shí)上，控制仍然是非常復(fù)雜的，很難實(shí)現(xiàn)鑒于此，本文的三電平逆變器SVPWM方法來研究和探討三電平逆變器SVPWM有效的調(diào)制手段來解決一些三電平逆變器的執(zhí)行問題。本研究的主要內(nèi)容：歸納了當(dāng)前的多級轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜驼{(diào)控方案，對不一樣的拓?fù)涞暮涂刂撇呗缘膹?qiáng)劣勢和應(yīng)用場所運(yùn)用了剖析對比。鑒于兩個(gè)電平層級的SVPWM調(diào)制方案，進(jìn)一步闡述了三電平逆變器的SVPWM調(diào)制技巧。我們討論了中性點(diǎn)電位和中點(diǎn)電位不平衡的方法。比較了原因。臨了，模擬結(jié)果展示，該方案具有可行性，并依據(jù)該方法的均衡中點(diǎn)電位的SVPWM調(diào)制方法進(jìn)行考證?？偨Y(jié)了多電平變換器拓?fù)涞耐負(fù)浜涂刂撇呗缘膬?yōu)點(diǎn)和不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)的應(yīng)用?；趦呻娖絊VPWM控制原理，開始三電平逆變器的SVPWM調(diào)制技術(shù)的介紹。討論了一些特定的控制方法和原因使得分析中點(diǎn)電位中點(diǎn)電位的不平衡更加有用。最后用仿真結(jié)果驗(yàn)收有效性。

2多電平技術(shù)多電平逆變器的基本內(nèi)涵是使用多電平多步輸出的主電路拓?fù)涞牡刃д也?。到目前為止，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出，國際社會(huì)公認(rèn)主要有三種類型的逆變器：中點(diǎn)鉗位（NPC）式;級聯(lián)H橋逆變器;飛跨電容多電平式。它們品種繁多，豐富了多級逆變器的大家庭。2.1飛跨電容型逆變器電容鉗位式也稱飛跨電容式，首先由法國學(xué)者H.Foch和T.A.Meynard提出，它的工作原理和二極管鉗位電路一致，但采用懸浮電容，而不是鉗位二極管。至于一樣的輸出電壓，容易從相異的切換狀態(tài)的合并來獲得，擁有更廣泛的可變性電壓切換態(tài)勢的合成。電容的作用是用一個(gè)單一的直流分壓電容電壓鉗住功率開關(guān)管的電壓，允許多級輸出。電容C和與相電壓電平P的數(shù)量關(guān)系為：C=P-1+(P-1)(P-2)×3/2(2.1)該電路設(shè)計(jì)的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)為是去除二極管鉗位型電路中的數(shù)量巨大的二極管，但在同一時(shí)間增多了電力電子器件中的懸浮電容。電容是可靠性差，短命的設(shè)備。綜合分析。飛跨電容多電平逆變器電路拓?fù)涞膬?yōu)劣如下:1）易于擴(kuò)展電平的數(shù)目，也有大量的切換狀態(tài)的組合，它可用于HVDC控制和更靈 活的控制。2）當(dāng)斷開電源時(shí)，電容器的儲能效用發(fā)揮作用，功率上有功和無功控制靈活。3）水平的數(shù)字輸出電壓小于輸出電壓，并開啟裝置的基礎(chǔ)頻率，具有很高的效率和 較低的損耗。4）達(dá)到一定的電平時(shí)必要巨額的電容器和開關(guān)組合不同來保持平衡，系統(tǒng)控制復(fù)雜， 高包裝成本。飛跨電容電壓不平衡呈現(xiàn)功率潮流。下圖2.1為飛跨電容式三電平逆變器的一種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：圖2.1飛跨電容式三電平逆變器2.2級聯(lián)H橋型逆變器級聯(lián)多電平逆變器是矢量合成將每個(gè)逆變器輸出電壓波形形成一個(gè)多層次，多個(gè)連接在一起的獨(dú)立的單相全橋逆變器電路，以形成一電源模塊，使用它的應(yīng)用具備小的諧波含量，一個(gè)較大的功率，模塊化簡單和后期可擴(kuò)展性等，高電壓大功率應(yīng)用非常合適。都已經(jīng)在高電壓控制，有功功率交流電源濾波器和靈活的電力等領(lǐng)域一直廣泛使用，一般特征是：三相ABC具有相同的電路配置，每相級聯(lián)H型全橋逆變器電路作為電源單元，連接的功率單元的電壓電平的級聯(lián)電路結(jié)構(gòu)水平和數(shù)量水平可以是不同級聯(lián)多級逆變器直接串聯(lián)連接的H橋，其中逆變器必須有單獨(dú)的DC電壓源的疊加。兩個(gè)二級H橋系列直接疊加每個(gè)相腿，各相獲得電壓累積在各單元的輸出。關(guān)系為：P=2S+1L=4S+1(2.2)(L-輸出線電壓,P-級數(shù),S-功率單元數(shù))此類逆變器拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的強(qiáng)劣勢在于:1）分離的直流電源，不必要特別的電容電壓平衡，前提是各DC電源的容量足夠 。2）級聯(lián)逆變器構(gòu)造屬于串聯(lián)類，整體構(gòu)造十分單一逆變器的拆解和拓展非?？旖荩?模塊化簡單，避免了使用鉗位二極管和電容器。3）有許多狀態(tài)組合種類因此級聯(lián)單元可以十分方便達(dá)到軟開關(guān)技術(shù)而無需RC緩沖 電路。利用每個(gè)設(shè)備獲得一致性，降低了開關(guān)損耗，降低了散熱器的空間4）單獨(dú)的DC電源需求大和更難以進(jìn)行四象限運(yùn)行。下圖2.2為級聯(lián)H橋逆變器的一種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：圖2.2級聯(lián)H橋的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3二極管鉗位型逆變器三電平逆變器的結(jié)構(gòu)是一種早期的德國學(xué)者首次提出的多電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最早的發(fā)展只是想改善電壓質(zhì)量，降低輸出電壓的諧波，后來基于中間電路第增加了一零電平，并通過二極管取代主開關(guān)，并采用功率二極管的主要開關(guān)設(shè)備，零電平應(yīng)用到輸出端口，以利用中間電路的輸出電位相對于三個(gè)特征反向可變被用于此鉗位目的，相對簡單和容易的雙向功率流實(shí)現(xiàn)。級別數(shù)為m時(shí)具有6(m-1)全控功率元件和6(m-2)個(gè)鉗位二極管，所需的每相等效耐壓水準(zhǔn)二極管的數(shù)目：(m-1)*(m-2)(2.3)該逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的的特點(diǎn)是:1）可以獲得很大的功率值，電壓諧波的水平隨電平數(shù)增加而降低，當(dāng)階梯波控制器件運(yùn)行在基頻狀態(tài)下，低功率器件損耗，可以得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟帶寬。2）使用的級別數(shù)的增加，使直流母線電容電壓不均衡問題需求更高耐壓水平的鉗位二極管，成為在實(shí)踐中鉗位式二極管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展的主要障礙之一，只有從控制方面想辦法加以變通。3）提供多種不一樣額定電流的功率元件，很大程度上減少了電力變換裝置的尺寸和花費(fèi)，增加了便捷性。4）目前的技術(shù)水平還不成熟，七個(gè)級別及以上需要巨額的鉗位二極管，使得花費(fèi)更高，不便于安裝拆卸，并且控制十分復(fù)雜，實(shí)用價(jià)值并不明顯。下圖2.3為一種典型結(jié)構(gòu)的二極管鉗位式多電平逆變器：圖2.3二極管鉗位式多電平逆變器

3中點(diǎn)鉗位三電平逆變器由兩個(gè)電容器串聯(lián)，從而產(chǎn)生三電平分割。三電平逆變平衡中點(diǎn)電壓為電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)使用的一個(gè)重要技術(shù)，確保了安全穩(wěn)定和有效的操作，如果它的中點(diǎn)的直流側(cè)電容電壓不能平衡，其結(jié)果不單使得獲得的電壓包括兩次或更多次的偶數(shù)量級次的諧波含量，從而導(dǎo)致在輸出電壓，輸出電流和三相不對稱的失真，交流傳動(dòng)裝置會(huì)引起巨大的傷害。對于不平衡的中性點(diǎn)電壓，硬件電路設(shè)計(jì)用來提高電壓平衡中點(diǎn)的使用。目前在三電平逆變器的開發(fā)調(diào)試中，控制算法是一熱門。它的中心點(diǎn)是獲得高控制性能，同時(shí)解決所述中點(diǎn)電壓的不平衡。中點(diǎn)電位如果處于缺乏均壓調(diào)制的狀態(tài)下那么中點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)洌▓D2.3）的亮點(diǎn)不再突出。圖中C1和C2的電壓全部為直流側(cè)的一半，但在中點(diǎn)鉗位逆變器的正常操作中，潛在中點(diǎn)電位會(huì)漂移，從而使整個(gè)的電壓不再是平等的。它與調(diào)制矢量有著直接的關(guān)系，調(diào)制矢量所以第一個(gè)研究。3.1中點(diǎn)電位不平衡的原因引發(fā)中點(diǎn)電位變動(dòng)的因素很多，究其原因總結(jié)：（1）在充電和放電的過渡過程是兩電容器的相位或振幅偏移電流不同角色之間 的中矢量和小矢量之間存在作用，而且在某些情況下，會(huì)加劇不對稱三相連 接。（2）兩個(gè)直流側(cè)電容工藝制作中存在誤差達(dá)不到完全一致，從而產(chǎn)生中點(diǎn)電壓移位。（3）電容需要很大（直流側(cè)電容值越小，波動(dòng)就越大），但受成本和高壓直流側(cè)制約。（4）中點(diǎn)電流的增加，使得產(chǎn)生更大的波動(dòng)。但它又直接對應(yīng)于定子電流，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大便會(huì)生成更嚴(yán)重的波動(dòng)。（5）電壓越大小矢量參與越小成分，越難以控制中點(diǎn)電勢。接近中點(diǎn)電流相電流負(fù)荷的功率因數(shù)，也是中點(diǎn)電壓的潛在影響的一個(gè)重要因素。3.2三電平逆變器中點(diǎn)電壓波動(dòng)分析圖2.3中C1，C2是直流分壓電容。因?yàn)榭缭诫娏髟吹碾妷翰⒉还潭?，所以中點(diǎn)電勢發(fā)生波動(dòng)，并且變化是正比于中點(diǎn)電流值的。圖中m點(diǎn)作為零基準(zhǔn)電位，各相的鉗位逆變器輸出電壓的中點(diǎn)具有三個(gè)可能的值，即-E，0和E，三個(gè)輸出模式記稱為N，O和P切換狀態(tài)?？紤]到具體三相，開關(guān)狀態(tài)則有27個(gè)可能組合，不考慮每個(gè)開關(guān)的負(fù)荷狀態(tài)，歸納為下面四種：（1）零矢量情況：開關(guān)狀態(tài)，即，PPP，OOO和NNN三種，因?yàn)椴煌ㄟ^電流，所 以它是不會(huì)導(dǎo)致在中點(diǎn)電位波動(dòng)的（2）大矢量情況：對應(yīng)于只有一個(gè)開關(guān)狀態(tài)中，由于直接連接到正或負(fù)端的DC側(cè)的終端，所以中間電位同樣不受牽連。（3）中矢量情況：只反應(yīng)一個(gè)開關(guān)狀態(tài)。由于存在直接連接到中點(diǎn)終端的相位，就會(huì)造成中點(diǎn)變化而不平衡。（4）小矢量情況：最少一相連接在中點(diǎn)位置，由于小矢量的以成對存在，因此會(huì)沖擊中點(diǎn)電位的平衡，它們電壓是相同的，但輸出電壓中點(diǎn)沖擊具有潛在的對比。每個(gè)小矢量對應(yīng)分別包含P和N于兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)，依此進(jìn)而劃分成P、N型。推導(dǎo)得到i1=C1 i2=C2d(C1=C2i0=i1其中，i1：電容C1上的電流，i2：電容C2上的電流，參考矢量VrefVref=ds0其中，滿足關(guān)系：ds0+dmds0=2-m(3?cos(θ)+sin(θ))dm=2m?sin(θ)(dl=m(3cos(θ)+sin(θ))-1dl=m(3cos(θ)+sin(θ))-1其中：Vs0為中點(diǎn)小矢量的電壓，Vm為中矢量的電壓，Vl為大矢量的電壓，ds0為中點(diǎn)小矢量的占空比，分析得到以下規(guī)律：1）工作在零矢量的PPP中的操作狀態(tài)時(shí)，所述逆變器三個(gè)臂上的兩個(gè)開關(guān)器件全被接通，使得逆變器的A，B，C三個(gè)輸出端被連接到DC正端子側(cè)。而因?yàn)橹行渣c(diǎn)m未接輸出端，所述逆變器的直流側(cè)，因此并不改變中間電位。同樣，OOO和NNN操作狀態(tài)下并不會(huì)使中點(diǎn)電位移位。2）考慮PNN—大矢量開關(guān)狀態(tài)，所述逆變器輸出端對應(yīng)接于DC正端和DC負(fù)端而中間點(diǎn)m未接輸出端口，所以中間電壓不會(huì)變化。3）在開關(guān)狀態(tài)為中矢量的A，B，C輸出端對應(yīng)與DC正側(cè),m點(diǎn)和DC負(fù)側(cè)相接。中間電位可因負(fù)載情況而提升或減低，因此中矢量也會(huì)影響中點(diǎn)電位平衡。4）在實(shí)際的功率從逆變器到負(fù)荷狀態(tài)下操作中工作在小矢量的P型開關(guān)狀態(tài)情形POO，由于三相輸出相應(yīng)接于DC正端和中性點(diǎn)m，該中性點(diǎn)線電流流入m點(diǎn)使得m點(diǎn)電壓提升。相反在ONN情況時(shí)，中性點(diǎn)線電流流出點(diǎn)m使得m點(diǎn)電位降低。可對電容電壓進(jìn)行調(diào)控。其他一些條件將使得中間電位偏移不平衡，如工廠的制造過程中，使電容器有一定的誤差，開關(guān)器件參數(shù)大小，三相不對稱運(yùn)載。目前在中點(diǎn)含有可控小矢量和不可控中矢量的情況下，可以使用常規(guī)的負(fù)小矢量和正小矢量相對，調(diào)節(jié)時(shí)間以平衡潛在的中點(diǎn)電位3.3中點(diǎn)電位平衡實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前三電平逆變器的應(yīng)用中，控制中點(diǎn)電位大致有如下三類方法：1.主動(dòng)控制方法：基于偏中性點(diǎn)電位和中性點(diǎn)電流大小，中性點(diǎn)電位平衡是由PI調(diào)節(jié)器工作，工作方式為設(shè)置較短的時(shí)間來進(jìn)行矢量調(diào)控。這種方式能夠阻礙中間電位的變動(dòng)。2.被動(dòng)控制方法：通過計(jì)算矢量為每個(gè)短周期劃分時(shí)間，此類方式僅適用于在對稱上一致的脈寬調(diào)制，且要求三相的負(fù)載均衡一致，不容易在實(shí)踐中達(dá)到目的。3完善硬件布局規(guī)劃解決在三電平逆變器中點(diǎn)電位偏移的問題。3.3.1主動(dòng)控制根據(jù)電勢變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整正和負(fù)矢量時(shí)的中點(diǎn)，進(jìn)行平衡處理。以時(shí)間為參數(shù)協(xié)調(diào)功能和直流側(cè)中點(diǎn)電壓作為第一個(gè)檢測值，作為中性點(diǎn)電位的正負(fù)開關(guān)解決浮動(dòng)的處理控制。保證小矢量的總發(fā)生時(shí)間情況下，動(dòng)態(tài)均衡正負(fù)矢量工作時(shí)間實(shí)現(xiàn)均衡中點(diǎn)電位的效果。以轉(zhuǎn)換向量序列的100和0-1-1為例，介紹中間點(diǎn)的時(shí)間控制因素。t100=(1+ρ)t其中（ρ∈[-1,1]），t1=2T-4v控制規(guī)律為：Vdc1=Vdc2時(shí),ρ=0。Vdc1>Vdc2時(shí)，ρ10010-11-1-10-1-10-1-11-1-110-1100tttttttt3.3.2被動(dòng)控制在假定的理想條件下經(jīng)由運(yùn)算的方式調(diào)控采取行動(dòng)的時(shí)間到指定的輸出載體。任何小三角形的參考矢量，調(diào)制因子的值可以算出以平衡正負(fù)小矢量中間電位，從而分配正負(fù)矢量的工作時(shí)間。

4調(diào)制算法窄脈沖被施加到所述脈沖等于慣性的一部分和所述角色脈沖相等，形狀即便不同。但作用一致，這便是PWM脈寬調(diào)制控制，相當(dāng)于打通了一系列脈寬調(diào)制波形和APF應(yīng)用范圍更廣。PWM是為交流傳動(dòng)，不間斷電源電壓控制技術(shù)在這些系統(tǒng)中常見的核心技術(shù)，并已深入研究。1964的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）基于通信系統(tǒng)思考和VVVF交流調(diào)制技術(shù)。從最佳的效率，最小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪聲消除，PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，通過創(chuàng)新和持續(xù)改進(jìn)的過程中，仍有新的項(xiàng)目不斷推出。多級逆變器的頻率控制，應(yīng)適用于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，以便控制高功率電動(dòng)機(jī)，來獲得優(yōu)異的性能。但不同的PWM控制策略，逆變器的輸出電壓，在網(wǎng)側(cè)輸入電流的諧波含量是不同的。4.1多電平脈寬調(diào)制方法(PWM)PWM控制的基本原理：變頻器控制電路的開關(guān)裝置斷開控制，以便代替正弦波或波形的脈沖得到等幅脈沖輸出。在波形輸出的半周期內(nèi)，使得每個(gè)脈沖的等效電壓近似正弦，將獲得低次諧波的光滑輸出。根據(jù)每個(gè)脈沖寬度調(diào)制的一定的規(guī)則，可以改變逆變器電路所獲得電壓的大小，頻率同樣也是可以改變的。比如說，該半正弦波形分成M個(gè)相等的部分，也可以把半正弦波作為M個(gè)彼此連接脈沖構(gòu)成的波形。它們的脈沖寬度一致為M/n而幅度不一致，并且該脈沖頂部為曲線，每個(gè)脈沖的振幅參照正弦規(guī)律改變。如果用同等數(shù)目等振幅但具有不同大小寬度的矩形脈沖序列來取代，使它的中心點(diǎn)和對應(yīng)的脈沖重合均分且與它一個(gè)對應(yīng)的沖量一致，你會(huì)得到一組脈沖序列即每個(gè)脈沖寬度是正弦變化的等效半正弦的PWM波形。據(jù)此在給定頻率幅值的正弦波，在輸出的半周期內(nèi)它波形的脈沖寬度和振幅可以進(jìn)行精確地推算。控制電路根據(jù)每個(gè)結(jié)果開關(guān)設(shè)備，就能輸出需要的的PWM波形。一個(gè)好處是它的信號傳遞以數(shù)字形式進(jìn)行，因此AD轉(zhuǎn)換是不需要的。數(shù)字形式的信號讓噪聲的影響可以最小化。高水準(zhǔn)的抗噪音性能是它另一個(gè)優(yōu)勢，這讓它得以在通信生活中得到應(yīng)用。模擬信號變換到PWM可大大擴(kuò)大通信長度。我們確定合適的電阻電容電路或電感電容電路接受來進(jìn)行濾波調(diào)制或還原。PWM的經(jīng)濟(jì)性，抗噪性能具有廣大的身價(jià)，投入到許多工程應(yīng)用中。4.2多電平正弦脈寬調(diào)制方法（SPWM）正弦脈寬調(diào)制（簡寫為SPWM）：通過相同的頻率和所需的正弦波作為調(diào)制波和頻率高得多的等腰三角形波作為載波，在調(diào)制波和載波相交時(shí)，其交點(diǎn)被確定通過開關(guān)裝置的逆變器開斷時(shí)間點(diǎn)，來得到相同的高度，寬度正弦變化的脈沖序列。該方法中的相電壓的和傳統(tǒng)的兩電平相比，通過切換參考正弦波和三角波載波獲得脈沖信號進(jìn)行開關(guān)控制，三電平逆變器必須在三角波載波傳送來得到等振幅等頻率的兩脈沖。再由參考波和零電壓對比后得到脈沖信號，然后同時(shí)直接比較使用這三個(gè)脈沖通過一系列邏輯門以后被切換的情況下各開關(guān)由于三電平逆變器輸出信號中多一個(gè)零電平，使得輸出脈沖作用更類似正弦波。當(dāng)應(yīng)用于高壓這兩種逆變器控制方法水平類似，你可以用一個(gè)對稱的單脈沖觸發(fā)控制。同時(shí)在這個(gè)模式中，電壓諧波成分多，但通過選擇α角諧波分量仍適用大部分的需求，而對照具有容易實(shí)現(xiàn)，低開關(guān)頻率，開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，使得高功率條件下中可以被采用。在低壓條件中電壓諧波含量將大大增加，在這點(diǎn)的方法是，代替使用PWM脈沖寬度。事實(shí)上，即使在高電壓應(yīng)用中也經(jīng)常使用PWM逆變器控制。這是因?yàn)檫@種方法能夠得到性能更加優(yōu)異的波形。4.3多電平空間矢量調(diào)制方法(SVPWM)矢量調(diào)制技術(shù)的磁場定向控制電機(jī)。電機(jī)磁場定向坐標(biāo)變換來達(dá)到控制的目的，原來的三相交流電機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合兩相合成直流系統(tǒng)，在兩相控制直流電機(jī)控制坐標(biāo)系統(tǒng)中，使用更方便。使用SVPWM方法，同樣用于控制一個(gè)三相逆變器，與正弦脈寬調(diào)制技術(shù)相比，DC電壓的利用率較高，在輸出電壓基波的大小調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，但還可以降低輸出電壓諧波含量。和控制開關(guān)動(dòng)作狀態(tài)序列來減少逆變器合理選擇電源開關(guān)狀態(tài)動(dòng)作次數(shù)轉(zhuǎn)換，所以在得到同等的輸出電壓波形品質(zhì)的同時(shí)減少了操作頻率。4.3.1三相兩電平電壓型逆變器SVPWM調(diào)制原理共有8種類型的三相兩電平逆變器的輸出電壓，與復(fù)平面空間內(nèi)6個(gè)直流電壓(圖4.3.1中Ud)幅值的三分之二的基本電壓矢量分量和兩個(gè)零電壓矢量相對應(yīng)，Ur=Ur是我們需要的參考矢量，β為它的相角，實(shí)際上的電壓輸出為U，它的基波幅值為U1。若我們定義一個(gè)調(diào)制系數(shù)圖4.3.1空間矢量合成圖給定空間電壓矢量后，可以計(jì)算各矢量作用時(shí)間，計(jì)算公式為：UrTsk等于6時(shí)，T其中Ts是開關(guān)時(shí)間周期，Tk，Tk+1為臨近給定參考矢量的相應(yīng)下標(biāo)的基本矢量Uk，計(jì)算可得：Tk=2得到圖4.3.1所示的電壓矢量正六邊形，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)輸出應(yīng)以給定的矢量Ur為參考值，mr≤0.90694.3.2定子電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓空間矢量如下圖：圖4.3.2電壓空間矢量圖工作方式為三相供電時(shí)，其中的每相都對應(yīng)相應(yīng)的平衡公式，合成得到的的定子電壓關(guān)系式：uS=RSi轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值以上后可近似為us≈dψsdt電源電壓達(dá)到平衡和定子磁鏈幅值ψs穩(wěn)定，若相度為φ，空間向量是穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的圓形軌跡并顯示下面的關(guān)系ψs=ψ求導(dǎo)后:us≈ddt(ψs可見幅值即電壓頻率的比值us/ω4.3.3期望電壓空間矢量的合成與SVPWM控制SVPWM按照矢量合成法則將八個(gè)PWM基本矢量中兩個(gè)相鄰有效矢量合成我們需要的矢量，下圖4.3.31中六個(gè)有效矢量對應(yīng)為π3圖4.3.31矢量的六個(gè)工作扇區(qū)在第一扇區(qū)工作時(shí)，鄰近的兩個(gè)矢量為u1，u2，對應(yīng)的工作時(shí)長為t1，tu==uscosθ+j上式中令虛實(shí)兩部絕對值相等，則有：t1=ut2=uu1，u2圖4.3.32電壓矢量合成關(guān)系其中的時(shí)間關(guān)系：t1+t上式中有θ=同時(shí)基波相電壓和線電壓幅值分別取最大值：Ummax=23Ulmmax=3本章上節(jié)提到的SPWM方法中線電壓的基波幅值的峰值U'SVPWM與SPWM幅值相比為：UlmmaxU'lmmax=2一般而言在運(yùn)行中，t1+t2<Tt0=T0-因此由于零矢量的補(bǔ)償作用空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究具有很大裕量，如何合理確定各適量的作用時(shí)間和先后順序，使用最少的開關(guān)次數(shù)來得到更少諧波含量的輸出，是SVPWM的研究方向。4.3.4空間矢量調(diào)制方法在三電平逆變器中的應(yīng)用在運(yùn)行中三電平的空間矢量以如圖4.3.1所示的具有對稱性的六個(gè)π3扇區(qū)做為工作單元，取0,60°圖4.3.410,一、輸出電壓矢量的作用時(shí)間根據(jù)矢量合成中的伏秒原則：Vx?TTx+T上面的Tx，Ty，Ts是對應(yīng)矢量Vx，A區(qū)：T0=2mT(cosθ-sinθB區(qū)：T1=2T-2mT(cosθ+sinθC區(qū)：T1=T-mT4sinθD區(qū)：T2=2mT(cosθ-sinθ二、輸出電壓矢量作用順序B區(qū)域內(nèi)的電壓小矢量V1，V3，V4參與合成參考矢量時(shí)，輸出的三相時(shí)序如下圖4.4圖4.3.43三相輸出時(shí)序圖一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的矢量切換時(shí)只發(fā)生一相的狀態(tài)變換以減低開關(guān)損耗，如從D1到D2時(shí)，三相開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律為D3（000→-100→-10-1→-1-1-1→-1-1-1→-10-1→-100→000）→D4（000→001→011→111→111→011→001→000），詳細(xì)變換規(guī)律如下表(a)、(b)、(c)內(nèi)、中、外調(diào)制法，表中的T0、T1、T2對應(yīng)相應(yīng)矢量狀態(tài)工作的時(shí)長。表(a)內(nèi)部六扇區(qū)調(diào)制方法T04T12T22T04D100000-10-1-1-1-1-1-1-1-10-1-100-1000D2000001-10-1-1-1-1-1-1-1-10-100-1000D3000-100-10-1-1-1-1-1-1-1-10-1-100000D4000001011111111011001000D5000001101111111101001000D60000-100-1-1-1-1-1-1-1-10-1-10-10000表(b)中部六扇區(qū)調(diào)制方法TTTTTTTTD711010010-100-100-110-1100110D811001001-100-100-101-1010110D9011010-110-100-100-110010011D10011001-101-100-100-101001011D11-1-100-100-110010010-110-10-1-10D120-101-101001011011001-1100-10表(c)外部十二扇區(qū)調(diào)制方法TTTTTTTTD1310010-11-1-10-1-10-1-11-1-110-1100D1411011-101-100-100-101-111-1110D1511011-101-100-100-101-111-1110D1601001-1-11-1-10-1-10-1-11-101-1010D17010-110-11-1-10-1-10-1-11-1-110010D18011-111-110-100-100-110-111011D19011-111-101-100-100-101-111011D20001-101-1-11-1-10-1-10-1-11-101001D210010-11-1-11-1-10-1-10-1-110-11001D220-100-111-111011011-110-110-10D230-101-101-111011011-111-10010D240-1-11-1-11-101001001-101-1-10-1-1

5仿真我們在前面由兩電平推演到三電平應(yīng)用的空間矢量調(diào)制，介紹了中點(diǎn)電位平衡的方法，接下來我們構(gòu)建Simulink仿真模塊來證實(shí)我們理論的有效性。5.1matlab簡介與simulink模型建立MATLAB是美國MathWorks公司的推出的得到國際電氣與電子工程協(xié)會(huì)認(rèn)證的一種交互式計(jì)算軟件，它采用流行的c++語言編寫通熟易懂，指令調(diào)用簡單，功能強(qiáng)大，繪圖和圖形處理，仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)匹配精確，由于目前高校很多課程和專業(yè)將其納入教學(xué)基本軟件，因此它具有很大的通用性。我們主要使用它的仿真與圖形輸出模塊。運(yùn)用matlab2012b版本軟件建立的中點(diǎn)鉗位式SVPWM仿真模型如下圖5.1，其中直流電壓300V，正弦220V，頻率314HZ：圖5.1a中點(diǎn)鉗位的SVPWM模型其中包含的SVPWM模塊如下圖5.1b所示：圖5.1b空間矢量調(diào)制模塊5.2參考矢量分析以下圖5.2所示零到六十度矢量坐標(biāo)圖示為例：圖5.2a零度至六十度矢量圖1）參考矢量位于圖中所示B場所，則有中點(diǎn)電流inp=dm?iv+ms0?ds0?iu，其中ms0為電流調(diào)制參數(shù)且ms0?2)落于C場所，則可通過兩個(gè)小矢量來發(fā)揮作用（一個(gè)不可控中矢量+兩個(gè)可控小矢量）：Vref=dds0+dds0=1-2m?sinθdm=m(3ds1=msin中點(diǎn)點(diǎn)流：inp=d 有兩個(gè)調(diào)節(jié)因素ms0，m3）落于A場所，有兩個(gè)可控小矢量inp=m此時(shí)逆變器等效于兩電平運(yùn)行，可以控制兩個(gè)因素ms0，m三相開關(guān)狀態(tài)至脈沖序列解碼模塊如下圖5.2b：圖5.2b開關(guān)狀態(tài)模塊5.3坐標(biāo)變換與工作區(qū)域判斷矢量控制過程中發(fā)生靜止三相坐標(biāo)A、B、C，靜止兩相坐標(biāo)α、β和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)M、N的四次坐標(biāo)變換，變換關(guān)系如下：C32=23C2s2r=C2r2s=C23=如下圖5.3所示六個(gè)相等工作扇形區(qū)域，在圖5.2a所示的坐標(biāo)系中分解所選參考矢量，得到vα圖5.3b矢量工作扇區(qū)劃分圖1）如果vβ>0且有v2）如果vβ>0且有vα3)如果vβ>0且有vα+4)如果vβ<0且有vα-5)如果vβ<0且有vα+6)如果vβ<0且有vα+下圖為矢量狀態(tài)判斷模塊：圖5.3b矢量狀態(tài)模塊仿真模塊中分解所選參考矢量，得到下圖的vα圖5.3c1)vα矢量分量圖5.3c2)做出判斷后，定義如下三個(gè)邊界條件k1k1=32k2=32k3=33給定調(diào)制比m=vref23u1）調(diào)制比小于k1的情況下，A區(qū)域包含參考電壓旋轉(zhuǎn)矢量，A區(qū)域內(nèi)的電壓矢量V0，V2）調(diào)制比位于k1，k2之間，C區(qū)域包含參考電壓旋轉(zhuǎn)矢量，C區(qū)域內(nèi)的電壓矢量V13）調(diào)制比位于k2，k3之間且電壓矢量夾角θ?0，π6,B區(qū)域包含參考電壓旋轉(zhuǎn)矢量，B4）調(diào)制比位于k2，k3之間且電壓矢量夾角θ?π6，π3，D區(qū)域包含參考電壓旋轉(zhuǎn)矢量，5.4仿真結(jié)果分析在前面小節(jié)所介紹的方式確定參考矢量所在工作區(qū)域后，我們可以建立相應(yīng)時(shí)間計(jì)算模塊發(fā)送信號來進(jìn)行計(jì)算各個(gè)開關(guān)矢量的工作時(shí)長和三相每一相的空間矢量調(diào)制波的跳變時(shí)間，根據(jù)第三章中點(diǎn)鉗位平衡點(diǎn)壓的方法重新分配正負(fù)小矢量的時(shí)間并與三角波發(fā)生器比較，得到所需的脈寬調(diào)制波形。仿真結(jié)果如下圖5.4a，圖5.3b。圖5.4a相電壓SVPWM波與正弦波圖5.4b線電壓SVPWM波與正弦波由圖可知三電平逆變器輸出三電平階