电子电路单相三电平逆变器及控制研究.doc

摘要当今世界，电能越来越成为人们日常生活和工业生产中的重要能源，而其质量和指标在不同的情况下有不同的要求。随着交流电机调速技术的逐渐成熟，高性能大容量的交流调速技术显得尤为重要。三电平逆变器由于具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小、控制方法成熟简单等优点，在中高压调速领域得到了广泛的应用。而正弦脉宽调制（SPWM）方法是三电平逆变器的核心技术之一。本文介绍了单相三电平逆变器的结构和基本原理，及其SPWM控制法的原理，并以载波同向SPWM法对三电平逆变器进行控制。本文基于MATLAB/SIMULINK对三电平逆变电路建立模型，并进行开环、闭环仿真，从而分析了逆变器输出电压的谐波含量、电压稳定度。采用PI调节器设计对逆变器设计了双闭环控制，同时对负载能力进行研究。关键词三电平逆变器 正弦脉宽调制 MATLAB PI调节器单击此处输入中文关键词Abstract Nowadays,electrical energy has play a more and more role in people's daily life and industrial production , and its quality and index in different circumstances have different requirements.Along with the induction motor technology mature gradually,high performance and capacity of AC control technology is particularly important.Because of the advantages,such as high output capacity, high output voltage, small current harmonic content, and the control method is mature and simple, so the three-level inverter in high voltage control field is in a wide range of applications.The sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control method is one of the core technology of three-level inverter .This article describes the three-level inverter structure and basic principles, the PWM control method .With the method of carrier homonymous SPWM three-level inverter control.MTALBA/SIMULINK is used for the three-level inverter circuit model building, and the open loop, closed loop simulation in the paper.So as to analyze the harmonic content of inverter output voltage，and the voltage stability.The PI-controller is applied to design the dual-loop,and do the research of ability to load.Keywords：Three-level Inverter SinusoidalClick here and input keywords in English-PWM(SPWM) MATLAB PI-controller 目 录摘要IVAbstractV第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 多电平逆变技术的发展及意义41.2.1 多电平逆变技术的发展41.2.2 多电平逆变技术的意义41.3 课题研究的主要内容及目标5第2章 多电平变换器的主电路拓扑及工作原理62.1 多电平逆变技术分类与选择62.2二极管钳位式三电平逆变器的拓扑及工作原理82.3 二极管钳位三电平逆变器的特点13本章小结15第3章 多电平逆变器的调制策略163.1 多电平逆变器的控制目标及PWM技术163.2 逆变器调制技术的分类173.3 三电平逆变器的SPWM技术18本章小结20第4章 逆变电路的数学模型建和参数设计214.1 逆变器的基本要求214.2 单相逆变器的数学模型214.3 逆变器滤波器的设计234.4 逆变器闭环系统调节器的设计264.5 PI调节器参数计算294.5.1 电压电流瞬时值双闭环控制系统294.5.2 外环电压平均值内环电压瞬时值控制系统304.5.3 外环电压平均值内环电流瞬时值控制系统32本章小结33第5章 三电平逆变器的MATLAB仿真及分析345.1 三电平逆变器的MATLAB/simulink模型345.2逆变器的MATLAB仿真与分析365.2.1 开环系统的仿真与分析365.2.2 闭环系统的仿真与分析39本章小结50第6章 逆变器控制电路选择及器件列选516.1 PI调节器集成芯片SG3525516.1.1 集成芯片SG3525的介绍516.1.1 三电平逆变器PI调节器的SG3525的实现556.2驱动芯片IR2110566.2.1 驱动芯片IR2110566.2.1 IR2110在三电平逆变器中的参数设计586.3 逆变器元器件列选58本章小结59结论2参考文献4致谢6附录17附录26第1章 绪论1.1 课题背景及意义电能是当前时代国家经济发展和人民生活的不可或缺的能源。我国的电能生产与发展已名列世界前茅，但是仍满足不了工业生产和人民生活的提高的需要。由于缺电，生产不能按照正常的速度和秩序进行，影响了国民经济的发展和人民生活水平的提高。与此同时，在电能十分紧张的情况下，由于技术落后，电能的浪费现象也十分严重。例如在工业用电中根据国家有关部门的调查统计，年发电量的60%70%用于电动机拖动。其中90%是用于交流电动机的直接恒速拖动，由于不能实现变频条数，每年都会造成很大的电能浪费。如占工业用电30%以上的风机和泵类负载，全国共有约4700万台以上，总功率达1.3亿KW以上，由于这类负载的工况变化较大，如果将直接恒速拖动改动用中、高压容量变频调速拖动，就可以达到明显的节电效果，以平均节电20%计算，全国一年可以节电约500亿KWh，相当于一个年发电量1500万KW的发电站。此外，中、高压大容量变频调速系统在轧钢、水泥、造纸、船舶等工业与生活领域中的应用，可以是系统性能最佳，可以提高生产效率和产品质量。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，如告诉电气化铁路、城市地铁和轻轨以及电动汽车等，可以大大减少尾气排放的污染。3单击此处输入正文内容 自1957年美国通用电气公司研制的第一个晶闸管面世开始，电力电子技术从此诞生。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能关断的器件，因而属于半控型器件。70年代后期，以门极客观段晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过门极的控制既可以使其开通又可以使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子技术的应用越来越广泛，也开启了电力电子技术的新的纪元。4随着电力电子技术在低压小功率的用电领域的广泛应用，其技术在许多方面已渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能；而在高压大功率的工业和输配电领域，各方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。一方面，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，电力系统中的高压直流输电（HVDC），以静止同步补偿器（STATCOM）和有源电力滤波器（APF）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等；另一方面，为了满足输出电压谐波含量的要求，有希望这些大功率电力电子装置能工作在高开关频率下，并且尽量减少电磁干扰（EMI）问题。3为了满足对电力电子装置的诸多要求，人们提出了很多方案,如将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流，或者将多个装置串联或并联来达到目的。但是，由于生产制造使得电力电子器件参数具有离散性，需要复杂的动、静态均压电路和均流电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加；而器件均流，对于具有负沮度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时，对于器件串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近、并尽量短。在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是必不可少的，降低了系统的可靠性，井且这一方案对抽出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用范围受到了一定的局限。随着电力电子装置等非线性负载在电力系统、工业、轨道交通以及家电中的大量应用，对电网的无功与谐波污染也日益严重。电网中的无功与谐波不仅可以降低发电、输配电和用电的效率，同时也降低了电气设备的可靠性，严重时还可能损坏设备、危及电网的安全运行。我国的电网具有以下特点：超大规模；超长距离、超大容量电力传输；超级水、火发电中心与能源基地；超重负载中心；能源中心与负载中心联系非常薄弱；交、直流混合输电；多种控制装置混合。这些特点决定了我国的电网将面临非常严重的安全和稳定的隐患问题，而克服这些问题的有效办法就是发展柔性交流输电系统（FACTS）和治理电网的无功与谐波污染，以提高电力系统的可控性和可靠性，提高电能的输送能力以及系统的安全性和稳定性。为此，采用高压大容量多电平逆变器构成的综合潮流控制器（UPFC）和电力有源滤波无疑是一种最直接最有效的治理方法。多电平逆变器与传统两电平逆变器相比，具有许多优势，如控制方式灵活、输出电压的相位和幅值便于调节与控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格更便宜的低频高压大功率开关器件、适合于高压大功率输出等。因此，在各种高压大功中的AC一DC变换、DC一DC变换和DC一AC变换中得到应用，但主要应用于高压大功率交流电动机的变频调速、直流输电和电能质量综合治理及超导储能，感应加热和大功率不间断电源( UPS)等领域。同时在清洁能源的利用上也起到重要作用，如风力发电和太阳能发电可以通过高压多电平逆变器入网。随着大量电力电子装置的普及使用以及变压器、交流电动机、整流器、荧光灯等非线性感性负载比例的增加，电网所受到的无功功率与谐波污染日益严重，而无功功率补偿和电力有源滤波器也向着高压大功率的方向发展。因此，多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用前景。高压大容量交流电动机的变频调速系统，是多电平逆变器的另一个重要领域，在城市自来水厂用的供水泵，电厂用的给水泵、引风机、水泵，钢厂轧钢用的大容量交流电动机拖动、制氧机、除尘风，石油工业用的压缩机，煤矿用的排水泵、排风扇，交通运输用的电力机车，船舶用的电力推进系统，轨道交通用的机车牵引系统等，采用多电平逆变器的变频调速系统可以节省大量能源，不但可以提高生产效率，而且还可以实现重载和高速列车的牵引。总之，在当前我国国民经济高速发展的今天，多电平逆变器将有着广阔的应用前景。当前研究的重点的应用：1)在电力系统中，作为直流输电的高压整流器和高压逆变器使用，和作为治理无功与谐波污染的静止无功功率发生器与电力有源滤波器的主电路使用；(2)在高压大功率传动机械，或高压大功率交流电动机变频调系统中作为整流器与逆变器使用，如应用于工业风机或泵类的变频调速系统以及轨道交通系统的牵引力。1.2 多电平逆变技术的发展及意义1.2.1 多电平逆变技术的发展1980年，由日本长冈科技大学南波江章(A.Kira Nabae)等人在IEEE工业应用年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构，这标志着多电平逆变器时代的来临。1983年，P.M.Bhagwat等人将三电平扩展到了五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。1988年，M.Machesoni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，Fang Z.Peng在IEEE工业应用年会上提出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。3、4、13、14多电平逆变器主要应用在高压大功率交流电动机的变频调速、直流输电和电能质量综合治理以及超导储能、感应加热和大功率不间断电源(UPS)等领域；同时在清洁能源的利用上也起到了重要的作用，如风力发电和太阳能发电可以通过高压多电平逆变器入网。在我国国民经济高速发展的今天，多电平逆变器已经渗透到了各个领域，有着广阔的应用前景。1.2.2 多电平逆变技术的意义多电平逆变技术是通过改进变换器自身的拓扑结构来实现高压大功率输出的，并不需要升降压变压器和均压电路。多电平的应用，使得电平数量增多，每个器件上所承受的电压应力也有所减少，减轻了对全控器件性能上的要求。同时，输出电压的谐波成分得到了良好的改善，低频谐波的含量得到了极大的减少，可以实现滤波的小型化与简单化。多电平应用的推广，使得高压大功率交流变换器的研究成为热点。多电平电路具有以下优点：（1） 对于N电平输出电路，每个功率器件承受的电压仅为直流电压母线的1/(N-1)，对器件的耐压要求降低，而且无需考虑器件均压问题。（2） 由于输出电平的增加，在相同开关频率的基础上，多电平输出的开关损耗小，输电效率高。（3） 由于输出电压电平的增多，使得输出电压在波形上更接近正弦波，电压畸变（THD）减小，谐波含量低。（4） 由于电平数增多，每个开关管承受电压低，也降低了du/dt，也改善了装置的EMI特性。（5） 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。多电平变换器的概念是在中点钳位（NPC,Neutral Point Clamped）变换器的基础上发展起来的。它的基本思想是由多个电平台阶来拟合成阶梯波，以逼近正弦波。电平数量越多，阶梯波台阶也就越多，从而也就越接近正弦波，谐波成分也就越少。但是，随着电平数的增多，对器件数量的需求将成倍增长，而且在驱动和控制上来说也更为复杂。141.3 课题研究的主要内容及目标通过学习了解逆变器电路的基本原理，针对±425V输入的主电路直流电压，采用多电平技术，经过电能变换得到有效值为220V的交流电。主电路采用二极管钳位式三电平逆变器主电路，根据施加的PWM驱动信号分析主电路工作原理，设计主电路参数和滤波器件的参数，进行开环仿真。再通过设计闭环控制系统，电流内环保证电流的稳定跟随电压，电压外环保证输出电压稳定输出，开展系统闭环仿真研究，使输出的电压稳定度为1%，设计调节器及参数。 驱动方式分别用载波调制脉宽调制的方法（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM），通过比较两种不同的调制控制方法，设计不同参数的电路元件参数，并且比较二者的异同及优劣。第2章 多电平变换器的主电路单击此处输入章标题拓扑及工作原理2.1 单击此处输入节标题多电平逆变技术分类与选择由文献3、4、12得知，多电平逆变器的发展过程中，形成了三种主要类别的电路拓扑结构。主要分为以下三类（以五电平为例）：1、二极管钳位型多电平逆变器（Diode-Clamped Multilevel Inverter），如图（2-1）所示；2、飞跨电容型多电平逆变器（Flying-Capacitor Multilevel Inverter）,如图（2-2）所示；3、级联型多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter）,如图（2-3）所示。如图（2-1）所示的钳位型多电平逆变电路，此电路为五电平逆变器。图2-1二极管钳位式多电平逆变器单臂电路分压电容将直流电压平均分为四等分，每相桥臂有8个开关器件，开关器件开关的不同组合，能够使输出电压得到E/2、E/4、0、-E/4、-E/2共五个电平。传统的二极管钳位型多电平变换器中，当电平数超过三时，钳位二极管因需要阻断多倍电平电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。如图（2-2）所示的飞跨电容型5电平逆变器的单臂电路，同样有8个功率开关管，左侧同样有4个分压电容，将输入直流电压平均分为四等分。与二极管钳位不同的是，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行电容进行钳位的。该电路的电压组合跟为灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。对于一个有n电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2(n-1)个开关器件，(n-1)个直流分压电容以及(n-1)(n-2)/2个钳位电容。图2-2飞跨电容型多电平逆变器单臂电路如图（2-3）所示的级联型五电平变换器拓扑单臂电路，它是由两个两电平桥式电路级联而成的。与二极管钳位型和飞跨电容型多电平变换器相比，级联型拓扑不需要大量的钳位二极管和飞跨电容，但是需要的是多个独立电源。对于一个n电平的级联型拓扑，每个桥臂需要（n-1）/2个独立直流电压源和2(n-1)个主开关器件。图2-3级联型多电平变换器三种不同的电路拓扑，各有其优缺点。三种电路电平数越多，输出电压谐波含量越少。但二极管钳位型多电平需要大量钳位二极管，而且存在直流分压电容电压不平衡问题；飞跨电容型多电平电路则需要大量的钳位电容，若用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡；级联型多电平电路需要多个独立直流电源。当采用不控整流得到直流源是，为零减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现，而且不易实现四象限运行。2.2二极管钳位式三电平逆变器的拓扑及工作原理三电平二极管钳位式逆变器主电路拓扑如图2-4所示，其控制方法种类很多。其中应用最广泛的是SPWM控制法，使变频器输出的交流电压波形近似为正弦波。本文采用的是SPWM控制法中的载波反向层叠PWM法，由两电平SPWM法发展而来，两个相位相反的三角载波对称的分布于横轴上下，并用同一个正弦波进行调制。假定输出的三个电平分别为P，0，N，当正弦调制波的正半周大于上层的三角载波时，输出电平为P，即为+E；当正弦调制波的负半周小于下层的三角载波时，输出电平为N，即为-E；其他部分输出电平为0电平，即为0。图2-4.单相三电平二极管钳位式逆变电路这种控制方法的优点是输出的矩形脉冲波形对称，输出电压数学表达式易于推导，且实现简单。缺点是直流电压利用率低，有效开关频率较高，开关损耗较大。载波反向层叠PWM控制方法三电平逆变器输出电压的谐波有如下特点：直流分量为零基波为：ME/4sinwt,其中M为调制度，E为直流电源；不含基带谐波，不含载波和载波谐波；只存在n为奇数的载波上下边频谐波。每个桥臂由由四个开关管串联而成，此处选用的功率器件为IGBT。图2-5表示的是四个开关管在不同的工作状态下产生的工作波形。图中，四个不同的状态标示的开关管编号表示。此时处于开通状态的开关管。由图可以看出，逆变器工作过程中图2-5.三电平逆变器的工作波形一共有三中电平状态。通过开关管导通状况的不同组合，产生了四种工作模式，如下图2-6所示。a) 工作模式1b）工作模式2c)工作模式3d)工作模式4图2-6.主电路的工作模式主电路的工作模式分析如下：1）工作模式1：给VTl、VT2导通触发脉冲，VT3、VT4关断，电路电流流过主管VTl、VT2，忽略管压降，该相输出端电压Uo=E。2)工作模式2、3：给VT2、VT3导通触发脉冲，VTl、VT4关断，若电流为正，则电流流过钳位二极管VD1、主管VT2，工作在模式2，忽略管压降，此时该相输出端电压为UO=0；若电流为负，则电流流过钳位二极管VD2、主管VT3，工作在模式3，忽略管压降，此时该相输出端电压为UO=0。3)工作模式4：给VT3、VT4导通触发脉冲，VTl、VT2关断,电流流过主管VT3、VT4，忽略管压降,该相输出端电压Uo=-E。表2-1列出了开关管导通与输出电平的关系(其中1表示该管导通，0表示该管关断，下同）如表1所示，从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，可以得出输出端的三种状态：“1”状态，Vo=+E(状态编号设为P)；“0”状态，Vo=0(状态编号设为0)；“-1”状态，Vo=-E(状态编号设为N)。为了保证每个功率器件在关断状态承受E电压，则状态变化时，通过中性点电位0的过渡。由分析可以看出，对主开关器件控制脉冲是有严格要求的，以防止同一桥臂贯穿短路。即：VTl与VT3，VT2与VT4的控制脉冲都要求是互反的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的原则。并且输出端电位由+E向-E转变时先要经过0电位的过渡，即每相电位只能向相邻电位过渡，不允许输出电位的跳变。表2-2给出了A相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态。由表2-2可知，单相桥臂的状态变化只存在四种可能：即0变到1，1变到0，0变到-1，-1变到0。控制状态在0和1之间反复变化时，必须使VT2导通、VT4关断，控制VTl和VT3交替通断；控制状态在0和-1之间反复变化时，必须使VT3导通、VTl关断，控制VT2和VT4交替通断。2.3 二极管钳位三电平逆变器的特点三电平结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行钳位，输出相应三电平的相电压。这种拓扑的优缺点如下：优点：(1)对器件的耐压要求不高。开关元器件所承受的关断电压为直流母线电压的一半。且由于没有两电平逆变器中两个串联器件同时导通、关断的问题，故对开关器件动态性能的要求低，开关器件受到的电压应力小，系统的可靠性高。 (2)逆变电路输出为三电平阶梯波，其形状接近于正弦波，在开关频率相同的情况下，谐波含量比两电平电路要小得多，而且电平数越多，输出电压谐波含量越少。(3)逆变器的直流侧采用电容分压以形成多电平，不需要结构复杂的曲折联结变压器就可直接实现高压大功率，缩小了装置的体积。(4)不存在动态均压问题. 由于钳位二极管的使用, 使得NPC 逆变器不需要考虑动态均压, 这是传统的二电平逆变器所不具有的。(5)由于输出电压的电平数比两电平逆变器多，各梯级电平之间的变化小，dv/dt低，因此对外围电路的电磁干扰小，对负载电动机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也比较小。缺点：(1)需要大量钳位二极管。(2)同一桥臂的功率器件开关频率不同，每个桥臂中部的开关管同靠近直流母线的开关器件相比，前者导通时间远大于后者，造成开关器件的利用率不同，前者流过的电流较多，承担的负荷较大。(3)存在直流分压电容电压不平衡的问题，这是此电路的致命弱点。直流侧电容由于一个周期内流入和流出的电流不同，导致某些电容总在放电，另一些总在充电，使得电容电压不均衡，最终导致输出电平不对称。因而需要通过有效的控制策略来平衡中点电压，否则实际输出波形将和理论相差甚远。(4)现有的电力电子器件的耐压不够，对国内的6000V和10000V的应用场合，需要采用电力电子器件串联或改电动机接法或加装输出升压变压器等措施。本章小结本章主要研究了三种传统的多电平逆变器拓扑结构，即二极管箝位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器、级联H桥型多电平逆变器。对多电平逆变技术的电路拓扑进行了介绍，特别对二极管钳位式三电平逆变技术的工作原理进行了详细的分析和介绍。第3章 多电平逆变器的调制策略3.1 多电平逆变器的控制目标及PWM技术多电平逆变器的PWM控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定多电平逆变的实现与否，而且，对多电平逆变器的输出波形质量、电路中的器件应力、系统损耗的减少和效率的提高都有直接的影响。多电平逆变器的调制在传统两电平的基础上增加了零电平，从而使输出电压的谐波含量更进一步减少。PWM控制技术的基本原理是根据采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。如图3-1a所示，的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就可以得到图3-1b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于负半周期也可以按同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。1、2、614图3-1 用PWM波代替正弦半波3.2 逆变器调制技术的分类多电平逆变器PWM控制技术是用一种参考波为正弦波的波形作为调制波，而以(频率调制比)倍于调制波频率的三角波为载波。由于三角波的上下宽度是线性变化的，因此通过正弦调制波与三角波进行比较在正弦波大于三角波的部分就可以得到一组幅值相等、宽度正比于正弦波的矩形脉冲序列来等效正弦波，用开关量取代模拟量，并通过逆变开关管的通断控制，把直流电能变换成多电平PWM交流电能。多电平逆变器的PWM控制方法主要分为两类：空间电压矢量调制法和多载波PWM调制法34、12、14。1、空间电压矢量调制法不同的PWM控制方法适合于不同的主电路结构。空间电压矢量控制方法适合于五电平以下的多电平逆变器。五电平以上的多电平逆变器不适用空间电压矢量控制法，因为它的电路非常复杂。对于五电平以上的多电平逆变器电路，更适合采用多载波调制控制法，它可以使电路大大简化。2、多载波PWM调制策略逆变器的调制策略对输出电压谐波、开关损耗、电容电压的平衡等方面产生很大的影响。对于多电平逆变器，基于多载波的PWM调制策略是用于多电平拓扑结构最常用的方法。其原理是利用一个调制信号波(通常为正弦波)与多个载波信号(一般为三角波)相交，来产生开关器件的驱动波形。多载波PWM调制技术可分为两类：载波移相法(PSPWM)和载波垂直分布法(CDPWM)。PSPWM方法采用是幅值和频率都相同的载波信号。将载波信号与参考正弦波信号进行比较，如果参考信号大于三角载波信号，则相应于该载波信号的开关器件导通；反之如果参考信号小于三角波信号，则相应于该载波信号的开关器件关断。置于个开关器件的载波信号的初始相位依次移动。该调制方式下，低次谐波含量比较小，但是高次谐波总含量比较大，因此谐波畸变率比较高。CDPWM方法同样采用幅值和频率都相同的载波信号。按照连续的带宽对这些载波信号进行排列，使其完全分布在逆变器的线性调制区。参考正弦波的初始相位为0，且以0参考轴为中心。即在参考正弦波的正半周，参考波与0参考轴以上的所有载波信号进行比较，当参考波每大于一个载波时，便输出一个正的电压，否则输出0电平；反之亦然。该方法又可分为两种情况：(a)所有载波相位都相同。输出波形的高次谐波总含量较小，但是低次谐波含量较大。(b)对称轴上下载波反相。输出波形的低次谐波含量有所减少，但高次谐波含量有所增加。3.3 三电平逆变器的SPWM技术载多电平逆变器的载波调制PWM法中，多电平逆变器的载波有频率、幅值、相位、水平方向和竖直方向等多个自由度。由文献8知，常采用多电平逆变器载波交叠式PWM法（Carrier-Over-lapping PWM,简称COPWM）。图3-2 载波交叠式PWM调制法三电平逆变器的驱动信号如图（3-2）需要四路脉宽控制信号，其中S1和S3的控制信号相同，但反相180度；S2和S4的控制信号相同，也反相180度。这样思路控制信号就变成了只需两路控制信号即可。应用两路交叠的载波，一路调制波即可调制脉冲，如图（3-3）。P2P1图3-3 PWM控制脉冲的产生如图（3-3）为正弦波与三角波的比较产生PWM脉冲，P1信号接往S1和反相后接S3，P2信号接往S2和反相后接S4。由图可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使调制工作与高调制度的情况下。正半周波时，正弦波始终高于下面三角波，则产生的PWM波使S4始终关断；同理负半周波，S1始终关断。本章小结本章主要讨论了多电平逆器的PWM调制方法。首先介绍了多电平逆变器的控制目标及PWM技术的基本原理。在第二节介绍了PWM脉冲波产生的两种方法，分别是空间电压矢量调制法，多载波PWM调制策略。第三节，详细介绍了多载波调制PWM，阐述了各个开关管的工作状态。通过本章的介绍，对多电平逆变器的调制方法进行详细了解。第4章 逆变电路的数学模型建和参数设计4.1 逆变器的基本要求1、针对±425V输入的主电路直流电压，设计二极管前位式三电平SPWM逆变器主电路，根据施加的SPWM驱动信号分析主电路工作原理，设计主电路参数，进行开环仿真。2、设计闭环控制系统，保证输出电压稳定输出，开展系统闭环仿真研究，设计调节器及参数。 输入电压：±425V（DC） 输出电压：220 V（AC）有效值输出电压稳定度：±1% 输出功率：5kW 开关频率：20kHz 4.2 单相逆变器的数学模型单相半桥式逆变器电路模型如图(4-1)所示，PWM控制脉冲是正弦波和三角波比较而得到的。由于开关状态是不连续的，分析时则采用状态空间平均法。文献2提出状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到一个平均的模型。图中E表示直流输入电源，S1、S2表示开关器件，L、C表示电容和电感组成的滤波器件。r表示等效电阻，通常可忽略不计。R为负载。电桥电压输出电A的电压与输出电压之间的传递函数为G(s) (4-1) 图4-1 单相半桥式电路双极性SPWM调制值，Vi可以表示为 (4-2)式中，S为开关函数。S=1表示S1、S2（或S3、S4）同时导通；当S1或S4断开时，S=0。图4-2 SPWM调制示意图由文献11知，参考图4-2，知调制器输入逆变桥的稳态比例为 （4-3）式中Vtri为三角载波的电压幅值。逆变桥环节动态模型可以等效为一个惯性环节，而时间常数TsTf （Tf 表示开关频率的倒数，Tf =1/f），取Ts=Tf。故而，逆变桥的传递函数则为下式 （4-4）其中等效条件为，为截止频率。所以结合式（3-1）和式（3-4），可得到从调制器输入至逆变器输出的传递函数为 （4-5）由以上建立的数学模型及推导的传递函数，可以得到逆变器主电路等效框图如图4-3所示图4-3 逆变器主电路等效框图4.3 逆变器滤波器的设计由文献2知，在SPWM逆变器中，逆变器的输出LC滤波器主要用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波。考察一个滤波器性能的优劣首先是看它对谐波的抑制能力，具体可以从THD值来体现，另外需要尽量减小滤波器对逆变器附加的电流应力。电流应力增大，除使器件损耗及线路损耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD值小的要求与滤波器引起的附加电流应力小的要求往往是矛盾的。LC滤波器的示意图如下图4-4所示。图4-4 LC滤波器示意图在滤波电路中，忽略逆变电路等效电阻时，滤波器的传递函数为 （4-5）式中，为自然振荡角频率，；为阻尼比。图4-5滤波器伯德图分析这是一个典型的二阶振荡系统，从频域上分析，考虑幅频特性和相频特性，知道影响滤波效果的参数主要是转折角频率和阻尼比。选择SPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率远远低于开关频率，这样对开关频率及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。取。已知开关频率，则有 （4-6）再由公式 （4-7）知最大电流脉动量满足以上关系。式中，E为直流母线电压，L为电感值，为开关频率。图4-5是滤波器在不同的电阻负载下的伯德图曲线，即在不同的值时的伯德图曲线。由图中的曲线可以看出随着在rad/s时出现了衰减，接近-40dB的衰减。由公式（4-6）、（4-7）可确定电感L和电容C的值，最终取电感值L=1mH，电容值C=11。根据公式可得到以下关系曲线图：a）b）图4-6 阻尼系数与负载电阻的关系曲线图4-6为在电感值L=1mH，电容值C=11时的阻尼系数和负载电阻R的关系曲线。图4-6a)为负载电阻R小于100时的关系曲线，4-6b）为负载电阻R大于100时的关系曲线。由图可以看出，随着负载电阻R的增大，阻尼系数将不断减少，渐进趋近0。4.4 逆变器闭环系统调节器的设计在通过查阅文献资料2、1519,发现了逆变器双闭环控制不同模型的确立。分别基于不同的情况考虑，而得到的。如下：电压电流瞬时值双闭环控制系统、电压外环平均值电压内环瞬时值控制系统、电压外环平均值电流内环瞬时值。下面就三种策略进行分析。策略1：电压电流瞬时值双闭环控制系统传统的SPWM型的逆变器，以输出电压作为反馈信号实现单闭环控制。由于变换器本身等效为二阶系统，存在着响应速度慢、稳定性差等问题。特别是在逆变电源中，系统的动态性能差。电流调节控制正是为了弥补电压调节控制的缺点应运而生。它以变换器的全部状态变量电感电流和电容电压（即输出电压）为反馈变量，在电压外环的基础上增加了电流内环，电流环时间常数小跟踪能力好，系统动静态性能大大改