NPC型三电平逆变器及其中点电压平衡的研究.docx

分类号分类号学号学号 M201272281 学校代码学校代码 1 0 4 8 7密级密级 硕 士 学 位 论 文NPCNPC 型三电平逆变器及其中点电压型三电平逆变器及其中点电压 平衡的研究平衡的研究学学位位申申请请人人:潘胜和潘胜和学学 科科 专专 业业：：控制工程控制工程指指 导导 教教 师师：：尹泉副教授尹泉副教授答答 辩辩 日日 期期：：2014.5.24A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the Master of EngineeringResearch on NPC Three-Level Inverter and its Neutral-Point Voltage BalanceCandidate: Pan ShengheMajor: ControlEngineering Supervisor: Assoc. Prof. Yin QuanHuazhong University of Science 若电流方向为负,则电流从 A 点流经开关管 Sa3 和箝位二极管 DZa2 到达 0 点。

两种工作状态中 A 相的输出均为零电平(O)，U AO =0 3) 导通 Sa3 、 Sa 4 ， 关断 Sa 2 、 Sa1 ， 工作状态如图 2-2(c)所示, A 相输出与 直流侧中性点 N 端相连若电流方向为正,则电流方向为：N 点—Da3—Da4—A 点;若电流方向为负,则电流方向为：A— Sa3 — Sa 4 —0 点两种工作状态中 A 相 的输出均为负电平(N)，UAO = - Udc / 2 PSa1Da1PSa1Da1UdcC1DZa1OC2 DZa2NSa2Sa3Sa4Da2ADa3Da4UdcC1DZa1OC2 DZa2NSa2Sa3Sa4Da2ADa3Da4(a) P 状态 A 相输出电流(b) O 状态 A 相输出电流DZa1C2PSa1Da1C1Sa2Da2UdcOASa3Da3DZa2Sa4Da4 N(c) N 状态 A 相输出电流图 2-2 三种状态 A 相输出电流方向示意图由此可见每相能够输出三个电平,而线电压能够产生五种电平，负载电流反 向时，箝位二极管能够箝位和续流表 2-1 列出了二极管箱位型三电平逆变器输 出电压与开关状态之间的关系，表中“1”表示开关管开通，“0”表示开关管关 断。

表 2-1 开关变量关系表Sa1Sa2Sa3Sa4U AO状态1100Udc /2 P01100O0011-Udc / 2N2.2 工作状态的切换由表 2-1 可知，当逆变器进行 P-O 或者是 O-N 之间的状态切换时，一个桥 臂只有两个开关器件动作，而 P-N 之间的开关状态切换时，却需要四个开关器件 同 时动作才能完成切换，当 4 个开关器件同时 切换时，在某一时刻可能会出现 三个或者四个开关管同出时导通的情况，这种情况会导致逆变器无法正常工作甚 至使器件损坏，因此在实际控制过程中，应尽量避免 P-N 之间的直接切换以 A相 P 状态与 O 状态之间的切换为例来说明逆变器输出的切换过程1) P—O，电流方向为正如图 2-3(a)所示，A 相处于 P 状态时，Sa1、Sa2 开通，Sa3、Sa4 关断；切 换到 O 状态需要将 Sa1 关断，Sa3 开通由于电流不会发生突变，所以电流会通 过 DZa1 续流，A 相就会与直流侧的 O 点接通，输出 O 电平PC1 DZa1OC2 DZa2NSa1 Sa2Sa3 Sa4Da1 Da2Da3 Da4(2) P—O，电流方向为负图 2-3 P 状态到 O 状态转换如图 2-4 所示，A 相处于 P 状态时，Sa1、Sa2 开通，Sa3、Sa4 关断；切换 到 O 状态需要将 Sa1 关断，Sa3 开通。

由于电流并未通过 Sa1，因此 Sa1 关断对 电流回路没有产生影响，Sa3 开通后，电流有 2 条路径可以选择：A—Da2—Da1—P 和 A—Sa3—DZa2—O但由于 O 点比 P 点的电势低，因此电流迅速转新路 径，完成切换DZa1C2PSa1Da1C1Sa2Da2OSa3Da3 DZa2NSa4Da4DZa1C2PSa1Da1C1Sa2Da2OSa3Da3 DZa2NSa4Da4(3) O—P，电流方向为正图 2-4 O 状态到 N 状态转换如图 2-5 所示，A 相处于 O 状态时，Sa2、Sa3 开通，Sa1、Sa4 关断；切换Sa1DZa1C2DZa2P Da1C1Sa2Da2OSa3Da3NSa4Da4到 P 状态需要将 Sa1 开通，Sa3 关断切换前，电流未流经 Sa3，因此 Sa3 关断 对电流回路没有影响，当 Sa1 开通后，由于 P 点电势高于 O 点，因此电流路径 马上切换到 P—Sa1—Sa2—A，完成状态切换PC1 DZa1OC2 DZa2NSa1 Sa2Sa3 Sa4Da1 Da2Da3 Da4(4) O—P，电流方向为负图 2-5 O 状态到 P 状态转换如图 2-6 所示，A 相切换前的路径为：A—Sa3—DZa2—O。

当 Sa1 开通，Sa3 关断后，迫使电流回路变为 A—Da2—Da1—P，完成切换PC1 DZa1OC2 DZa2NSa1 Sa2Sa3 Sa4Da1 Da2Da3 Da4PC1 DZa1OC2 DZa2NSa1 Sa2Sa3 Sa4Da1 Da2Da3 Da4图 2-6 O 状态到 P 状态转换由以上状态切换过程可以发现，在切换过程中需要加入一定的死区环节，否 则可能会导致直通，损坏系统硬件2.3 NPC 型三电平逆变器特点根据以上的拓扑结构和开关状态分析，总结二极管箝位型三电平逆变器优点 有：DZa1C2PSa1Da1C1Sa2Da2OSa3Da3 DZa2NSa4Da4(1)开关器件的承压要求相对较低与传统的两电平逆变器相比，开关器件 只需要承受直流侧母线电压的一半，对系统硬件要求明显降低，每一个开关管的 开关损耗要小2)逆变器相电压输出有 3 种电平，而线电压由 5 种电平组成，在相同的开 关频率下，较传统两电平逆变器相比，输出的谐波含量要小缺点有：(1)对输出波形质量的要求的提高，导致开关器件的数量增加 (2)同一个桥臂，内部 2 个开关器件相比较外部的 2 个开关器件导通时间长，使系统对开关器件的利用率不均，并容易导致内部两个开关器件较快减短使用寿 命。

3)直流侧串联分压电容的中点电压不平衡不同开关状态需要向直流侧的 电容进行充电或者放电，使得电容电压不能保持平衡，使系统无法输出期望的电 平这也是本文需要极力解决的问题2.4 本章小结本章首先给出了二极管箝位型三电平逆变器的基本拓扑结构，然后就系统的 不同开关状态进行逐个分析，解释系统输出三种电平的机理然后对不同开关状 态之间的切换进行举例分析，说明不同开关状态切换时需要注意的问题；最后根 据以上分析，总结二极管箝位型三电平逆变器的优缺点；为下文的撰写提供了基 础3三电平逆变器 SVPWM 算法的研究3.1 概述PWM 技术是电力电子系统变频调速的核心技术，它通过电力电子开关器件 的开断使直流信号变成一系列的脉冲序列，来实现电压、频率的变换，同时又可 以有效地消除谐波，因而 PWM 技术的发展受到了国内外学者的高度重视第一章中详细介绍了三电平逆变器的 PWM 调制技术中被广泛接受的有：基 于载波的正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)和空间矢量脉 宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation SVPWM)。

众所周知，空间电压矢量 控制技术是以电动机磁链跟踪技术为基础发展而来的，它从电动机的角度把逆变 器电动机看做一个整体，用逆变器的不同开关状态使交流电机获得近似圆形的磁 通矢量轨迹与传统两电平 PWM 技术相比，虽然三电平空间电压矢量控制的矢 量较多而且算法也相对复杂，但是它具有输出性能高、电压利用率高、易于数字 化实现等优点，通过冗余矢量的合理分配，还可以有效降低开关频率、减小开关 损耗因此，本文选用空间电压矢量控制算法作为三电平的调制方法进行研究3.2 三电平空间基本矢量及合成原则三电平逆变器采用 SVPWM 主要是以三相电机为控制负载对称，但实际中 逆变器负载不一定是三相对称的电机，因此 SVPWM 的物理意义弱化，而更强 调它的数学意义以交流电机为负载，把三相信号供给电机时，电机气息磁场矢量轨迹为圆形 由于三相逆变器输出为标准相电压，可以将输出电压Ua ，Ub ，Uc 看做三个电压 向量，由此可以得到空间电压矢量为： 2V (uj 2e 3 uj 4e 3 u )(3-1)3abc理想化的三电平逆变器可以将每相桥臂简化为一个三掷开关 S，如图 3-1 所 示C1C2SaUdcSbSc图 3-1 三电平逆变器的开关模型以图中的 O 点为参考电位，则每相桥臂可以输出三种电平，分别为： Udc/2,0,-Udc/2，分别代表三种电平：正(P)，零(O)，负(N)。

定义三相桥臂的输出开关状态为：Sa, Sb, Sc可以得到每相电压的表达式：u Udc Sa2au Udc Sb2bu Udc Sc2c(3-2)三相三电平逆变器每项输出 3 种状态，一共可以输出 33 27 种状态，对应不同的逆变器开关状态，把(3-2)代入(3-1)，就可以用开关状态表示电压空间矢量， 即 UV dc [(2SS S ) j3(SS )](3-3)6abcbc把各组合开关代入可以发现，27 种组合实际只有 19 个空间基本矢量，4 种不同幅值，根据幅值不同可以分为：小矢量( 1 U)，中矢量( 3 U)大矢量( 2 U )，3dc3dc 3dc零矢量(0)其中零、小矢量对应多个冗余开关状态，这是后面解决中点电压平 衡问题关键点将 27 组空间状态对应的 19 个空间向量表示在-平面上，如图 3-2 所示1NPO IIINPNII6 54 OPO 3NON2β OPN31PPN5 6 PPO OON4IPON641235NPPOPP NOO 53 42 PPP1 OOO NNN2 21 12POO ONN4 3PNN α6NOP IVOOP NNO6 5POP ONO 345 6PNO VINNPV ONPPNP图 3-2三电平逆变器 SVPWM 空间矢量图从三电平逆变器空间矢量图可知，为使三电平逆变器输出接近圆形的电压矢 量以获得圆形磁通，就需要对基本电压矢量进行线性组合，以构造出任意角度和 幅值的电压矢量。

在一个采样周期内，对于以个给定的参考电压矢量，可以用 3 个基本电压矢 量作用不同的矢量来构造合成，同时依照电压矢量与开关状态的关系，确定最终 的开关输出根据以上要求，实现三电平逆变器 SVPWM 的控制，在一个采样周期内需要 完成以下三个步骤：(1)扇区划分与区域判断确定参考电压矢量合成的三个基本矢量 (2)矢量作用时间计算确定合成参考电压矢量的每个基本矢量的在一个采样周期内的作用时间3)时间状态分配确定各基本矢量对应的开关状态和次序，再将计算完成的 作用时间分配给相应的开关状态3.3 扇区划分与区域判断为了能获得接近圆形的旋转电压矢量，就需要用 27 个基本空间电压矢量通 过线性组合来合成需要的参考矢量，下面将详细探究这一问题在 3.2 节中定义的空间电压矢量V ，就是我们需要合成的目标参考矢量Vref 确定Vref 之后，就需要确定参考矢量的位置，以便用合适的基本矢量来线性组合 为了简化算法，将整个-平面分为六个扇区，然后将每个扇区再细分为六个小区域，一共 36 个区域对每个大扇区及小区域编。