三电平变频器.docx
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1、随着近年来对高质量,高可靠性电源系统的需求不断发展,生产的总电能中,越来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后,再用于民用、工业或军事的需要。而逆变器是对电能进行变换和控制的一种关键器件,具有输出高质量电压波形的能力。高性能数字信号处理器(DSP)的飞速发展,使数字化逆变器系统成为今后发展的潮流。本文主要对NPC三电平逆变器系统进行了分析和研究:1以中点钳位式三电平逆变器的基本拓扑结构为基础,阐述了三电平逆变器的运行机理。2在两电平逆变器基础上详细研究了三电平逆变器中空间电压矢量调制技术的基本原理,提出了一种采用最近三矢量法合成参考矢量的空间矢量脉宽调制算法,给出了小三角形区域判断规则、
2、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量作用顺序和作用时间以及开关信号的产生方法。由于中点电位的不平衡是二极管钳位式三电平逆变器运行过程中比较严重的问题,本文分析了不同矢量对中点电位的影响,并得出通过对成对小矢量的作用时间分配能够控制中点电位的结论。逆变器控制系统在控制策略上采用电压型PWM逆变控制,并用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A、XILINX公司的CPLD芯片XC95144XL、相应的驱动电路和高速数据采集电路等实现这种闭环控制。另外,本文还通过MATLAB仿真软件对基于空间矢量调制的SVPWM波控制的二极管钳位式逆变器进行了仿真,对逆变后的电压和电流波形以及波形谐波畸变率进行
3、了分析,并验证了三电平逆变器较两电平逆变器的优越性。关键词:DSP;逆变;二极管钳位式;SVPWM;仿真AbstractIn recent years, with high quality, high reliability of power system needs constant development, the production of total power, more and more power must pass power electronic technology transformation of energy, then for civilian use, indus
4、trial and military needs. And inverter is electric transformation and control of a key components, with high quality output voltage waveform ability. High-performance digital signal processor (DSP) rapid development, make the digital inverter system become the trend of development in the future.This
5、 paper mainly to the NPC three-level inverter system analysis and research:1. The halfway point in the ground-clamp type three-level inverter based the basic topological structure, this paper expounds the three-level inverterThe operation mechanisms.2. In two level inverter based on a detailed study
6、 of the three-level inverter in space voltage vector modulation technology,The basic principle, put forward a kind of the last three vectorsynthesis method of vector space vector reference pulse width modulation calculate Method, gives small triangle area judge rules, synthetic reference voltage vec
7、tor corresponding output voltage vector function Order and function and switch time signal generation method.Due to the halfway point of the potential imbalance is the ground-clamp diode type three-level inverter in the process of operation is a relatively serious problem, this paper analyzes the di
8、fferent vector to point the influence of the electric potential, and that the pair small vector by the role of the distribution of time to control the halfway point of the potential conclusions. Inverter control system control strategy in the voltage source PWM inverter control, and the DSP TMS320LF
9、2407A TI company, XILINX company XC95144XL CPLD chip, the corresponding drive circuit and high speed data acquisition circuit to realize the closed-loop control. In addition, this paper also through MATLAB simulation software based on space vector modulation of the wave to control of diode SVPWM emb
10、edded a type inverter is simulated, and the inverter to the voltage and current waveform and waveform harmonic distortion rate is analyzed,And verify the three-level inverter is two level inverter superiority.Keywords: DSP; inverter; diode embedded type;space vector;simulation目录第一章绪论1课题研究背景及意义1研究现状及
11、特点2拓扑结构选择3本文的主要目的、任务、技术指标及主要内容6第二章二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计8二极管钳位式逆变电路拓扑8逆变器工作状态分析9第三章三电平SVPWM简化控制算法12引言12基于参考电压分解的SVPWM简化算法12两电平统一电压调制算法13三电平SVPWM简化算法15三电平SVPWM与SPWM的统一16第四章中点平衡2141 中点电位不平衡的原因2142 三电平逆变器中点电压波动分析21421 三电平逆变器中点电压波动定性分析21422 对三电平逆变器中点电位波动的定量分析23第五章三电平逆变器的硬件设计265.1 系统构成26主电路设计26母线电容的选择26功率器件的
12、选择27变压器的选择27输出滤波器设计30控制电路设计31简介及特点32、CPLD接口电路375.3.3 SVPWM波形的产生37、采样电路设计405.5 驱动电路设计43其他外围电路设计46第六章系统软件设计50计算模块50主控制程序及中断程序设计51第七章三点平逆变器的仿真567.1 MATLAB简介56系统仿真环境-Simulink56三电平逆变器的仿真实现57仿真结果分析与总结61结论62参考文献63文献翻译65致谢105附录106第一章 绪 论逆变器也称逆变电源,是将直流电能转变成交流电能的变流装置,是太阳能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展,逆变技术也
13、从通过直流电动机交流发电机的旋转方式逆变技术,发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术,而二十一世纪的逆变技术多数采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件,控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器(DSP)控制。由于电力电子器件技术的限制,器件耐压水平有限,比较成熟的高压GIBT耐压只能达到3300V,耐压6500V的IGBT尚未正式商品化。而且高压大电流器件普遍价格昂贵,往往耐压上一个等级,价格翻了数倍,大大增加了装置成本。在高压大功率的应用场合。考虑到器件的耐压,电流和成本,为了获得高电压等级的功率变换,传统逆变器只能靠
14、器件的串并联来实现,而串并联会带来开关器件的静、动态均压、均流以及驱动信号同步等一系列问题,大大增加了系统的复杂程度,降低了系统的可靠性。两电平逆变器的大功率化还有很多新的问题,如较大的dy/dt和di/dt对器件及电机的冲击非常大的提高了负载的绝缘要求。电磁干扰、电磁兼容、轴电压、轴电流和长线传输问题的研究都处于起步阶段,这对系统的稳定性可靠性有极大的影响。1981年,日本长冈科技大学的A.Nbace等人首次提出了中点钳位式三电平逆变器,而后又推广至多电平逆变器。多电平逆变器不同于两电平变换器,其中采用电容或独立电源等方式产生多个电平,通过将多个功率器件按一定的拓扑结构组成可提供多电平输出的
15、逆变电路,其主要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形,从而减弱输出波形中的谐波影响。在获得高压输入输出特性的同时,多电平逆变器也减轻了器件上的高压应力,可以使用较低电压等级的器件构造高压变流器,解决了器件串并联带来的问题。多电平逆变器的出现,是电力电子技术发展的一个里程碑,它使得高压变频调速技术迅速走向了实用化,让我们看到了高性能控制在高压变频技术上的应用的希望。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔,从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站;从日常生活的变频空调、
16、变频冰箱到航空领域的机载设备;从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备,都少不了逆变电源。毋须怀疑,随着计算机技术和各种新型功率器件的发展,逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。20世纪70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性,引起世界各国对节能技术的广泛关注。我国能源生产和消费已列世界前茅,但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。由于缺电,正常的生产秩序被打乱,造成巨大的经济损失;在能源十分紧张的情况下,浪费现象仍十分严重。从20世纪90年代以来,以高压IGBT、
17、IGCT为代表的性能优异的复合器件的发展引人注目,并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构,成为国内外学者和工业界研究的重要课题,使得传统上在大功率应用领域中占主导地位的SCR、GTO及其变换器结构受到强有力的挑战在工业发达国家,兆瓦级的高压多电平逆变器已有产品大量投入市场,并应用于电力机车牵引、船舶电力推进、轧钢、造纸、油气田、无功补偿等高性能系统中。我国也有不少单位在研究、开发和引进高压大容量多电平变换器的技术和设备。三电平逆变器的结构较简单,其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成多电平逆变器结构中的一个特例,它的中点钳位及维持中点电位动态平衡技术、功率器件尖峰吸收缓冲电路、PW
18、M算法简化及控制策略、高压功率器件的驱动及系统的工作电源等也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题。从目前功率开关器件发展的水平来看,短时间还不可能出现耐压上万伏的器件,多电平技术是解决高压大功率变频调速的一个有效途径同时在当前电力系统高压直流输电的趋势下,多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。因此,本课题以二极管钳位的三电平逆变器作为研究对象,深入地研究其PWM算法及控制策略,系统地研究其电路组成和控制原理,对三电平技术乃至多电平技术的工程应用都有重要的意义。目前多电平技术研究的热点主要集中以下几个方面:(1)基于多电平逆变器基本结构单元组合思想提出新的拓扑结构和多电平逆变器的建模。(2
19、)基于控制自由度组合思想提出新的控制策略。(3)多电平软逆变器开关技术的研究。(4)多电平技术在DC-DC中的应用。而目前多电平逆变器研究的难点主要集中多电平逆变器技术所固有的一些缺陷,例如这种技术开关管子比较多,控制比较复杂;中点钳位结构的多电平逆变器中,存在直流侧电压平衡问题等因此随着相关技术的发展和新型控制策略的提出,多电平技术将会发展到一个新的阶段。经过世界各地学者多年的研究发展,多电平技术主发展出了众多的拓扑结构,如:二极管箱位式(Diode Clamped);飞跨电容式(Flynig C Paacotir);级联型多电平变流器(Case Inverter)。通用型多电平拓扑(Gen
20、eralized Multilevel Topology)等,各种拓扑结构除了以上多电平结构的共有特点外,还各有其适用场合和特性,现分别简要介绍如下。飞跨电容钳位式飞跨电容钳位式逆变器是1992年由TAMeynard和HFoch提出来的,其拓扑如图11所示。和二极管钳位式相比,用电容取代了钳位二极管,即通过电容来进行钳位。图飞跨电容钳为型三电平逆变器图1.1为一个三相全桥飞跨电容式三电平逆变器的主电路原理图。由图可见,这种电路时利用飞跨在串联开关器件之间的串联电容进行钳位该电路对于相同的输出电压可以有不同的开关状态组合得到。这种开关组合的可选择性,为这种电路用于有功功率变换提供了可能性。但同时
21、会带来控制上的复杂性和器件开关频率高于基频频率的问题。与二极管钳位式电路类似,飞跨电容型三电平电路也可推广到n电平,每相所需开关器件2(n-1),直流分压电容(n-1),钳位电容(n-1)(n-2/2个。飞跨电容式多电平逆变器的特点如下;优点:1)电平数量越多,输出电压谐波含量越少;2)器件在基频下开通关断,损耗小,效率高;3)可控制无功和有功功率,因而可用于高压直流输电:4)使用不同的开关组合,可使得电容电压平衡。缺点:1)需大量的箱位电容;2)用于有功功率传输时控制复杂,开关损耗大;3)存在电容电压不平衡问题。与二极管钳位式逆变器相比,它的开关选择更为灵活。在合成同一空间电压矢量时有较多的
22、选择,以使直流侧电容电压保持均衡,从而对该种拓扑的逆变器控制策略进行优化。但同时,在省去大量二极管的同时又引入了大量电容,使得系统的体积和成本增加。其次因为在输出同一电平时有不同的开关组合,使得系统的控制变得复杂。级联型多电平逆变器级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器,是多电平逆变器家族中出现最早的一种1975年EHammond提出了采用隔离的直流电源作输入,多个H逆变桥输出端相串联的结构。通过几个独立直流电源合成一个期望的电压,拓扑结构如图12所示(图中只画了相,其余两相与之相同)图1.2 级联型三电平逆变器级联型三电平逆变器不需要额外的钳位二极管或者电容,通过每级四个开关器件的任意组合输
23、出三种不同的电压值,这种拓扑结构存在以下优点:(1)器件在基频下开通和关断,损耗小,效率高;(2)不需要额外的钳位二极管或者电容,易于封装和模块化设计;(3)无直流侧电压不均衡的问题;(4)电平数越多,输出电压谐波含量越小。缺点:1)存在着需要多个独立直流电源,当采用不控整流得到这些直流电源时,为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。这种变压器体积庞大,成本高,设计困难。2)不易实现四象限运行。二极管钳位型三电平逆变器二极管钳位型逆变器又称中性点钳位型(Neutral Point Clamped-NPC)逆变器。电路结构由ANabce等人在1980年JAS年会上提出,以
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