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多电平逆变器空间矢量调制技术研究

刘铮  
【摘要】: 多电平逆变器中每个功率器件承受的电压相对较低,因此可以用低耐压的功率器件实现高压大容量逆变器。且采用多电平变换技术可以显著提高逆变器输出电压的质量指标。因此,随着功率器件的不断发展,采用多电平变换技术将成为实现高压大容量逆变器的重要途径和方法。 但随着电平数的增加,对多电平逆变器的控制的复杂性也显著增大。本文就多电平逆变器作为研究对象,对空间矢量调制技术在多电平逆变器上的应用进行了研究,通过对空间矢量调制算法的改善来达到减小控制复杂性随电平数增加的问题,以及对减小多电平逆变器输出的共模电压,降低功率器件的开关频率等性能上的优化。 (1)本文首先对当前主要的多电平逆变器的拓扑结构和PWM调制技术进行了介绍,并对空间矢量调制技术的研究现状进行了综述,按照两相电压空间的控制和期望性能指标控制两个方面来划分PWM调制技术的研究方向。本文在第二章中对两相电压空间的控制方法进行了研究,而第三章和第四章的工作则对期望性能指标的控制方法进行了讨论。 (2)根据基本矢量在α′β′两相坐标平面的坐标都是整数的规律,提出了通过V0 ( k)和z ( k )两个参数来确定参考电压矢量所在扇区S ( k )的方法,并给出了扇区S ( k )中各顶点基本矢量的作用时间的计算公式;据此总结得到了在α′β′两相坐标平面下对参考电压矢量进行逼近的算法,该算法只需要进行简单的四舍五入与加减运算,易于实现;对参考电压提出了同步采样的要求,提出调制算法在α′β′两相平面和abc三相平面上的收敛概念,指出收敛的调制算法能够降低逆变器输出的次谐波成分。 (3)提出了基本切换的概念,即每次只有一相输出改变,且只改变一个电平单位的切换,利用基本切换提出了电路中各个开关器件的开关次数最少的调制方案。以基本切换为基础,提出以切换路径来描述逆变器开关状态的切换过程,并给出了路径封闭的概念,指出只有封闭的路径才能保证调制算法的收敛。为了寻求合适的封闭路径以利用基本切换来降低开关次数,提出了特征四边形和特征网络的概念,证明了要使用基本切换来遍历扇区的顶点,只能沿着特征四边形的边和特征网络进行;发现了随着参考电压轨迹的半径所在的范围不同,特征网络具有两种不同的形状。在这两种特征网络中,以特征四边形为基础分析了总开关次数最小的切换路径,提出了优化开关频率的空间矢量调制算法。仿真结果表明,本算法在一个参考电压周期内的总开关切换次数不到相同参数下同相层叠正弦调制算法的切换次数的一半,能够有效地降低开关器件的开关次数。 (4)提出了最小实现的概念,并通过最小实现,将逆变器输出电压的零序分量的幅值限制在1 3个单位电平E以内。最小实现是能够使得基本矢量的零序坐标的绝对值小于1的一个实现;本文通过研究指出,在理想的无限电平逆变器中所有的基本矢量都存在有最小实现,使得其最小零序坐标的绝对值都小于1;而在n级l电平的逆变器中,具有最小实现的基本矢量限制在一定的区域内,且即便将零序电压幅值限制在1 3个单位电平E以内,对于n≤8的系统,输出电压幅值的损失也不到10%。据此,本文提出了利用最小实现将逆变器输出零序电压幅值和变化幅度都限制在1 3个单位电平E的五段调制算法,并给出零序电压优化SVPWM调制算法的具体实现步骤。仿真和实验结果表明该算法对零序电压有着很好的抑制作用,与理论推导的结果一致。 (5)最后,本文在3级7电平级联型逆变器拓扑中建立了实验平台,并在实验平台上对零序电压优化SVPWM调制算法进行了实现,考察了该调制算法的计算实时性能和零序电压的抑制能力,验证了这些调制算法的正确性和有效性。


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