多電平逆變器與SVPWM

1、三電平逆變器與三電平逆變器與SVPWMSVPWM指導(dǎo)老師：查曉明指導(dǎo)老師：查曉明演講人：王啟盛演講人：王啟盛1p 多電平技術(shù)背景多電平技術(shù)背景p 三電平技術(shù)基礎(chǔ)三電平技術(shù)基礎(chǔ)p SVPWM目錄目錄2p 多電平技術(shù)背景多電平技術(shù)背景p 三電平技術(shù)基礎(chǔ)三電平技術(shù)基礎(chǔ)p SVPWM3采用中小功率半導(dǎo)體器件采用新型高壓大功率器件成熟半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)中的半導(dǎo)體技術(shù)大功率電力電子領(lǐng)域的兩個方向NPC（二極管箝位型）FC（飛跨電容）CHB（級聯(lián)多電平）經(jīng)典兩電平結(jié)構(gòu)41.背景1980年年，日本長岡科技大學(xué)的南波江章（，日本長岡科技大學(xué)的南波江章（A.Kira Nabae）等人在）等人在IEEE工工業(yè)應(yīng)用年會上

2、提出了業(yè)應(yīng)用年會上提出了NPC（二極管中性點箝位式）（二極管中性點箝位式）三電平逆變器主電三電平逆變器主電路的結(jié)構(gòu)路的結(jié)構(gòu)1992年年，法國學(xué)者，法國學(xué)者T.A.Meynard和和H.Foch，提出了，提出了FC（飛跨電容箝位式）（飛跨電容箝位式）多電平逆變器。多電平逆變器。2000年年，F(xiàn)ang Z.Peng提出了一種提出了一種通用式多電平逆變器通用式多電平逆變器的主電路結(jié)構(gòu)。的主電路結(jié)構(gòu)。1988年年，M.Marchesoni等人提出了等人提出了級聯(lián)式多電平級聯(lián)式多電平逆變器。逆變器。2000年年，M.D.Manjrekan等人提出了等人提出了FBI（單相全橋逆變單元）串聯(lián)式（單相全橋逆變

3、單元）串聯(lián)式逆變器。逆變器。51.背景NPCFCCHBSVMLS-PWM-PS-PWMHybridModulationSHESVC-NLC- ： 適合適合/推薦使用推薦使用 ：不適合：不適合 - ： 不適合不適合/不推薦不推薦多電平的多電平的調(diào)制方式調(diào)制方式與使用范圍與使用范圍61.背景p 多電平技術(shù)背景多電平技術(shù)背景p 三電平基礎(chǔ)三電平基礎(chǔ)p SVPWM7下圖為中點箝位三電平逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以輸出下圖為中點箝位三電平逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以輸出 A 相電壓為例，分析圖相電壓為例，分析圖 示中點箝位三電平逆變電路的工作原理。示中點箝位三電平逆變電路的工作原理。8 當(dāng)當(dāng) s1，s2 開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)管

4、導(dǎo)通，s3, s4開關(guān)管關(guān)斷時，如果電流為正，電流流過開開關(guān)管關(guān)斷時，如果電流為正，電流流過開關(guān)管關(guān)管 s1, s2，忽略管壓降，該相輸出端電壓，忽略管壓降，該相輸出端電壓U=Udc/2；如負(fù)載電流為負(fù)，電流；如負(fù)載電流為負(fù)，電流流過與開關(guān)管流過與開關(guān)管 s1, s2 并聯(lián)的續(xù)流二極管，則該相輸出端電壓是并聯(lián)的續(xù)流二極管，則該相輸出端電壓是 U=Udc/2，此時稱此時稱 A 相的狀態(tài)為相的狀態(tài)為 P9 當(dāng)當(dāng) s2, s3 開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)管導(dǎo)通，s1, s4 開關(guān)管關(guān)斷時，如果負(fù)載電流為正，電流流開關(guān)管關(guān)斷時，如果負(fù)載電流為正，電流流過箝位二極管過箝位二極管 Dz1、開關(guān)管、開關(guān)管 s2，此時

5、該相輸出端電壓，此時該相輸出端電壓 U=0；如果負(fù)載電流為；如果負(fù)載電流為負(fù)，電流流過開關(guān)管負(fù)，電流流過開關(guān)管 s3，再流過箝位二極管，再流過箝位二極管 Dz2，則該相輸出端電壓是，則該相輸出端電壓是 U=0，此時稱此時稱 A 相的狀態(tài)為相的狀態(tài)為 O10 當(dāng)當(dāng) s3，s4 開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)管導(dǎo)通，s1, s2開關(guān)管關(guān)斷時，如果負(fù)載電流為正，電流流開關(guān)管關(guān)斷時，如果負(fù)載電流為正，電流流過開關(guān)管過開關(guān)管 s3, s4；該相輸出端電壓；該相輸出端電壓 U = -Udc/2；如果負(fù)載電流為負(fù)，電流流過；如果負(fù)載電流為負(fù)，電流流過與開關(guān)管與開關(guān)管s3, s4 并聯(lián)的續(xù)流二極管，則該相輸出端電壓是并聯(lián)的

6、續(xù)流二極管，則該相輸出端電壓是 U= -Udc/2，此時稱此時稱 A相的狀態(tài)為相的狀態(tài)為N11p 多電平技術(shù)背景多電平技術(shù)背景p 三電平基礎(chǔ)三電平基礎(chǔ)p SVPWM12SVPWM三電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)之一是三電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)之一是PWM控制信號的發(fā)生。而三電平空控制信號的發(fā)生。而三電平空間矢量調(diào)制算法比之于其他間矢量調(diào)制算法比之于其他PWM算法具有較高電壓利用率，較小的算法具有較高電壓利用率，較小的輸出諧波分量，更易于數(shù)字化實現(xiàn)且更適合向多電平應(yīng)用中拓展等優(yōu)輸出諧波分量，更易于數(shù)字化實現(xiàn)且更適合向多電平應(yīng)用中拓展等優(yōu)點，因此三電平點，因此三電平SVPWM控制算法一直以來都是三電平逆變器研究

7、的控制算法一直以來都是三電平逆變器研究的熱點。以下主要對三電平熱點。以下主要對三電平SVPWM控制的基本原理做一些簡要介紹。控制的基本原理做一些簡要介紹。 空間矢量調(diào)制的最初目的是使電機獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，現(xiàn)在空間矢量空間矢量調(diào)制的最初目的是使電機獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，現(xiàn)在空間矢量調(diào)制已經(jīng)發(fā)展成為和調(diào)制已經(jīng)發(fā)展成為和SPWM并行的一種變換器并行的一種變換器PWM調(diào)制技術(shù)。因為三調(diào)制技術(shù)。因為三相變換器的負(fù)載各式各樣，并不一定存在像電機負(fù)載那樣對稱的分布相變換器的負(fù)載各式各樣，并不一定存在像電機負(fù)載那樣對稱的分布的三相繞組，所以對于普遍意義上的空間矢量調(diào)制方法，空間一詞僅的三相繞組，所以對于普遍意義上

8、的空間矢量調(diào)制方法，空間一詞僅具有數(shù)學(xué)上的意義，無實際物理意義。普遍意義上的電壓空間矢量方具有數(shù)學(xué)上的意義，無實際物理意義。普遍意義上的電壓空間矢量方法是從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，將三相交換器的各相電壓定義在互差法是從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，將三相交換器的各相電壓定義在互差120。的平的平面坐標(biāo)系上，并將三相輸出電壓轉(zhuǎn)換到復(fù)平面上合成空間矢量。面坐標(biāo)系上，并將三相輸出電壓轉(zhuǎn)換到復(fù)平面上合成空間矢量。 空空間電壓矢量可做如下定義：間電壓矢量可做如下定義：13對于三電平逆變器拓?fù)淝凹悍治雒肯嗑哂腥N開關(guān)狀態(tài)，因此三相三對于三電平逆變器拓?fù)淝凹悍治雒肯嗑哂腥N開關(guān)狀態(tài)，因此三相三電平輸出電路就可以得到電平輸出電路就可以

9、得到33=27種開關(guān)組合，對應(yīng)種開關(guān)組合，對應(yīng)27組不同的開關(guān)狀組不同的開關(guān)狀態(tài)組合，可以畫出三相三電平的空間矢量分布圖，如下圖所示：態(tài)組合，可以畫出三相三電平的空間矢量分布圖，如下圖所示：14空間電壓矢量分為四類：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。其中，空間電壓矢量分為四類：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。其中，小矢量的幅值為小矢量的幅值為Vd/3，中矢量的幅值，中矢量的幅值(30.5)Vd/3，大矢量的幅值為，大矢量的幅值為Vd/3 。三電平逆變器的三電平逆變器的27個矢量遠(yuǎn)多于兩電平逆變器的個矢量遠(yuǎn)多于兩電平逆變器的8個矢量，矢量選擇個矢量，矢量選擇范圍的拓展使得合成時過渡更自然，輸出能更

10、好地逼近正弦波，所含范圍的拓展使得合成時過渡更自然，輸出能更好地逼近正弦波，所含諧波分量更少，獲得更好的性能。諧波分量更少，獲得更好的性能。 扇區(qū)的劃分：扇區(qū)的劃分：為便于分析，我們把整個矢量區(qū)域分成為便于分析，我們把整個矢量區(qū)域分成 6個大扇區(qū)，每個大扇區(qū)分為個大扇區(qū)，每個大扇區(qū)分為4個小扇區(qū)。個小扇區(qū)。15SVPWM合成算法（以合成算法（以A相為例）相為例）16由伏秒平衡有：由伏秒平衡有：將每個矢量在將每個矢量在坐標(biāo)軸上進(jìn)行分解，可解得：坐標(biāo)軸上進(jìn)行分解，可解得：1718同理，當(dāng)同理，當(dāng) 在其他區(qū)域時，同樣可以用伏秒平衡來求出合成參考電壓在其他區(qū)域時，同樣可以用伏秒平衡來求出合成參考電壓矢

11、量的空間電壓矢量的作用時間。矢量的空間電壓矢量的作用時間。SVPWM的脈沖序列生成方案的脈沖序列生成方案19 脈沖序列的生成應(yīng)遵循以下原則：脈沖序列的生成應(yīng)遵循以下原則： 為了保證每個橋臂只能同時有兩個開關(guān)器件開通，要求在一個控制周為了保證每個橋臂只能同時有兩個開關(guān)器件開通，要求在一個控制周期內(nèi)，期內(nèi)，相鄰的每相開關(guān)狀態(tài)不能突變相鄰的每相開關(guān)狀態(tài)不能突變，即不允許存在從，即不允許存在從“1”開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)到到“-1”開關(guān)狀態(tài)的直接切換；開關(guān)狀態(tài)的直接切換； 為了減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，為了減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，從一個開關(guān)狀態(tài)切換到下一個開從一個開關(guān)狀態(tài)切換到下一個開關(guān)狀態(tài)時，三相橋

12、臂只有一相有開關(guān)動作關(guān)狀態(tài)時，三相橋臂只有一相有開關(guān)動作； 同時為了消除偶次諧波，控制實現(xiàn)的方便，在一個開關(guān)周期內(nèi)，同時為了消除偶次諧波，控制實現(xiàn)的方便，在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)開關(guān)矢量的選擇是對稱的矢量的選擇是對稱的。SVPWM的脈沖序列生成方案的脈沖序列生成方案作用順序作用順序開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)作用時間作用時間1onnta/42oontb/23oootc/24poota/25oootc/26oontb/27onnta/420所選取的向量合成方案如下表：所選取的向量合成方案如下表：SVPWM程序流程圖：程序流程圖：21SVPWM程序分析及流程圖程序分析及流程圖參考電壓轉(zhuǎn)換（abc-）大扇區(qū)判斷小扇區(qū)判斷矢量作用時間計算脈沖序列生成大扇區(qū)判斷程