三电平空间矢量调制变流器的研究..docx

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三电平空间矢量调制变流器的研究.

《电力与新技术专题》之微电网中三电平空间矢量调制变流器的研究姓名:叶青峰 学号:2015120506019 前言 随着基于可关断电力电子器件的柔性输配电装置及高压变频设备的快速发展,多电平变流器及相关技术日益成为研究的热点目前,微电网虽然仍以低电压等级为主,但对于风电场这类容量较大的分布式发电,低压线路传输显然很不经济,而且多电平变流器还具有开关损耗小!谐波含量少等优点,这对于减少谐波污染,改善微电网电能质量有着重要的作用调制技术是多电平变流器的关键核心技术,特别是空间矢量调制技术以其直流电压利用率高!易于数字实现!开关损耗低等优点,一直受到相关领域研究人员的广泛关注。 中点箱位式三电平变流器相对于传统两电平变流器具有明显的优势,从而在中高压大功率的场合得到了广泛的应用:由于开关器件承受的电压仅为直流母线电压的一半,对于给定的功率半导体器件,这种特性使得电压型变流器的功率等级提高了一倍;而且这种功率等级的提高并不需要增加额外的硬件设施,进一步降低了无源器件的尺寸!重量和费用,同时也改善了输出波形的质量。但三电平变流器也存在一些问题值得研究和解决,尤其是中点电压平衡问题。如果中点电压波动太大或者发生偏移,会导致输出电压波形发生畸变,甚至可能击穿电力电子器件。本章主要对三电平空间矢量调制变流器的控制原理及特点作一个详细的介绍。1 三电平空间矢量调制原理 对于三电平变流器的控制,目前常用的控制策略有正弦PWM(SPWM)和空间矢量PWM(SVPWM)本节主要对SVPWM的控制原理进行讨论,它是采用变流器可能输出的矢量组合去逼近目标矢量的方式来实现对开关器件的控制,分为开环和闭环两种开环的方式即为计算好当前所需要得到的矢量,然后决定采用相应的输出矢量去逼近;闭环的方式通过计算的方式来得到开关状态和作用时间,同时还对实际的输出电量参数进行解祸!辨识,将辨识好的参数反馈,实现闭环运行,使得系统的动态响应和控制精度大大提高。SVPWM的优点是对输出矢量直接控制,开关次数少,直流电压的利用率高,缺点是当电平数大于三时,计算量非常大,实现难度较大1.1三电平变流器的结构 空间矢量调制技术最初源于电动机磁链跟踪技术,在交流电机调速系统中,为了产生恒定的电磁转矩,必须保证定子电流产生圆形旋转的磁场,这种以产生圆形旋转磁场为目标合理控制开关导通和关断控制就是磁链跟踪技术。图1一1三电平变流器主电路 图1一1给出了三电平变流器的主电路结构图,对于普遍意义上的SVPWM方法,空间一词仅具有数学上的意义,无实际物理意义该方法从数学角度出发,将变流器三相电压定义在互差120的坐标轴上,经矢量合成后形成a一β坐标系下的空间电压矢量Us为: (1-1)式中,Ua、Ub、Uc为三相输出电压。在三电平变流器主电路结构中,每相每次只有相邻的两个开关管导通,这样就形成了三个开关状态,每相的电压也就只有三种状态:、0、-。这里我们引入开关函数 (i=a、b、c),具体定义如下: (1-2) 对于中点箱位式三电平变流器,建立等效的开关模型,如图1-2所示。图1-2 等效开关模型示意图从图中可以看出,三电平变流器三相开关状态的排列组合后一共有27种开关状态1.2空间矢量的分类在两相静止a-β坐标系中,固定的开关状态形成了固定分布的基本矢量,27种开关状态可以形成27个空间基本矢量,如图1-3所示。根据模长的不同,这些矢量可以分为零矢量!小矢量!中矢量和大矢量,其中零矢量和小矢量都是冗余的每个中矢量和大矢量都对应一种固定的开关方式,而6个小矢量都有两种不同的开关状态,零矢量有三种不同的开关状态。每一种开关状态可以用一个十六进制控制字的形式表现,这样便于保证各开关管输出的同步性开关管编号S1-S12对应了从低到高的十二位二进制数,”0”表示该开关管关断,”1”表示开通,每四位二进制数表示一相开关管的开断组合,比如小矢量336对应的C相的二进制表示为”0110”,即S2、S3导通,S1、S4关断。这样控制的一个优点就是当确定了一个矢量以后,可以通过逻辑电路实现对十二个开关管的同步控制,而且中间的转换过程比较简单直观。图1-3三电平逆变器空间电压矢量图1.3空间矢量的合成图1-4扇区I的空间电压矢量图三电平变流器中,基本电压矢量只有19种。因此,对于新增加的空间矢量是不能直接通过开关状态来实现的,新增加的空间矢量必须通过电压空间的基本矢量经过解空间矢量方程来合理的分配基本电压矢量作用时间来等效形成的。在对空间电压矢量进行分析时,由于其对称性可以只取其中一个扇区分析,其他区的情况类似,现取第一扇区作详细讨论,如图1-4所示当确定了参考电压矢量后,就可以按照伏秒平衡原则,由构成其所在分区的基本电压矢量(U0-U5)来实现其合成为了减少变流器输出电压的谐波,合成空间矢量

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