电平逆变器的数字控制大学学位论文.doc

电平逆变器的数字控制 微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由六十年代的分立元件发展到后来的集成电路、大规模集成电路、微处理器等，为功率变换的控制带来了极大的方便。由此产生的数字控制方法因其可重复性强、耐用性强、适应性强等优点，越来越受到人们的重视。本文采用数字信号处理器DSP建立数字控制平台，将开关电源的控制数字化，取得了良好的控制效果近年来，在高压大功率的应用场合，一种新型的逆变器——多电平逆变器受到越来越广泛的应用。多电平逆变器的思想最早是由Nabae于20世纪80年代初提出的。其基本思想就是应用多个直流电平来逼近正弦输出的阶梯波电压。其拓朴形式主要可分为三类：二极管钳位型，飞跃电容型和独立直流电源级联多电平三种。其中应用最广泛的是二极管钳位型，本文的研究对象为二极管钳位型三电平逆变器。 二极管钳位型三电平逆变器 图.1 二极管钳位型三电平逆变器 图.1即为二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构，它由2个输入电容、12个开关管、12个续流二极管以及6个钳位二极管组成。2个输入电容C1、C2串联均分输入电压，每个电容上的电压为1/2，由于钳位二极管的作用，每个开关管在关断时所承受的电压为电容电压，即1/2。因此，三电平逆变器可以在不增加器件耐压等级的情况下成倍的升高输入电压。另外，由于桥臂的输出有“+1”、“-1”和“0”三种电平，因此相对于两电平逆变器，三电平逆变器的输出波形更接近正弦波，每个功率器件两端的电压只能在“+1”、“0”之间或“-1”、“0”之间变化，对于相同的输入电压，三电平逆变器功率器件的电压变化率只有两电平逆变器的一半。正因为上述的种种优点，三电平逆变器被广泛的应用于高压大功率场合。 但是由于功率器件的个数比两电平逆变器增加了一倍，控制也比较复杂。另外，由于输入电容不可能是无穷大的，因此，随着两个输入电容的充放电，两个电容上的电压会有波动，并不是理想的平分输入电压，因此在三电平逆变器的控制上必须将输入电容电压的平衡考虑在内。如果两个输入电容上的电压相差过大，不仅输出电压的谐波含量会增加，而且某些功率管上承受的电压会上升，缩短装置的寿命，严重时会损坏功率管和直流电容。 .2 空间矢量三电平逆变器的控制方法 三电平逆变器的控制方法都是有两电平逆变器延伸拓展而来的，也采用脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）的方法。与两电平逆变器一样，常用的调制方法分为空间矢量调制（SVM，Space Vector Modulation）和正弦脉宽调制（SPWM，Sinusoidal PWM）。空间矢量调制具有直流电压利用率高，算法简单，易于实现直流侧电压平衡等优点，因此被广泛应用于三电平逆变器的控制之中，本文所采用的就是一种简单的空间矢量控制方法。 .2.1 三电平逆变器的工作模式 所谓三电平逆变器是指逆变器的桥臂电压有三种电平——“+1”、“-1”和“0”。 图.2 A相桥臂 图.2是三电平逆变器的A相桥臂，4个功率开关管、、、的不同开关组合决定了桥臂输出A点的电平，输入电容中点O为电压参考点。=1表示开关管导通，=0表示开关管关断，x=1，2，3，4，表示A相桥臂所处的状态，为了后文描述方便，用2代表“+1”态，1代表“0”态，0代表“-1”态。表4-1列出了当、、、取不同开关组合时，A相桥臂电压的输出状态。 表-1 A相的开关状态 + 1 1 0 0 2 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 从表-1可以看出，三电平逆变器的桥臂状态比两电平逆变器多出了一种状态，即输出桥臂电压为0的状态。 按照两电平逆变器空间矢量的分析方法，三相三电平逆变器的三个桥臂状态、、组成了一个向量（，，），由于每个桥臂有三种状态，因此（，，）共有种组合方式，如表4-2所示。 表-2 三相三电平逆变器桥臂向量 桥臂向量 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 2 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 2 1 1 0 2 2 1 0 0 1 2 1 0 1 2 2 0 0 1 1 2 0 2 1 2 0 2 1 0 0 1 2 0 0 0 2 1 0 0 1 2 0 1 0 2 0 2 0 1 2 0 0 2 2 0 0 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 2 应用坐标变换的方法将坐标系中的向量转换到坐标系，即 （.1） 将表-2中每一个桥臂向量在坐标