三电平逆变器控制方法及其在矢量控制中的应用研究

论文摘要

多电平逆变器是近年来电力电子领域中高压大功率应用场合研究的一个热点,多电平逆变器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器,它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有输出谐波小,每个开关器件所承受的电压应力较小。因此在中高压变频调速、交流柔性输电系统等领域得到了广泛的关注。本文针对三电平逆变器,对其控制方法进行了研究。对目前多电平逆变器的电路拓扑和控制方法进行了总结,并将各自的优缺点和应用场合加以分析、比较。针对二极管钳位型三电平逆变器,对其结构、工作原理进行了详细讨论。多电平逆变器的PWM控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术,它与多电平逆变器拓扑结构的提出是同生的,因为它不仅决定多电平逆变器的实现与否,而且对多电平逆变器的电压输出波形质量、系统损耗的减小与效率的提高都有直接的影响。合适的PWM控制方式保证系统高性能和高效率的运行。多电平逆变器的PWM控制方法主要有两类:载波调制法和空间电压矢量调制法(SVPWM)。针对二极管钳位型逆变器,详细研究了SVPWM控制策略。在分析传统三电平SVPWM控制原理和技术特点的基础上,引入一种60°坐标系SVPWM快速算法。同时讨论了中点电位不平衡的原因以及中点电位平衡的方法。研究了两种三电平逆变器异步电机矢量控制系统的方案。一种是基于三电平中点钳位(NPC)逆变器的零序分量注入型异步电机矢量控制方案,另一种是基于SVPWM控制三电平异步电机矢量控制系统。前一种方法中,使用快速电流控制的直接转子磁链定向矢量控制模式,异步电机由三电平NPC逆变器供电,逆变器控制采用开关优化PWM算法。后一种方法中,逆变器控制采用60°坐标系SVPWM算法。仿真结果表明,两种方法在三电平逆变器供电的感应电动机上有效地实现了矢量控制,并且具有很好的性能。最后,设计一台三电平逆变器系统实验装置。实验装置包括三电平逆变器主电路,DSP2812控制板,驱动保护电路和辅助电源。编写控制系统软件程序,在样机上进行了实验研究。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 多电平逆变器产生背景
• 1.2 多电平逆变器的发展现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本文研究的目的与内容
• 2 多电平逆变器的拓扑结构
• 2.1 引言
• 2.2 二极管钳位型多电平逆变器
• 2.2.1 二极管钳位型三电平逆变器结构和工作原理
• 2.2.2 二极管钳位型三电平逆变器的优缺点
• 2.3 飞跨电容型多电平逆变器
• 2.4 级联型多电平逆变器
• 2.4.1 级联型多电平逆变器结构和工作原理
• 2.4.2 级联型多电平逆变器的优缺点
• 2.5 本章小结
• 3 三电平逆变器的PWM 控制技术
• 3.1 引言
• 3.2 三电平载波PWM 控制
• 3.2.1 三角载波层叠法
• 3.2.2 开关频率优化PWM 方法
• 3.2.3 特定谐波消去法
• 3.3 三电平空间矢量PWM 控制
• 3.3.1 三电平逆变器的空间电压矢量模型
• 3.3.2 传统三电平SVPWM 控制基本原理和技术特点
• 3.3.3 三电平60°坐标系SVPWM 算法
• 3.4 三电平NPC 逆变器中点电位平衡
• 3.4.1 三电平NPC 逆变器中点电压不平衡原因
• 3.4.2 中点电位平衡控制方法
• 3.5 本章小结
• 4 三电平逆变器异步电机矢量控制系统
• 4.1 引言
• 4.2 异步电机的数学模型
• 4.3 零序分量注入型三电平感应电机矢量控制
• 4.3.1 系统总体结构
• 4.3.2 快速电流控制的转子磁通定向矢量控制
• 4.3.3 三电平NPC 逆变器的SFOPWM 控制
• 4.3.4 基于MATLAB 的仿真研究
• 4.4 基于SVPWM 控制三电平感应电机矢量控制系统
• 4.4.1 三电平逆变器供电的转子磁通定向电压解耦型矢量控制
• 4.4.2 快速空间矢量脉宽调制控制
• 4.4.3 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 5 三电平逆变器实验装置设计
• 5.1 三电平逆变器实验装置硬件结构
• 5.2 硬件电路设计
• 5.2.1 主电路的设计
• 5.2.2 驱动保护电路和辅助电源设计
• 5.2.3 电流电压检测电路设计
• 5.2.4 DSP2812 控制平台设计
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 DSP 系统的资源分配
• 5.3.2 控制算法的软件实现
• 5.4 部分实验结果
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录