T型三电平逆变器课程设计

王盈：T型三电平逆变器的设计1摘要三相三电平逆变器具有输出电压谐波小，/dvdt小，EMI小等优点，是高压大功率逆变器应用领域的研究热点，三相二极管中点箝位型三电平逆变器是三相三电平逆变器的一种主要拓扑，已经得到了广泛的应用。三相T型三电平逆变器，是基于三相二极管中点箝位型三电平逆变器的一种改进拓扑。这种逆变器中，每个桥臂通过反向串联的开关管实现中点箝位功能，是逆变器输出电压有三种电平。该拓扑比三相二极管中点箝位型三电平拓扑结构每相减少了两个箝位二极管，可以降低损耗并且减少逆变器体积，是一种很有发展前景的拓扑。本设计采用正弦脉宽调制（SPWM），本文介绍了三相T型三电平逆变器的设计，介绍其结构和基本工作原理，及SPWM控制法的原理，并利用SPWM控制的方法对三电平逆变器进行设计与仿真。本设计采用SIMULINK对T型三电平逆变电路建立模型，并进行仿真。关键词：T型三电平逆变器、正弦脉宽调制、SIMULINK仿真王盈：T型三电平逆变器的设计2目录第一章绪论…………………………………………………………………………61.1研究背景及意义..1.2三电平逆变器拓扑分类第一章T型三电平逆变器工作原理分析…………………………………………61.1逆变器的结构1.2本章小结第二章正弦脉波调制（SPWM）……………………………………………………73.1PWM与SPWM的工作原理3.2三电平逆变电路SPWM的实现3.3本章小结第三章电路仿真与参数计算………………………………………………………104.1逆变器的基本要求4.2电路图4.3调制电路4.4L-C滤波电路4.5结果分析第四章课程设计小结……………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………………………15王盈：T型三电平逆变器的设计3第一章绪论1.1研究背景及意义近年来，随着经济的飞速发展，人类对能源的需求也大幅度增加，而传统能源面临着枯竭的危机。在这种情况下，我们不得不加速开发新型能源。各国的专家致力于新能源的开发与利用，光伏发电、风力发电、生物发电等各种新型发电技术已经得到了一定的应用，并且正在蓬勃的发展，尤其是光伏发电，因其成本低、稳定性较好，控制简单等优点，在各国得到了广泛的应用。受地区气象条件的影响，太阳能光伏电池板输出的直流电压极不稳定，而且电压幅值低，容量小。为了高效利用太阳能，需要将不稳定的光伏电池串、并联组合，并且经过多级电力电子变换器组合输出恒频交流电压并网运行。而把这些初始能源转化为可用电能的桥梁就是逆变器。随着开关器件的不断发展，逆变器的拓扑、调制方式和控制策略也在不断发展，控制理论在逆变器的控制上得到了很好的应用，这一切都保证了优良的供电质量。在一些高电压、大功率的应用场合，传统的两电平逆变器由于开关器件耐压限制，无法满足需求。在这种情况下，如何将低耐压开关器件应用于高电压大功率场合成为各国专家研究的热点，由此，多电平逆变器技术应运而生。多电平的概念最早是由日本专家南波江章(A.Nabae)等人在1980年提出的[1]，通过改变主电路的拓扑结构、增加开关器件的方式，在开关器件关断的时候将直流电压分散到各个器件两端，实现了低耐压开关器件在大功率场合应用。1.2三电平逆变器拓扑分类常见的多电平的电路拓扑主要有三种：二极管箝位型逆变器、飞跨电容箝位型逆变器和具有独立直流电源的级联型逆变器。本文研究的T型三电平逆变器可以说是中点箝位型逆变器的改进拓扑，其优势主要体现在减少了电流通路中的开关器件数量，减少了传导损耗。而且与二极管箝位型三电平逆变器相比，T型三电平逆变器的每个桥臂少用了两个箝位二极管，其控制方法和二极管箝位型三电平逆变器类似[2]。T型三电平逆变器融合了两电平和三电平逆变器的优势，既有两电平逆变器传导损耗低，器件数目少的优点，又有三电平逆变器输出波形好，效率高的优点，是很有发展前景的一种三电平逆变器拓扑。王盈：T型三电平逆变器的设计4第二章T型三电平逆变器的工作原理2.1逆变器的结构图1T型三电平逆变器结构以A相为例，当开关管1aS，2aS同时导通，3aS，4aS同时关断时，输出端A相对于直流侧零电位参考点O点的电平为dcU/2；当开关管2aS、3aS，同时导通，1aS,4aS同时关断时，输出端A相对于O点的电平为0；当开关管3aS，4aS同时导通，1aS，2aS同时关断时，输出端A相对于O点的电平为-dcU/2。如表2-3所示。并且开关管1aS与4aS不能同时导通，不考虑死区时间时，开关管1aS和3aS，2aS和4aS的驱动脉冲是互补的。开关状态不能在P和N之间直接转换，必须通过0状态来过渡。A点的相电压幅值为{dcU/2,0,-dcU//2}三种电平状态，故称为三电平逆变器。1：1aS、2aS导通，3aS、4aS关断aU=dcU/22：2aS、3aS导通，1aS、4aS关断aU=03：3aS、4aS导通，1aS、2aS关断aU=-dcU/22.2三电平王盈：T型三电平逆变器的设计5测量图如下：图2测量三电平2.3本章小结本章对T型三电平逆变电路的结构及工作原理进行了简单的介绍，并对逆变器的控制提出要求，在下一章中将会重点对如何进行调制进行详细的讨论。王盈：T型三电平逆变器的设计6第三章正弦脉波调制（SPWM）3.1PWM与SPWM的工作原理多电平逆变器的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共生的，因为它不仅决定多电平逆变的实现与否，而且，对多电平逆变器的输出波形质量、电路中的器件应力、系统损耗的减少和效率的提高都有直接的影响。多电平逆变器的调制在传统两电平的基础上增加了零电平，从而使输出电压的谐波含量更进一步减少。PWM控制技术的基本原理是根据采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。图3将PWM波代替正弦波如图3所示的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就可以得到图3-1b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于负半周期也可以按同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形王盈：T型三电平逆变器的设计7（SinusoidalPWM波形）。3.2正弦脉波调制（SPWM）的实现每相采用两个幅值相等,频率相同,相位亦相同的三角波作为波载波层叠,PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。一三电平逆变器,应该与同一正弦调制波进行对比,两个三角载波在空间上是持续的且对称形成于零参考的正负两侧,原理图如图3.1所示。根据调制波与各个三角载波的比较得出输出不同的电平级别,从而决定对应关管的开关情况。当调制波Up的值远高于上面载波Ucl的值,贝II为“1”的状态,输出电Ud/2;当调制波Ur的值远低于下面载波Uc2的值,则为“-1”状态,输出电压为-Ud/2;其余则为“0”状态,输出数为0。载波比较法生成PWM脉冲谐波后,能够控制功率关操作,继续输出三相PWM电压。载波层叠PWM法的特点是输出波形好,谐波含量相对较低,控制相对简单,易于实现,可用于任何电平数的多「U平逆变器,可以在整个调制过程比变化范_内进行王盈：T型三电平逆变器的设计8图4载波交叠式PWM调制法如图4为正弦波与三角波的比较产生PWM脉冲，P1信号接往S1和反相后接S3，P2信号接往S2和反相后接S4。由图可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使调制工作与高调制度的情况下。正半周波时，正弦波始终高于下面三角波，则产生的PWM波使S4始终关断，同理负半周波，S1始终关断。3.3本章小结本章主要讨论了多电平逆器的PWM调制方法。首先介绍了多电平逆变器的控制目标及PWM技术的基本原理。再详细介绍了多载波调制PWM，阐述了各个开关管的工作状态。通过本章的介绍，对多电平逆变器的调制方法进行详细了解。王盈：T型三电平逆变器的设计9第四章电路仿真及参数计算4.1逆变器的基本要求已知参数和设计要求：输入电压600V，输出功率50kW，输出三相相电压220V，50Hz，带50kW阻性负载，要求输出电压THD小于2%。4.2电路图图56SIMULINK仿真-主电路图与原理图基本一致。参数：电压源：600V–DCC1=C2=1500μF，R1=R2=0.000001Ώ4.3调制电路图7单相SPWM调制电路王盈：T型三电平逆变器的设计10取其中一个信号来观测，连线如图6，波形如图7（为以便观察三角波的频率设为200hz）图8（信号波，载波，Q1控制波在一个周期内的波形）可以发现，经过调制出来的波形基本满足SPWM调制后的结果。在最后的仿真过程中，锯齿波的周期为0.00005s，即频率为20kHz.4.4L-C滤波电路在SPWM逆变器中，逆变器的输出LC滤波器主要用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波。考察一个滤波器性能的优劣首先是看它对谐波的抑制能力，具体可以从THD值来体现。另外需要尽量减小滤波器对逆变器附加的电流应力。电流应力增大，除使器件损耗及线路损耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD值小的要求与滤波器引起的附加电流应力小的要求往往是矛盾的。LC滤波器的示意图如下图8所示。图9L-C滤波器在滤波电路中，忽略逆变电路等效电阻时滤波器的传递函数为：王盈：T型三电平逆变器的设计11上式也可写为：式中：为自然振荡角频率。这是一个典型的二阶振荡系统，从频域上分析，考虑幅频特性和相频特性，知道影响滤波效果的参数主要是转折角频率和阻尼比。选择SPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率远远低于开关频率，这样对开关频率及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。一般要求rfLf1/10Cf其中，rf为基波频率，此处为50Hz,Cf开关频率，此处为20kHz,取转折频率Lf=1/10Cf则有122kHzLC令L=5mH,可求得C=1.27uF，最后调制取L=5mh，C=5uF。4.5结果分析A)波形分析取三相电压波形，如下：王盈：T型三电平逆变器的设计12图10三相波形B)输出电压分析:图11输出电压有效值C)输出电压畸变率分析：分析：从结果来看，能够获得一个非常近似正弦波的波形，其有效值为220V，频率为50Hz，THD为：0.16%。王盈：T型三电平逆变器的设计13图12FFTAnalysis王盈：T型三电平逆变器的设计14第五章课程设计小节本文对三相T型三电平逆变器的设计进行了研究仿真，本文主要完成了如下工作：（1）介绍了三电平逆变拓扑结构，分析了T型三电平逆变器的拓扑结构和工作原理，介绍了其输出电压和开关状态的对应关系。（2）对PWM于SPWM做了介绍，对三电平SPWM实现的介绍。（3）进行了电路仿真，介绍了电路图与调制电路，计算出L-C滤波器的参数，实现了仿真出非常接近正弦波的波形，有效值为220V，50Hz,THD为0.16%。文献综述[1]陈坚．电力电子学：电力电子变换和控制技术[M]．北京：高等教育出版社；2004．1-20．[2]ParkY，SulS-K，LimC-H，KimW-C，LeeS-H．AsymmetricControlofDC-LinkVoltagesforSeparateMPPTsinThree-LevelInverters[J]．2011．[3]王兆安.电力电子技术第五版.机械工业出版社.2009.[