多电平逆变器与SVPWM

三电平逆变器与SVPWM指导老师：查晓明演讲人：王启盛1多电平技术背景三电平技术基础SVPWM目录2多电平技术背景三电平技术基础SVPWM3采用中小功率半导体器件采用新型高压大功率器件成熟半导体技术开发中的半导体技术大功率电力电子领域的两个方向NPC（二极管箝位型）FC（飞跨电容）CHB（级联多电平）经典两电平结构41.背景•1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.KiraNabae）等人在IEEE工业应用年会上提出了NPC（二极管中性点箝位式）三电平逆变器主电路的结构•1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch，提出了FC（飞跨电容箝位式）多电平逆变器。•2000年，FangZ.Peng提出了一种通用式多电平逆变器的主电路结构。•1988年，M.Marchesoni等人提出了级联式多电平逆变器。•2000年，M.D.Manjrekan等人提出了FBI（单相全桥逆变单元）串联式逆变器。51.背景NPCFCCHBSVM√√√LS-PWM√√-PS-PWM×√√HybridModulation××√SHE√√√SVC-√√NLC-√√√：适合/推荐使用×：不适合-：不适合/不推荐多电平的调制方式与使用范围61.背景多电平技术背景三电平基础SVPWM7下图为中点箝位三电平逆变的拓扑结构。以输出A相电压为例，分析图示中点箝位三电平逆变电路的工作原理。8•ⅰ当s1，s2开关管导通，s3,s4开关管关断时，如果电流为正，电流流过开关管s1,s2，忽略管压降，该相输出端电压U=Udc/2；如负载电流为负，电流流过与开关管s1,s2并联的续流二极管，则该相输出端电压是U=Udc/2，此时称A相的状态为P9•ⅱ当s2,s3开关管导通，s1,s4开关管关断时，如果负载电流为正，电流流过箝位二极管Dz1、开关管s2，此时该相输出端电压U=0；如果负载电流为负，电流流过开关管s3，再流过箝位二极管Dz2，则该相输出端电压是U=0，此时称A相的状态为O10•ⅲ当s3，s4开关管导通，s1,s2开关管关断时，如果负载电流为正，电流流过开关管s3,s4；该相输出端电压U=-Udc/2；如果负载电流为负，电流流过与开关管s3,s4并联的续流二极管，则该相输出端电压是U=-Udc/2，此时称A相的状态为N11多电平技术背景三电平基础SVPWM12SVPWM•三电平逆变器的关键技术之一是PWM控制信号的发生。而三电平空间矢量调制算法比之于其他PWM算法具有较高电压利用率，较小的输出谐波分量，更易于数字化实现且更适合向多电平应用中拓展等优点，因此三电平SVPWM控制算法一直以来都是三电平逆变器研究的热点。以下主要对三电平SVPWM控制的基本原理做一些简要介绍。•空间矢量调制的最初目的是使电机获得圆形旋转磁场，现在空间矢量调制已经发展成为和SPWM并行的一种变换器PWM调制技术。因为三相变换器的负载各式各样，并不一定存在像电机负载那样对称的分布的三相绕组，所以对于普遍意义上的空间矢量调制方法，空间一词仅具有数学上的意义，无实际物理意义。普遍意义上的电压空间矢量方法是从数学角度出发，将三相交换器的各相电压定义在互差120。的平面坐标系上，并将三相输出电压转换到复平面上合成空间矢量。空间电压矢量可做如下定义：13•对于三电平逆变器拓扑前己分析每相具有三种开关状态，因此三相三电平输出电路就可以得到3^3=27种开关组合，对应27组不同的开关状态组合，可以画出三相三电平的空间矢量分布图，如下图所示：14•空间电压矢量分为四类：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。其中，小矢量的幅值为Vd/3，中矢量的幅值(3^0.5)Vd/3，大矢量的幅值为Vd/3。•三电平逆变器的27个矢量远多于两电平逆变器的8个矢量，矢量选择范围的拓展使得合成时过渡更自然，输出能更好地逼近正弦波，所含谐波分量更少，获得更好的性能。•扇区的划分：•为便于分析，我们把整个矢量区域分成6个大扇区，每个大扇区分为4个小扇区。15SVPWM合成算法（以A相为例）16由伏秒平衡有：•将每个矢量在α－β坐标轴上进行分解，可解得：1718•同理，当在其他区域时，同样可以用伏秒平衡来求出合成参考电压矢量的空间电压矢量的作用时间。SVPWM的脉冲序列生成方案19•脉冲序列的生成应遵循以下原则：为了保证每个桥臂只能同时有两个开关器件开通，要求在一个控制周期内，相邻的每相开关状态不能突变，即不允许存在从“1”开关状态到“-1”开关状态的直接切换；为了减少开关次数，降低开关损耗，从一个开关状态切换到下一个开关状态时，三相桥臂只有一相有开关动作；同时为了消除偶次谐波，控制实现的方便，在一个开关周期内，开关矢量的选择是对称的。SVPWM的脉冲序列生成方案作用顺序开关状态作用时间1onnta/42oontb/23oootc/24poota/25oootc/26oontb/27onnta/420所选取的向量合成方案如下表：SVPWM程序流程图：21SVPWM程序分析及流程图参考电压转换（abc-αβ）大扇区判断小扇区判断矢量作用时间计算脉冲序列生成大扇区判断程序：其中，k为调制系数Si为大扇区序号初始化Ur=sqrt(ua^2+ub^2)，k=2*ur/ud/sqrt(3.0)，thi1=acos(ua/ur)ur=0？si=1NYUr0？si=(3*thi1/3.1415926)+1Ysi=7-(3*thi1/3.1415926)22Si=3thi2=thi1-(si-1)*3.1415926/3thi2=thi1-(6-si)*3.1415926/3YN准备小扇区判断程序（预处理部分）：23Ur=0准备tri=12*k*sin(thi2+3.1415926/3)=1tri=12*k*sin(thi2-3.1415926/3)=-1tri=42*k*sin(thi2)1tri=3tri=2YNYYYNNN小扇区判断程序：其中，k为调制系数tri为小扇区序号24Y准备tri==1ta=2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2)tb=2*k*ts*sin(thi2)tc=ts-ta-tbtri==2ta=ts*(1-2*k*sin(thi2))tb=2*k*ts*sin(thi2+3.1415926/3)tc=ts-ta-tbtri==3ta=2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2)tb=2*k*ts*sin(thi2)-$tstc=ts-ta-tbta=2*k*ts*sin(thi2)tb=2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2)-tstc=ts-ta-tbYNYN矢量作用时间计算程序：25其中，ta,tb,tc为a,b,c三相在一个周期T内的总作用时间。谢谢！26