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华中科技大学硕士学位论文三电平逆变器SVPWM控制策略的研究姓名：刘亚军申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：程善美20080604华中科技大学硕士学位论文摘要三电平逆变器输出由于具有更高的电能质量、更低的谐波含量，更好的电磁兼容性以及更低的开关损耗等优点，在中高压大容量交流调速领域得到了广泛的应用。但是，三电平逆变器也存在不少关键问题，如三电平算法的简化问题，过调制区中点电压控制问题，以及在高压运行时系统的稳定性问题。鉴于以上存在的问题，本论文深入地研究了三电平逆变器的结构，原理，控制策略，电容中点电压的控制，死区补偿，过调制处理以及SVPWM算法的实现。论文在论叙二极管箝位三电平逆变器的结构和工作原理的基础上，分析了三电平逆变器的SVPWM调制策略，提出了一种实用的易于数字化实现的三电平SVPWM算法。在该算法的基础上通过修改小矢量的作用时间给出了基于滞环控制和PI控制的电容中点电压控制策略，并得到了很好的效果。同时，论文对三电平逆变器的死区补偿和过调制处理进行了深入的研究，并且提出了一些新的方法来解决在过调制情况下的中点电压平衡问题，研究了三电平逆变器的死区实现方案和补偿策略，仿真实验证实了所提出的策略达到了预定的效果。为了验证所提出的三电平SVPWM算法，本文在MATLAB下建立了基于三电平逆变器的感应电动机V/F控制系统和矢量控制系统，仿真结果验证了所提出的三电平空间矢量PWM算法是可行有效的。论文对三电平逆变器的SVPWM算法的实现进行了研究，基于DSP和CPLD提出了两种实现方法。一种是采用数字信号处理器TMS320LF2407A中的两个事件管理器巧妙实现了三电平SVPWM算法；另一种是利用TMS320LF2407A和EPM240T100C5组成组合逻辑来实现。实验结果进一步证实了所做的研究工作和所提出的算法是实际可行的。关键词：三电平逆变器SVPWM算法中点电压控制死区补偿过调制I华中科技大学硕士学位论文AbstractBecauseofthesuperioritysuchashigherpowerquality,lowerharmoniccomponents,betterelectromagneticcompatibility,andlowerswitchinglossesinitsoutput,three-levelinverterisappliedwidelyinhigh-voltageandhigh-powerapplications.However,therearemanykeyproblemsinthethree-levelinverter,suchassimplifyingthealgorithmofthree-level,theneutralpointfluctuationinovermodulationregion,andthestabilityissuesofthesysteminthehigh-voltageperformance.Inlightoftheaboveexistingproblems,thethesisthoroughlyinvestigatesthestructure,principle,controlstrategies,neutralpointbalancing,dead-timecompensation,overmodulationandtherealizationofSVPWMalgorithminthediode-clampedthree-levelinverter.Onthebasisofdescribingthestructureandprincipleofdiode-clampedthree-levelinverter,thethesisanalyzestheSVPWMmodulationstrategiesofthree-levelinverter,andproposestheSVPWMalgorithmwhichispracticalandeasilydigitalrealization.ItproposesaneutralpointcontrolstrategybasedonhysteresiscontrolandPIcontrolthroughmodifyingtheworkingtimeofsmallvectoronthebasisofthealgorithm,andachievesagoodresult.Atthesametime,thethesiscompletelyinvestigatesthedead-compensationandovermodulationinthree-levelinverter,andproposesanewschemetosolvetheneutralpointunbalancingforoperatingathree-levelinverterinovermodulationregion.Italsoinvestigatestheschemesofdead-timesettingandthedead-compensation.Thesimulationresultsconfirmthattheproposedstrategyachievetheintendedresults.Inordertoverifytheproposedthree-levelSVPWMalgorithm,thisthesisbasedonMATLABsoftwareestablishesinductionmotorV/Fcontrolsystemandvectorcontrolsystemwhichisbasedonthree-levelinverter,andthesimulationresultsshowtheproposedthree-levelspacevectorPWMalgorithmisfeasibleandeffective.Inthisthesis,therealizationoftheSVPWMalgorithmforthree-levelinverterhasbeenstudied,andtwomethodsbasedontheDSPandCPLDareproposed.Onemethodachievesskillfullythethree-levelSVPWMalgorithmbymakinguseoftwoeventsmanagerofthedigitalsignalprocessorTMS320LF2407A,anotheristheuseofII华中科技大学硕士学位论文TMS320LF2407AandEPM240T100C5logiccombinationtorealizethealgorithm.Theexperimentalresultsverifyfurtherthattheresearchworkandthealgorithmproposedispractical.Keywords:Three-levelinverter;SVPWMalgorithm;neutralpointvoltagecontrol;dead-timecompensation;overmodulationIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权数。本论文属于√不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文1绪论传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构，控制策略和实现方法比较成熟，但在大功率运用中存在许多问题：需要笨重，耗能，昂贵的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成了很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需要采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。均压电路使系统复杂化，损耗增加，效率下降[1]。由于以上的不足，1981年日本学者NabaeA等人提出了三电平的拓扑结构，并提出了多电平逆变器（Multilevelinverter）的思想，即由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压[2]。从此多电平逆变器作为一种新型的高压大容量功率逆变器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，不管何种拓扑结构的多电平与两电平相比，都有一些共同的优点：无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件承受的电压应力小，可避免大的所导致的各种问题，提高了开关管的工作寿命/dudt[3]。尤其是八十年代以来，以IGBT为代表的第三代电力电子器件，以及以DSP，CPLD和FPGA为代表的智能控制芯片的普及，为这种新型的多电平逆变器的研究和实际应用提供了必要的物质基础[4]。1.1多电平变换器的发展一般认为，多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上的，按照类似的拓扑结构拓展而成。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少。但这种理论上可以达到任意N电平的多电平逆变器，在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下，并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。国外也有对十一电平的研究，但都还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段[5]。多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑结构，但归纳起来主要有三种：（1）中点箝位型（Neural-Point-Clamped简称NPC）多电平逆变器或二极管箝1华中科技大学硕士学位论文位（DiodeClamped）多电平逆变器；（2）飞跨电容型（FlyingCapacitors）多电平逆变器；（3）具有独立直流电压源的级联型逆变器（Cascadedinverters）。飞跨电容型逆变器由于电容的原因应用得非常少，中点箝位型（NPC）多电平逆变器和级联型逆变器应用得比较广泛[6]。多电平逆变器拓扑结构与普通两电平逆变器相比具有如上所述的共同优点，同时也有各自的一些优缺点，现以五电平为例比较如下。图1.1为二极管箝位型五电平三相逆变器主电路。二极管箝位型多电平结构是出现最早，应用场合较多的一种结构。这种结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行箝位，输出相应M电平的相电压。二极管箝位型拓扑具有多电平逆变器共同的优点，但存在自身的不足：①箝位二极管承受电压不均匀；②器件所需额定电流不同，按最大额定设计将造成的开关元件容量上有所浪费，利用效率低；③直流侧电容由于一个周期内的流入和流出的电流可能不相等，造成不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象。(1)(2)/MM−−2图1.1二极管箝位型五电平三相逆变器主电路2华中科技大学硕士学位论文图1.2为飞跨电容型五电平三相逆变器主电路，飞跨电容型多电平逆变器最早由MeynardT.M.和FochH.在1992年PESC会议上提出的，最初目的是减小NPC多电平逆变器中过多的箝位二极管工作，直流侧的电容不变，其工作原理与二极管箝位电路相似。这种拓扑结构的优点有：①相对箝位式的拓扑结构省去了不少二极管，使电路结构相对简单；②电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性，通过在同一电平上进行合适的不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡，可较好地应用