基于DSP的单元串联多电平变频技术的研究

河北工业大学硕士学位论文基于DSP的单元串联多电平变频技术的研究姓名：郭掾龙申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：刘子胥20070101河北工业大学硕士学位论文i基于DSP的单元串联多电平变频技术的研究摘要能源短缺和环境污染是目前人类面临的共同难题，节能技术的开发和应用成为各国政府重点扶持研究的课题之一。二十一世纪后，越来越多的机构及部门开始关注能源问题和可持续发展战略。能源工业作为国民经济的支柱产业，受到了极大的重视。我国近年来大力抓能源工业特别是电力工业的建设，大型电站的投运和城乡电网的改造使电力紧缺现象大为缓解；然而用电环节电力资源的浪费非常惊人。因而，针对冶金、电力、供水、石油、化工、煤矿及电气化铁路等大型国有企业的技术改造，研究高压大容量电机调速节能技术，对降低我国单产能耗，提高生产效率，增加国际竞争力有着战略性的意义。随着电气传动技术的发展，大功率高压变频器己经成为交流调速研究的热点之一。采用高压变频器实现高压电机的无级调速，可以有效的节约能源，提高产品的产量和质量，大幅降低生产成本，其市场潜力巨大，应用前景广阔。级联多电平功率变换技术可以使耐压值较低的全控型电力电子器件可靠应用于高压大功率领域，并有效减少PWM控制产生的高次谐波，但多电平功率变换电路的拓扑结构和控制方法较为复杂。级联型多电平功率变换电路易于向高电压等级扩展，在高压电机调速和电力系统无功补偿领域己获得实际应用。级联多电平变频器不同于传统的两电平变频器，由于其开关器件的增多引起了驱动脉冲的分配问题，现有的数字信号处理器与多电平变频器的开关器件之间，存在着驱动脉冲的接口问题。本文以级联多电平的控制系统为研究对象，从研究高压变频器的各种主电路拓扑入手，深入分析了本文研究的三单元串联变频系统工作原理；然后从两电平的PWM调制入手，介绍了载波型SPWM调制方法，并进行了深入分析；在对实验系统进行理论分析和仿真验证的基础上，从提高系统性能和装置的可靠性出发，设计了基于数字信号处理器((DSP)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)的控制电路，搭建了较为完整的实验平台，并对相位移载波调制方法进行了实验验证。关键词：级联多电平变频器；脉冲宽度调制；载波移相；DSP；CPLD基于DSP的单元串联多电平变频技术的研究iiRESEARCHOFCASCADEDMULTILEVELINVERTERSBASEDONDSPABSTRACTWiththedevelopmentofelectricaldrivetechnologyrecently,HighvoltageandhighpowerinverterhasalreadybecomeoneofresearchfocusinACdrives.Itnotonlycouldenhancetheturnoutandqualityofproducts,butalsocouldeconomizelargenumbersofpowerenergyandreduceproductioncostifhighvoltagemotorcouldchangetheirvelocitysmoothlyusinghighvoltageinverter.Ithashugemarketpotentialandwidelyapplicationinthefuture.Multilevelpowerconversionhastheabilitytomakelowervoltagesemiconductorsbestablyusedtohigh-voltageandlarge-capacityapplicationswhilereducingthehighorderharmonicsproducedbyPWMcontrolefficiently.Butitstopologyandcontrolisrathercomplicated.Duetoexpandingtomedium-voltagefieldseasily,cascadedmultilevelpowerinvertershavebeenutilizedinmedium-voltagemotordrivesandreactivepowercompensationsofpowersystem.Thisdissertationisdevotedtoresearchthetopologicalstructure,PWMcontrolmethodandapplicationinmotordrivesofcascadedmultilevelinverters,sothatsomeeffectivemethodsforoptimizingtopologyandimprovingcontrolperformancecouldbeproposed.Cascadedmultilevelpowerinvertersaredifferentfromtraditional2-levelpowerinverters.Becauseofanincreaseofswitchcomponents,thedistributionofdrivingimpulseiscaused.Moreover,thereexistssometechniquedifficultyaboutinterfaceofdrivingimpulsebetweendigitalsignalsprocessavailableandswitchcomponentsofmultilevelpowerinverters.Hence,consideringthecontrolsystemconsistedofcascadedmultilevelpowerinverters,theoperatingmechanismof3-cellserialinverterisanalyzedindepthbasedonthemaincircuitofcascadedmultilevelpowerinverters.ThencontrastandanalyzethePulseWidthModulationforCascadedMultilevelInverter.Theresultofexperimentisdiscussed,andtheconclusionissignificative.Thisdissertationprovidesexperimentaldataandguidelineoftechnique.Atlast,underanalysisoftheoryandemulationalvalidation,itdesignedthewholeexperimentalsystem,河北工业大学硕士学位论文iiiincludingthemaincircuit,controlunit,(basedonDSP&CPLD),inordertoimprovetheperformanceofsystem.KeyWords:CascadedMultilevelInverter;PulseWidthModulation;Carrier-basedPhaseShifted;DSP;CPLD原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1研究背景及意义近年来，大功率电力电子变流技术发展迅速。在交流电机驱动领域，大容量的高压变频调速技术得到了普遍的应用。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可以大幅度地节约能源，降低成本。我国有大量的功率传动机械，如大功率风机、泵类负载是工业生产中应用最为广泛的通用机械设备，年耗电量约占工业总耗电量的50%。由于缺少简单可靠、性价适中的高压调速装置，过去一般采用挡板(或阀门)进行风量(或流量)调节，电动机直接恒速拖动，装置裕量较大，运行时负荷率低，能源浪费严重。若采用调速传动，通过改变转速来调节流量和压力，可以节约大量的电能。据统计，平均节电率一般为30%～68%。风机、泵类负载用高压变频器占高压变频市场的75%，调速性能要求较低，节能效果又非常显著，因而成为不少厂家抢占市场的首选领域。对风机、泵类设备通过变频调速来调节流量或压力实现节能，在低压范围内得到了广泛的应用。但在高压大功率范围内由于技术和成本的原因，应用受到了很大的限制。近年来随着电力电子技术及功率器件在高电压、大电流、高频率、模块化、集成化等方面水平的提高，高压变频器技术日趋成熟，应用也越来越广泛，成为国内外交流调速领域的研究热点之一。世界上著名的电气公司在高压调速领域展开激烈的竞争。高压变频器不像低压变频器一样具有成熟统一的拓扑结构，而是受限于功率器件的耐压，出现了多种拓扑结构。早期的高压电动机变频方案采用低压变频器和输入输出变压器组成的“中-低-中”方案；近年来流行的方案都取消了输出变压器，变频器直接输出高压，这种方法一般采用两种途径实现，一种是采用器件串联的方法，电路结构仍采用普遍三相桥式逆变器，其产品主要是GTO或SGCT构成的电流源变频器；另一种是采用多电平结构。按照国际惯例和我国相关国标，当供电电压大于l0kV时称高压，小于或等于10kV时称中压，用于驱动电动机的中、大容量变频器相应称作中、高压变频器。在国内电工界工程技术人员将其与低压380V对比，习惯上称为高压变频器。在功率方面，我国一般以200kW为分界线，200kW以下是低压380V或690V,200kW以上是高压3kV、6kV和l0kV。我国高性能、高可靠的高压变频器市场潜力巨大，应用前景十分广阔，目前国内在高压变频调速领域展开了积极的研究。尽快推出新一代高性能高压变频器，对提高我国大容量高压电机调速水平，提高产品的产量和质量，大幅度降低能耗，节约能源、治理环境污染等方面具有非常重要的经济效益和社会效益。基于DSP的单元串联多电平变频技术的研究2§1-2高压变频器的现状及发展趋势1-2-1高压变频器的现状到目前为止，影响高压变频器调速技术发展的因素主要有两个：(1)大功率交流电机供电电压等级高，而现有功率器件耐压低；(2)高压变频调速技术难度大、技术容量高、投资大，而用于风机、水泵等方面的节能调速只能低投入，由节电费用中收回成本。由于上述两点的存在，因此出现了多种高压变频调速的方案，可归纳如下：(1)高-低-高方案：将电网高电压经过降压变压器降为低电压，通过低压变频器变频后，再经升压变压器升至高电压，以驱动高压电动机调速，如图1-1所示。图1-1具有输出变压器的高-低-高方案Figure1.1High-Low-Hightechniquewithoutput-transformer该方案实质上是技术成熟的低压变频器，所以技术难度相对较小，投资相对低，是最早应用的一种高压变频器。但由于变频器输出含有高次谐波和直流分量，且升压变压器需要特殊设计，两个变压器都有较大损耗，使其效率降低，同时装置的占地面积大。(2)高