级联型高压变频器空间矢量调制方法的研究与实现

摘要

现今，高压变频调速技术的应用已经逐渐成为电力电子领域的一项重要技术，其中级联型多电平逆变器是其重要的拓扑结构，通常需要实时控制多个功率开关器件。怎样使控制更为精确、简便，涌现出多种调制方法，已逐渐成为多电平逆变器研究的热点与难点。多电平脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)方法，作为影响逆变器控制效果的重要环节，受到了广泛的关注。PWM法分为三角载波调制法和空间矢量调制法两类。本文重点研究了级联型多电平逆变器空间矢量调制(S pace Vector Pulse-Width Modulation，SVPWM)法，包括多电平逆变器的拓扑结构、调制方法等，并分析这些方法的本质联系和规律。通过对基本调制方法软件仿真分析与具体实验验证，来进一步说明空间矢量调制方法的优越性。文中详细叙述了搭建级联型高压变频器模拟实验平台的设计。
　　 (1)概述高压变频器尤其是级联型高压变频器的国内外研究现状，提出了我国现今高压变频器发展中存在的问题，与欧美日本等发达国家在这一领域存在的差距，应对的办法以及今后低碳节能的良好应用前景;简要指出多电平逆变器的研究现状，拓扑结构，各种控制技术和调制方法。
　　 (2)阐述了高压变频器电路的拓扑结构。详细叙述了高压变频器的三种拓扑结构的工作原理和设计思路。通过对这三种拓扑结构的分析，突出表现了级联型多电平逆变器结构的特点，相较于其它两种的优势与劣势。
　　 (3)叙述了多电平逆变器的多种调制方法，阶梯波调制法，着重讲述了SPWM的工作原理和分类，以及注入三次谐波的SPWM调制法的谐波分析。
　　 (4)空间矢量调制法的研究，提出了一种基于映射原理的多电平逆变器空间电压矢量简化算法，总结空间矢量调制方法的优点，描述了SVPWM与SPWM的本质区别与联系。
　　 (5)搭建模拟级联型高压变频器实验平台，用Matlab/Simulink连续域模型仿真系统实现算法仿真。设计了以DSP和FPGA为核心的控制系统软件部分、硬件部分。设计出基于空间矢量SVPWM技术级联型高压变频器系统的控制结构;功率单元部分的主电路;FPGA的多路脉冲设计;DSP实现开关量输入输出，数模转换，频率测量等。改写适用于实验平台的DSP主程序及通信模块结构，最后得到实验结果。验证了本文所提调制方法的正确性，其对促进级联型多电平逆变器在高压变频领域的应用具有很好的工业应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高压变频器研究现状

1．3 多电平逆变器的研究现状

1．3．1 拓扑结构

1．3．2 控制技术和调制方法

1．4 空间矢量PWM调制方法的研究现状

1．4．1 调制方法的研究现状

1．4．2 SVPWM研究方法

1．4．3 应用领域

1．5 本文研究内容

1．6 本章小结

第2章 级联型多电平逆变器的拓扑结构

2．1 高压变频器的拓扑结构

2．2 级联型多电平逆变器的拓扑结构

2．2．1 多电平逆变器

2．2．2 二极管钳位型多电平逆变器

2．2．3 飞跨电容型多电平逆变器

2．2．4 级联型多电平逆变器

2．3 本章小结

第3章 多电平逆变器的调制方法

3．1 多电平逆变器的阶梯波调制方法

3．2 正弦波脉宽调制方法

3．2．1 调制的原理和分类

3．2．2 消谐波PWM方法

3．2．3 载波带频率变化脉宽调制法

3．2．4 混合载波PWM方法

3．2．5 相移载波脉宽调制法

3．3 优化SPWM

3．3．1 注入3次谐波法原理

3．3．2 SPWM的3次谐波注入法谐波抑制分析

3．4 SPWM注入3次谐波仿真

3．5 仿真结果分析

3．6 本章小结

第4章 空间矢量调制方法

4．1 空间矢量调制

4．1．1 多电平逆变器SVPWM的基本原理和技术特点

4．1．2 多电平逆变器空间电压矢量与分布

4．1．3 多电平逆变器SVPWM解决方法与思路

4．2 基于映射原理的多电平逆变器SVPWM简化方法

4．2．1 工作原理

4．2．2 确定小六边形中心

4．2．3 开关矢量和最优顺序的产生

4．2．4 仿真研究

4．3 多电平逆变器载波PWM方法和SVPWM方法的联系

4．4 SPWM和SVPWM的优点及缺点

4．5 本章小结

第5章 基于DSP和FPGA的高压变频器实验设计与实验结果

5．1 级联型多电平逆变器的模拟实验装置设计

5．1．1 级联型模拟高压逆变器整体主电路设计

5．1．2 功率单元设计

5．1．3 级联型高压变频器控制部分设计

5．2 基于DSP和FPGA的多路脉冲实现方法

5．2．1 FPGA实时产生多路脉冲设计原理

5．2．2 DSP和FPGA的接口设计

5．3 级联型高压变频器基于DSP控制软硬件设计

5．3．1 DSP部分硬件电路设计

5．3．2 DSP主程序与部分模块程序结构

5．3．3 主控制器DSP通信子程序模块结构

5．3．4 DSP与FPGA结合多路PWM脉冲产生模块

5．4 级联型高压变频器实验结果与分析

5．5 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文