级联多电平逆变器SVPWM技术的算法研究与实现

摘要

通用的两电平和三电平逆变技术受功率开关管额定参数的限制，不宣应用于高电压大功率场合。多电平逆变技术使用耐压值较低的全控型电力电子器件实现高压大功率输出，与使用电力电子器件串、并联方式实现的高压大功率逆变技术相比，多电平逆变技术能有效减少PwM控制产生的高次谐波，并且du/dt和di/dt大大减少，开关管的开关切换次数减少。但随着级联单元数的增加，逆变器控制的复杂性也显著增大，实现更加困难。本文以级联多电平逆变器作为研究对象，对空间矢量调制技术在级联多电平逆变器上的应用进行深入的研究，通过对空间矢量调制算法的优化减小控制复杂性随电平数增加的问题；通过降低功率开关管的开关切换频率来减少开关损耗，解决用开关频率低的器件实现高频输出；通过选择合适的实现抑制多电平逆变器输出的零序电压。
　　 1.在α'-β'坐标平面上实现空间矢量调制算法，即用扇区三角形三个顶点矢量分时制合成基本矢量，为了实现在三个顶点矢量之间的切换，通常采用七段调制算法和五段调制算法。分析七段调制算法和五段调制算法发现逆变器的开关切换频率比较高，为了减少开关切换频率并保持切换路径的封闭性，本文第3章利用两种扇区三角形组成的特征四边形，沿着特征四边形的四条边遍历扇区三角形的顶点矢量只需要两次基本切换，仿真和实验结果与理论分析一致，该方法的开关切换频率大约为七段调制算法开关切换频率的1/3，为五段算法开关切换频率的2/3。
　　 2.为了确定两种三角形组成的三类特征四边形，本文提出利用采样点切线斜率的大小以及该切线与相邻矢量组成的线段交点来判断两种三角形组成的四边形的类型，该方法保证了特征四边形法的实现。
　　 3.由于多电平逆变器的基本矢量对应的实现存在冗余，冗余实现对应的线电压不变，但相电压的大小发生改变，且对应零序电压分量也发生变化。本文第4章提出的优化零序电压的方法就是从所有的冗余实现中寻找零序电压分量的绝对值最小的实现作为有效的相控信号。
　　 4.在零序电压优化控制算法中，为了完成在扇区三角形的三个顶点之间的切换，本文提出，相邻的扇区三角形组成的四边形为特征四边形的情况下，利用特征四边形法遍历扇区三角形的三个顶点，此时可以减少开关切换频率；如果相邻的两个扇区三角形不能组成特征四边形，即存在孤立的扇区三角形，此时采用五段算法完成三个顶点矢量之间的切换。
　　 5.第4章的优化零序电压SVPWM调制算法在一定程度上降低了零序电压分量，但随着调制系数的增加，零序电压的变化范围增大。对于三级七电平逆变器而言，在任意三角形扇区内，总能找到一个顶点矢量对应的实现满足零序电压N∈{0，-1，+1)的条件，本文第5章利用三级七电平逆变器的这一特点，给出了混合SVPWM算法，使输出的零序电压N∈{0，-1，+1}。另一方面，混合调制算法利用特征四边形法和五段算法逼近参考矢量减少了开关切换频率。
　　 最后，本文搭建了3级7电平逆变器实验平台，并在实验平台上实现了开关频率优化调制算法、零序电压优化的SVPWM调制算法以及混合调制算法，仿真和实验结果表明这三种算法与理论分析完全一致，验证了这些调制算法的正确性和有效性。