协同多目标控制的三电平NPC逆变器混合调制策略

摘要

随着现代生产装备向高速、高精度方向发展，与之相对应的大功率变频调速及交流传动技术也日渐成为电气传动领域的研究热点问题。其中，三电平二极管钳位型(Neutral-Point Clamped)逆变器由于其自身优势而广泛应用于无功功率补偿、风能转换和铁路牵引等装置。而基于三电平NPC拓扑的调制策略是决定其性能优劣的关键技术，因此围绕优化调制策略的研究内容如下:
　　首先，介绍了三电平逆变器的基本工作原理，根据假设条件推导出各扇区中点电流平均值的数学模型。同时对单个控制目标的传统调制方式，包括七段式SVPWM调制策略、九段式VSVPWM调制策略、载波层叠PWM调制策略和双调制波调制策略的中点电压平衡原理，及其平均开关频率加以分析。
　　其次，针对传统VSVPWM调制策略扇区判别复杂及基本矢量计算繁琐等缺陷，提出将VSVPWM映射于60°坐标系中，并改变以往通过取整方法的实现模式，而以代数方程的逻辑判别取代。接着，对虚拟中矢量的四种有效组合进行探讨，在不同扇区根据混合开关时序设计原则及限制选择相应的中矢量组合，最终可形成七段和九段交替相间的开关时序。Matlab/Simulink仿真结果表明，混合开关时序的虚拟空间矢量调制不仅极大的简化了算法，且能兼顾中点电压的平衡、维持较低的开关频率和减小输出电压重叠区。
　　再次，在等效简化的双组双调制波载波调制模式下，其功率器件仍然工作于双极性调制模式中，存在输出电压波形重叠及谐波特性差的缺陷。为此本文提出将单调制波与双组双调制波结合的混合载波调制策略，同时给出混合比例参数D的计算过程，并根据正、负调制波在不同调制深度下的特性加以相反的调节量。接着，运用上述传统调制开关频率分析方法对混合式调制策略平均开关频率作以比较，且在Simulink中的仿真结果表明，该方法可在不同工况时选用合适的混合比例参数D，以兼顾中点电压、开关频率、谐波特性等多目标控制要求。
　　最后，构建了三电平NPC变流器的硬件电路和软件算法，由各调制策略的实验结果证实，混合调制策略改善了输出电压波形特性，并保持良好的中点电压平衡效果，进一步验证了该方法可协同多目标控制的理论依据和仿真分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 多电平逆变器研究概况

1．1．1 多电平逆变器研究背景

1．1．2 多电平逆变器发展状况

1．2 中点电压平衡控制研究现状及意义

1．3 混合调制策略的研究现状

1．4 本文研究意义与研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 NPC逆变器中点电压平衡及调制策略分析

2．1 三电平NPC逆变器工作原理

2．2 中点电流平衡的数学模型

2．3 空间矢量调制策略控制与理论分析

2．3．1 七段式SVPWM调制策略

2．3．2 九段式VSVPWM调制策略

2．4 基于载波调制方式理论分析

2．4．1 载波层叠PWM调制策略

2．4．2 双调制波调制策略

2．5 本章小结

第三章 混合开关时序的虚拟空间矢量调制策略

3．1 改进型60°坐标系

3．2 混合开关时序设计

3．2．1 虚拟中矢量组合分析

3．2．2 设计原则与限制

3．3 开关频率及时序比较

3．4 仿真分析

3．4．1 混合虚拟空间矢量仿真模型

3．4．2 仿真结果及比较

3．5 本章小结

第四章 混合双组双调制波的载波调制策略

4．1 双组双调制波表达式的建立

4．2 混合比例参数设计

4．3 振荡幅值与开关频率比较

4．3．1 中点电压振荡幅值

4．3．2 开关频率分析

4．4 仿真分析

4．4．1 混合双组双调制仿真模型

4．4．2 仿真结果及比较

4．5 本章小结

第五章 NPC逆变器协同多目标控制的混合调制实验研究

5．1 实验系统总体设计方案

5．2 三电平逆变器实验平台硬件设计

5．2．1 主要器件选型和驱动电路

5．2．2 隔离电路和检测电路

5．3 基于DSP2812算法设计与编程

5．3．1 主程序算法设计

5．3．2 中断服务子程序

5．4 实验结果与分析

5．4．1 实验装置

5．4．2 实验结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间的学术成果