三电平牵引逆变器优化脉宽调制与中点电位平衡控制算法

摘要

二极管箝位型(neutral-point-clamped，NPC)三电平逆变器自1981年首次提出应用于交流传动系统以来，已成为中压大功率传动领域广泛应用的多电平逆变器。由于开关损耗、逆变器体积及散热能力等限制，现有功率器件最高开关频率一般不超过1kHz，为降低电机在宽速度范围内运行时的定子电流畸变、谐波转矩、谐波损耗、发热和噪声等，通常在不同速度区段采取不同的调制算法即多模式调制。如何在有限的载波比下，设计出电流谐波畸变和转矩脉动最低的三电平牵引逆变器优化脉宽调制算法，具有重要的理论和工程应用价值。因此，本文主要对不同类型、不同载波比下的脉宽调制算法及其谐波性能、中点电位平衡控制算法进行了研究。
　　首先简要介绍了三电平牵引逆变器的主电路结构及其工作原理;分析了三电平异步空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)算法基本原理，以及基于60°坐标系计算矢量作用时间的异步SVPWM简化算法;通过仿真对比分析了采用不同合成矢量序列的两种异步SVPWM简化算法的谐波性能。
　　其次，介绍了三电平同步PWM的基本原理;针对基于空间电压矢量在线计算矢量作用角度的同步PWM，为消除偶数次谐波分量，设计了8种满足半波对称、三相对称、考虑1/4周期对称约束的三矢量同步SVPWM;为进一步降低线电压的加权总谐波畸变率，分析并设计了3种考虑矢量分配系数影响的四矢量同步SVPWM，得到特定矢量序列中矢量分配系数与谐波性能间的定量关系;针对基于单相桥臂电压波形离线计算开关角的优化同步PWM，根据优化目标的不同，分别对特定次谐波消除PWM、电流谐波最小PWM、转矩谐波最小PWM建立优化数学模型，结合初值经验公式和解轨迹微分预估初值的方法，完成不同载波比下各优化同步PWM的优化开关角求解，并对电流谐波性能进行了理论对比分析;针对如何设计三电平牵引逆变器全速域脉宽调制技术的问题，分别从载波比个数、最高开关频率、电流谐波畸变率、转矩脉动、DSP数字化实现等方面对比分析了上述两类同步PWM算法;最后通过仿真验证了各同步PWM的有效性，并对比分析了各同步PWM的谐波性能。
　　再次，针对三电平牵引逆变器的中点电位不平衡问题，提出一种基于SHEPWM的中点电位平衡三级滞环控制方法，通过分析三相桥臂电压波形对应的开关矢量序列及其作用角度，设计了三种冗余矢量调整方案;该方法直接对三相PWM信号进行在线调整，适用于任何PWM算法;最后通过仿真验证了该中点电位平衡控制算法在两种异步SVPWM和两类同步PWM下，均能够实现对中点电位的有效控制。
　　最后，基于TMS320F28335控制器和RT-LAB硬件在环实时仿真平台，完成三电平逆变器优化脉宽调制与中点电位平衡滞环控制算法的DSP程序开发，以及算法正确性和有效性的验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 牵引逆变器脉宽调制算法

1．2．2 中点电位平衡控制技术

1．3 论文主要研究工作

第2章 三电平牵引逆变器异步SVPWM算法

2．1 三电平牵引逆变器主电路及其工作原理

2．2 异步SVPWM基本原理及其简化算法

2．2．1 传统对称7段式异步SVPWM算法

2．2．2 基于60°坐标系的异步SVPWM-Ⅰ算法

2．2．3 基于60°坐标系的异步SVPWM-Ⅱ算法

2．3 仿真对比研究

2．3．1 PWM算法性能评价指标

2．3．2 仿真对比结果

第3章 三电平牵引逆变器同步PWM算法

3．1 三电平同步PwM算法基本原理

3．2 基于空间电压矢量的同步PWM算法

3．2．1 同步SVPWM算法的设计基础

3．2．2 考虑QWS约束的三矢量同步SVPWM

3．2．3 考虑矢量分配系数影响的四矢量同步SVPWM

3．3 基于单相桥臂电压波形的优化同步PWM算法

3．3．1 优化同步PWM算法的设计基础

3．3．2 特定次谐波消除PWM

3．3．3 电流谐波最小PWM

3．3．4 转矩谐波最小PWM

3．3．5 电流谐波性能对比分析

3．4 两类同步PWM算法对比分析

3．5 仿真对比研究

第4章 三电平牵引逆变器中点电位平衡滞环控制算法

4．1 三电平牵引逆变器中点电位不平衡问题分析

4．1．1 异步SVPWM的中点电位不平衡问题分析

4．1．2 同步PWM的中点电位不平衡问题分析

4．2 中点电位平衡滞环控制算法

4．2．1 开关矢量序列与作用角度

4．2．2 冗余矢量调整方案设计

4．2．3 滞环控制器设计

4．3 仿真对比研究

4．3．1 异步SVPWM下的中点电位平衡控制

4．3．2 同步PWM下的中点电位平衡控制

第5章 硬件在环实时仿真验证

5．1 硬件在环实时仿真平台模型设计

5．1．1 基于RT-LAB的被控对象仿真建模

5．1．2 基于TMS320F28335的DSP控制程序设计

5．2 半实物结果对比分析

5．2．1 优化脉宽调制算法实验结果

5．2．2 中点电位平衡控制算法实验结果

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研实践