T型三電平逆變器課程設計...doc

王盈：T型三電平逆變器的設計摘要三相三電平逆變器具有輸出電壓諧波小，小，EMI小等優(yōu)點，是高壓大功率逆變器應用領域的研究熱點，三相二極管中點箝位型三電平逆變器是三相三電平逆變器的一種主要拓撲，已經得到了廣泛的應用。三相T型三電平逆變器，是基于三相二極管中點箝位型三電平逆變器的一種改進拓撲。這種逆變器中，每個橋臂通過反向串聯(lián)的開關管實現(xiàn)中點箝位功能，是逆變器輸出電壓有三種電平。該拓撲比三相二極管中點箝位型三電平拓撲結構每相減少了兩個箝位二極管，可以降低損耗并且減少逆變器體積，是一種很有發(fā)展前景的拓撲。本設計采用正弦脈寬調制（SPWM），本文介紹了三相T型三電平逆變器的設計，介紹其結構和基本工作原理，及SPWM控制法的原理，并利用SPWM控制的方法對三電平逆變器進行設計與仿真。本設計采用SIMULINK對T型三電平逆變電路建立模型，并進行仿真。關鍵詞： T型三電平逆變器、正弦脈寬調制、SIMULINK仿真目錄第一章 緒論61.1 研究背景及意義 .1.2 三電平逆變器拓撲分類第一章 T型三電平逆變器工作原理分析61.1 逆變器的結構1.2 本章小結第二章 正弦脈波調制（SPWM）7 3.1 PWM與SPWM的工作原理 3.2三電平逆變電路SPWM的實現(xiàn)3.3本章小結第三章 電路仿真與參數(shù)計算10 4.1逆變器的基本要求 4.2電路圖 4.3調制電路 4.4L-C濾波電路 4.5結果分析第四章 課程設計小結14參考文獻15第一章 緒論1.1 研究背景及意義近年來，隨著經濟的飛速發(fā)展，人類對能源的需求也大幅度增加，而傳統(tǒng)能源面臨著枯竭的危機。在這種情況下，我們不得不加速開發(fā)新型能源。各國的專家致力于新能源的開發(fā)與利用，光伏發(fā)電、風力發(fā)電、生物發(fā)電等各種新型發(fā)電技術已經得到了一定的應用，并且正在蓬勃的發(fā)展，尤其是光伏發(fā)電，因其成本低、穩(wěn)定性較好，控制簡單等優(yōu)點，在各國得到了廣泛的應用。受地區(qū)氣象條件的影響，太陽能光伏電池板輸出的直流電壓極不穩(wěn)定，而且電壓幅值低，容量小。為了高效利用太陽能，需要將不穩(wěn)定的光伏電池串、并聯(lián)組合，并且經過多級電力電子變換器組合輸出恒頻交流電壓并網運行。而把這些初始能源轉化為可用電能的橋梁就是逆變器。隨著開關器件的不斷發(fā)展，逆變器的拓撲、調制方式和控制策略也在不斷發(fā)展，控制理論在逆變器的控制上得到了很好的應用，這一切都保證了優(yōu)良的供電質量。在一些高電壓、大功率的應用場合，傳統(tǒng)的兩電平逆變器由于開關器件耐壓限制，無法滿足需求。在這種情況下，如何將低耐壓開關器件應用于高電壓大功率場合成為各國專家研究的熱點，由此，多電平逆變器技術應運而生。多電平的概念最早是由日本專家南波江章(A.Nabae)等人在 1980 年提出的1，通過改變主電路的拓撲結構、增加開關器件的方式，在開關器件關斷的時候將直流電壓分散到各個器件兩端，實現(xiàn)了低耐壓開關器件在大功率場合應用。1.2三電平逆變器拓撲分類常見的多電平的電路拓撲主要有三種：二極管箝位型逆變器、飛跨電容箝位型逆變器和具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器。本文研究的 T 型三電平逆變器可以說是中點箝位型逆變器的改進拓撲，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在減少了電流通路中的開關器件數(shù)量，減少了傳導損耗。而且與二極管箝位型三電平逆變器相比，T 型三電平逆變器的每個橋臂少用了兩個箝位二極管，其控制方法和二極管箝位型三電平逆變器類似2。T 型三電平逆變器融合了兩電平和三電平逆變器的優(yōu)勢，既有兩電平逆變器傳導損耗低，器件數(shù)目少的優(yōu)點，又有三電平逆變器輸出波形好，效率高的優(yōu)點，是很有發(fā)展前景的一種三電平逆變器拓撲。第二章 T型三電平逆變器的工作原理2.1 逆變器的結構圖1 T型三電平逆變器結構以 A 相為例，當開關管，同時導通， 同時關斷時，輸出端 A 相對于直流側零電位參考點 O 點的電平為/2；當開關管、，同時導通，,同時關斷時，輸出端 A 相對于 O 點的電平為 0；當開關管， 同時導通，同時關斷時，輸出端 A 相對于 O點的電平為-/2。如表 2-3 所示。并且開關管與不能同時導通，不考慮死區(qū)時間時，開關管和，和的驅動脈沖是互補的。開關狀態(tài)不能在 P 和 N 之間直接轉換，必須通過 0 狀態(tài)來過渡。A點的相電壓幅值為 /2, 0 , -/2 三種電平狀態(tài)，故稱為三電平逆變器。1：、導通，、 關斷 =/22：、導通，、關斷 =03：、導通，、關斷 =-/22.2三電平測量圖如下：圖2 測量三電平2.3本章小結本章對 T 型三電平逆變電路的結構及工作原理進行了簡單的介紹，并對逆變器的控制提出要求，在下一章中將會重點對如何進行調制進行詳細的討論。第三章 正弦脈波調制（SPWM）3.1 PWM與 SPWM的工作原理多電平逆變器的PWM控制技術是多電平逆變器研究中一個相當關鍵的技術，它與多電平逆變器拓撲結構的提出是共生的，因為它不僅決定多電平逆變的實現(xiàn)與否，而且，對多電平逆變器的輸出波形質量、電路中的器件應力、系統(tǒng)損耗的減少和效率的提高都有直接的影響。多電平逆變器的調制在傳統(tǒng)兩電平的基礎上增加了零電平，從而使輸出電壓的諧波含量更進一步減少。 PWM控制技術的基本原理是根據(jù)采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。 上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術的重要理論基礎。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦波。圖3 將PWM波代替正弦波如圖3所示的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，就可以得到圖3-1b所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于負半周期也可以按同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，稱為SPWM波形（Sinusoidal PWM波形）。3.2正弦脈波調制（SPWM）的實現(xiàn)每相采用兩個幅值相等,頻率相同,相位亦相同的三角波作為波載波層疊,PWM方法是兩電平正弦波調制在多電平領域的一個擴展。一三電平逆變器,應該與同一正弦調制波進行對比,兩個三角載波在空間上是持續(xù)的且對稱形成于零參考的正負兩側,原理圖如圖3.1所示。根據(jù)調制波與各個三角載波的比較得出輸出不同的電平級別,從而決定對應 關管的開關情況。當調制波Up的值遠高于上面載波Ucl的值,貝II為“1”的狀態(tài),輸出電Ud/2;當調制波Ur的值遠低于下面載波Uc2的值,則為“-1”狀態(tài),輸出電壓為-Ud/2;其余則為“0”狀態(tài),輸出數(shù)為0。載波比較法生成PWM脈沖諧波后,能夠控制功率 關操作,繼續(xù)輸出三相PWM電壓。載波層疊PWM法的特點是輸出波形好,諧波含量相對較低,控制相對簡單,易于實現(xiàn),可用于任何電平數(shù)的多U平逆變器,可以在整個調制過程比變化范_內進行圖4 載波交疊式PWM調制法如圖4為正弦波與三角波的比較產生PWM脈沖，P1信號接往S1和反相后接S3，P2信號接往S2和反相后接S4。由圖可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使調制工作與高調制度的情況下。正半周波時，正弦波始終高于下面三角波，則產生的PWM波使S4始終關斷，同理負半周波，S1始終關斷。3.3本章小結 本章主要討論了多電平逆器的PWM調制方法。首先介紹了多電平逆變器的控制目標及PWM技術的基本原理。再詳細介紹了多載波調制PWM，闡述了各個開關管的工作狀態(tài)。通過本章的介紹，對多電平逆變器的調制方法進行詳細了解。第四章 電路仿真及參數(shù)計算4.1逆變器的基本要求已知參數(shù)和設計要求：輸入電壓600V，輸出功率50kW，輸出三相相電壓220V，50Hz，帶50kW阻性負載，要求輸出電壓THD小于2%。4.2電路圖圖56SIMULINK仿真-主電路圖與原理圖基本一致。參數(shù)：電壓源：600V DC C1=C2=1500F，R1=R2=0.0000014.3調制電路圖7 單相SPWM調制電路取其中一個信號來觀測，連線如圖6，波形如圖7（為以便觀察 三角波的頻率設為200hz）圖8 （信號波，載波，Q1控制波 在一個周期內的波形） 可以發(fā)現(xiàn)，經過調制出來的波形基本滿足SPWM調制后的結果。在最后的仿真過程中，鋸齒波的周期為0.00005s，即頻率為20kHz.4.4 L-C 濾波電路在SPWM逆變器中，逆變器的輸出LC濾波器主要用來濾除開關頻率及其鄰近頻帶的諧波。考察一個濾波器性能的優(yōu)劣首先是看它對諧波的抑制能力，具體可以從THD值來體現(xiàn)。另外需要盡量減小濾波器對逆變器附加的電流應力。電流應力增大，除使器件損耗及線路損耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD值小的要求與濾波器引起的附加電流應力小的要求往往是矛盾的。LC濾波器的示意圖如下圖8所示。圖9 L-C濾波器在濾波電路中，忽略逆變電路等效電阻時濾波器的傳遞函數(shù)為：上式也可寫為： 式中：wn=1LC 為自然振蕩角頻率。這是一個典型的二階振蕩系統(tǒng)，從頻域上分析，考慮幅頻特性和相頻特性，知道影響濾波效果的參數(shù)主要是轉折角頻率和阻尼比。選擇SPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉折頻率遠遠低于開關頻率，這樣對開關頻率及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。一般要求 1/10其中，為基波頻率，此處為50Hz, 開關頻率，此處為20kHz,取轉折頻率=1/10則有令L=5mH, 可求得 C=1.27uF ，最后調制取L=5mh，C=5 uF。4.5 結果分析A)波形分析取三相電壓波形，如下：圖10 三相波形B)輸出電壓分析:圖11 輸出電壓有效值C)輸出電壓畸變率分析：分析：從結果來看，能夠獲得一個非常近似正弦波的波形，其有效值為220V，頻率為50Hz，THD為：0.16%。圖12 FFT Analysis第五章 課程設計小節(jié)本文對三相T型三電平逆變器的設計進行了研究仿真，本文主要完成了如下工作：（1） 介紹了三電平逆變拓撲結構，分析了T型三電平逆變器的拓撲結構和工作原理，介紹了其輸出電壓和開關狀態(tài)的對應關系。（2） 對PWM于SPWM做了介紹，對三電平SPWM實現(xiàn)的介紹。（3） 進行了電路仿真，介紹了電路圖與調制電路，計算出L-C濾波器的參數(shù)，實現(xiàn)了仿真出非常接近正弦波的波形，有效值為220V，50Hz,THD為0.16%。文獻綜述 1 陳堅電力電子學：電力電子變換和控制技術M北京：高等教育出版社；20041-202 Park Y，Sul S-K，Lim C-H，Kim W-C，Lee S-HAsymmetric Control of DC-Link Voltages for Separate MPPTs in Three-Level InvertersJ20113 王兆安.電力電子技術第五版.