NPC三电平逆变器及其中点电位平衡的研究

中国石油大学（华东）硕士学位论文NPC三电平逆变器及其中点电位平衡的研究姓名：李新瑞申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：马文忠20090501摘要随着电力电子技术的发展，高压大功率多电平变频器日益成为研究热点。因为其器件耐压要求相对较低、等效开关频率高、无需动态均压、输出波形好等优点，在中高压变频调速、ＰＷＭ可逆整流、电力系统有源滤波、柔性输电系统等方面得到了广泛的应用。鉴于多电平逆变器多样化的拓扑结构和控制策略，本文以应用最为广泛的二极管箝位型（ＮＰＣ）三电平逆变器为研究对象，采用空间电压矢量脉宽调制（ＳＶＰｗＭ）算法进行了理论及实验研究，而且对ＮＰＣ型三电平逆变器固有的中点电位不平衡问题进行了分析研究。首先，本文分析了ＮＰＣ型三电平逆变器的工作原理、ＳＶＰＷＭ控制策略的原理、中点电位不平衡带来的危害、中点电位波动的原因、中点电位波动的特征。然后，基于上述原理的分析，从对直流母线电容充放电使中点电位平衡入手，介绍了两种带辅助电路的中点电位平衡方法；从三电平ＳＶＰＷＭ软件控制算法入手，利用正负小矢量对中点电位相反的影响，介绍了一种通过控制正负小矢量作用时间的中点电位平衡算法。在理论研究之后，本文采用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真软件对上述中点电位平衡方法进行了仿真，通过仿真验证了几种中点电位平衡算法的正确性。最后，在实验室条件下，搭建了ＮＰＣ型三电平逆变器平台，采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ为控制核心进行了实验研究。整个硬件系统的开发包括主电路、隔离驱动电路、检测电路和缓冲电路，还涉及采用ＳＶＰＷＭ调制算法的ＤＳＰ软件编程等环节。通过实验波形和数据的分析，证明课题设计的基于三电平逆变器的ＳＶＰＷＭ控制策略了Ｆ确，所采用中点电位平衡算法可有效控制中点电位平衡。关键词：三电平，空｜’日ｊ矢量脉宽调制，中点电位，ＤＳＰＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＮＰＣＴｈｒｅｅ．．１ｅｖｅｌＩｎｖｅｒｔｅｒａｎｄ

ＮｅｕｔｒａｌＰｏｉｎｔＰｏｔｅｎｔｉａｌＢａｌａｎｃｉｎｇ

ＬｉＸｉｎｒｕｉ（ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｃ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）

ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆ．ＭａＷｅｎｚｈｏｎｇ

ＡｂｓｔｒａｃｔＡｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ．Ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌｉｎｖｅｒｔｅｒｓａｌｅｕｓｅｄｉｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙＡｄｊｕｓｔａｂｌｅＳｐｅｅｄＳｙｓｔｅｍ，Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ

ＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒ，Ａｃｔｉｖｅ

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ｃｏｒｒｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌＩｎｖｅｒｔｅｒ．ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ），

ＮｅｕｔｒａｌＰｏｉｎｔＰｏｔｅｎｔｉａｌ，ＤＳＰ

；ｉ关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：二奎ｌ唪日期：沙７年乡月岁Ｅｔ，

学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其ＥＩＪｌ；ｌＪ版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。

学位论文作者签名：壅薹盗指导教师签名：』丕鑫同期：枷７年多月；Ｅｔ

同期：汹夕年多月乡日中国石油大学（华东）硕士学位论文第１章绪论

１．１引言电力电子技术自二十世纪５０年代诞生以来，经过近半个世纪的飞速发展，至今己被广泛应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面己渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能；而在高压大功率的输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。电力电子器件是电力电子装置的核心。在过去的几十年里，电力电子器件有了飞速的发展，其单管容量、开关频率有了极大的提高，但仍不能满足人们对高压、大功率的要求。所以为了实现高频化和低ＥＭＩ的大功率变换，在功率器件水平没有本质突破的情况下，有效的手段是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案。研究者进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，其中的多电平变换器技术是解决高压大功率变换的一种具有代表性和较为理想的方案，成为现在研究的热点。另一方面，能源短缺和环境污染是人类当前面临的两个世纪性难题【ｌ】。我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。在能源十分紧张的情况下，浪费现象却十分严重。因此，节能的研究成为一项重要的课题。近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用。因此，开发多电平大容量交流电机变频调速节能装置并推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。再者，随着电力电子装置等非线性设备在电力系统、工业、交通（电气化铁路）及家电中大量应用，交直流电网中的无功和谐波污染日益严重。电力系统中的无功和谐波降低了电能的生产、传输和利用的效率，同时也降低了电气设备运行的可靠性，严重时损坏设备、危及电网的安全。采用由多电平大容量电力电子变换装置构成的无功补偿和电力有源滤波器及其相关技术补偿电网中的无功，治理谐波是无功补偿和电力滤波技术的发展趋势。因此大容量电力电子变换器的研究，对电力系统的发展也具有重要意义。

１．２多电平逆变器的发展历史及现状

１．２．１多电平逆变器的发展历史随着电力电子技术的进步，出现了一系列性能优异的复合型电力电子器件，高频，高效（低丌关损耗），高功率因数，高功率密度（组合集成化），高压大功率，易驱动、低损耗及智能模块化等优点正同益显现。在此基础上发展起来的高频ＰＷＭ（脉冲宽度调制）技术、谐振软丌关技术及全数字化控制技术，也将会进一步促进多电平变换器在各种电力电子及电机调速系统中应用。下面我们简要回顾～下多电平变换器的发展历史。