五电平级联逆变器的设计与仿真开题报告.docx

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五电平级联逆变器的设计与仿真开题报告

五电平级联逆变器的设计与仿真开题报告

电信学院毕业设计开题报告

姓名

专业

电力系统

班级

电气三班

学号

09230336

指导教师

题目类型

工程设计

题目

五电平级联逆变器的设计与仿真

一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义）

1.技术背景

在电压型逆变器中，最早广泛应用的是两电平逆变器。

所谓两电平逆变器，就是通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出，将直流电能变换成交流电能的一种电能变换器。

这种变换器一个最大的弱点是，受开关管功率和耐压的限制，不宜实现高压大功率输出。

为了解决这个问题，通常的办法是将开关管直接串联，但这样做还需要解决开关管串联引起的静态和动态均压问题，同时还需要加入输出滤波器，以降低输出谐波和du／dt。

为了避免出现上述技术难题，于20世纪80年代，在电力电子技术领域中应用电力系统直流输电、无功补偿、电力有源滤波以及高压大功率交流电动机变频调速系统发展的需要，一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器新思路——多电平逆变器（MultilevelInverter）开始出现，并受到了越来越多的人们的关注。

经过20多年的研究，现在已基本形成了集中结构定型的多电平逆变器电路，形成了一门独立的新型电力电子逆变技术新学科。

当代的逆变技术，为了减少输出电压中的谐波含量和du／dt，有两种研究方向：

一个是对两电平SPWM逆变器的研究，用高频化和软开关的方式来减少谐波和开关损耗，即用提高逆变器的SPWM开关频率的方法来减小输出电压中的谐波含量。

该方法的特点是必须用高频IGBT做开关管，du/dt大，EMI大，开关损耗大，只能提高谐波频率，不能消除谐波。

该方法的优点是可以调压；另一个是对多电平逆变器的研究，用增加电平数和逆变器的级联法来减小谐波，即用N个逆变器的级联叠加法，利用波形之间的相位差来消除某些低次谐波。

该方法的特点是逆变器工作在基频，开关频率低，可以采用中、低速开关器件，du/dt小，EMI小，开关损耗小，不用软开关，电路简单，成本低廉，但不能调压。

该方法的优点是可以消除某些低次谐波。

如果把这两个研究结果相结合，集两者的优点，弃其缺点，就可以得到一种新型的环保节能逆变方式，即将N个SPWM逆变器，按照多电平逆变器的级联叠加法进行叠加，由此就可以得到一种新的具有较强消谐波能力的环保节能式SPWM多电平逆变器，这种逆变器既可以在不增加开关损耗的条件下把消谐波的能力提高N倍，又可以进行输出电压的调节。

这种优良的逆变器，就是以级联叠加法为手段的H桥级联式多电平逆变器。

其特点是使用的元器件数目少、不存在电容上电压的平衡问题；流过各个开关管的电流相同，便于模块化、控制简单、扩容方便，一般不用软开关。

2、设计依据

近年来出现了几十兆、甚至更大容量的设备。

在现有的技术条件下，为使传统的的两电平逆变器输出容量更大，只能靠器件的串并联来实现。

级联型逆变器作为多电平逆变器是出现的最早的一种，是1975年P.Hammond提出的，级联多电平逆变器中每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压，有利于减小电磁干扰（EMI），系统无环流，谐波含量少，对发电单元电压等级要求低。

在中高压调速领域、新能源发电、交流柔性输电系统等应用中引起了电力电子行业的极大关注，成为中高压能量变换的首选方案。

本设计主要的技术指标为：

额定功率1KW；额定输出电压220VAC；频率50HZ；输出电压波动不超过2％。

3.选题目的和意义

本次毕业设计是依据指导老师提供的设计要求和参数标准进行的一次综合训练。

该题目是关于电力电子方向的课题，主要是有关逆变器方面的，涉及到我们学过的逆变器和SPWM控制技术，有利于我对该课程以及相关知识的进一步学习和综合应用，拓宽自己的知识面，提高自身的综合设计能力。

毕业设计在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究的基本训练、提高综合实践能力与综合素质方面，具有不可替代的作用，是教育与生产劳动和社会实践相结合的重要体现，是培养大学生的创新能力，实践能力和创业精神的重要实践环节，在做毕业设计（论文）的过程中，学习的理论知识得到梳理和运用，它既是一次检阅，也是一次锻炼，还是一次真正的工程设计实战。

二、主要设计内容、设计思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程

1、设计方案

本设计有两种方案可供选择，一种是二极管钳位式，另外一种是H桥级联式。

下面详细介绍这两种方案：

方案一：

二极管钳位式

为了利用低耐压开关器件，获得多电平高压输出，钳位式多电平逆变器（包括二极管钳位式、电容钳位和混合钳位等）所采用的办法是将电力电子开关器件串联起来组成半桥式电路结构，用一个高压直流电源供电，并用几个直流电容串联分压，再用钳位二极管或钳位电容将主开关管上的电压钳位在一个直流分压电容电压上，从而达到用低压开关器件实现高压输出的目的。

这个方法很巧妙，但它的负面作用是多采用了几个直流分压电容和几个钳位二极管（或钳位电容），同时还出现了直流电容分压的均压问题。

方案二：

H桥级联式

级联式多电平逆变器是采用具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式，它不用钳位二极管（或钳位电容），也不存在直流电容分压问题，因此也不存在直流电容分压的均压问题。

级联式多电平逆变器的主开关管的耐压，被限定在向它所在基本功率单元供电的独立直流电源电压上。

多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流输出侧直接串联叠加，就可以得到高压多电平交流电压的输出了。

由两个SPWM-H桥的级联叠加组成的五电平逆变器电路如图2所示，其中图2（a）为其电路图，图2（b）为其工作波形图。

在图2（a）中，各个SPWM-H桥采用相同的直流电源电压E，它们的载波三角波初相位角

应依次超前

。

如果采用单极性载波三角波，则H桥1的载波三角波初相位角

，H桥2的载波三角波相位角

，它们采用同一个正弦波作为调制波，得到的输出电压为

，

，其中

为基本单元

、

的输出电压，

为基本单元

、

的输出电压，

为基本单元

、

的输出电压，

为基本单元

、

的输出电压。

图2两个H桥的级联五电平逆变器电路

2、方案选择

（1）钳位式与级联式五电平逆变器电路结构的对比如下表1所示：

表1钳位式与级联式五电平逆变器电路结构的对比

项目

钳位式

级联式

基本功率单元

基本功率单元是半桥式两电平逆变器

基本功率单元是由半桥式两电平逆变器或钳位式三电平逆变器组成的H桥

结构

开关器件串联的半桥式结构

H桥直接串联结构

直流电源

一个高压直流电源，通过直流电容串联分压得到的彼此有电联系的直流电源

多个彼此独立，没有直接电联系的直流电源

钳位电路

有钳位元件及钳位电路

无钳位元件及钳位电路

吸收电路

有阻容吸收电路

基本不用阻容吸收电路

均压

有均压问题及相应的克服电路

没有均压问题，没有克服均压问题的电路

（2）与钳位式逆变器相比，H桥级联式逆变器具有以下优点：

对于

电平的逆变器，所需的单相全桥逆变器个数和独立电源个数为

，输出相电压的电平数为

输出线电压的电平数为

。

电平数越多，则输出电压波形中的谐波含量越少。

在阶梯波调制时，开关管工作在基频状态，损耗小，效率高。

与钳位式多电平逆变器相比，当输出电平数相同时，所需的元器件数目最少。

容易实现模块化，易于扩展。

直流电源电压的利用率比钳位半桥式结构的多电平逆变器高。

基于低压小容量逆变器的级联组成方式，技术成熟、容易实现，比较适合于七电平以上的多电平逆变器场合应用。

各个开关管的导通时间相同。

综上，我选择了第二套方案。

3、控制方式

在过去的20年中，人们提出了大量的多电平变换器PWM控制方法。

得出了许多有益的结论。

通常，这些PWM控制方法分为两大类：

载波PWM调制法、和空间电压矢量调制法（简称SPWM），它们都是两电平PWM技术在多电平中的扩展。

多电平逆变器的PWM控制法是和其电路结构与工作特点密切相关的，不同的电路结构及其工作特点，采用不同的PWM控制电路。

此设计采用三角载波移相PWM法。

三角载波移相PWM法（TriangularcarrierphaseshiftingPWM—PSPWM是一种专门用于级联型多电平变换器的PWM方法。

这种控制方法每个模块的SPWM信号都是由一个三角载波和两个反相的正弦波比较产生（左、右桥臂三角波相同，正弦波相位相反）。

载波移相PWM方式已成为单元H桥级联式多电平电路的标准PWM控制方法，与其它PWM控制方法相比，有以下优点：

（1）在任何调制比M下，即任何频率下保证各单元具有相同的输出电压、频率和开关频率，使输出电压的谐波含量不变。

而其它的载波方式在M降低时，会出现部分单元没有PWM电压输出，造成单元之间的输出功率不一样，输出电压的等效开关频率下降，使得输出电压的谐波含量增加；

（2）与主电路的模块化结构相一致，三角载波移相PWM方式中各个H桥单元的载波和调制波相比也呈现模块化的结构；

（3）对于同样的载波频率，三角载波移相PWM方式下输出电压的频率是载波频率的N倍（当三角载波移相等于

，N为串联单元数）。

（4）H桥单元之间不存在输出功率不平衡。

对于两个H桥级联多电平逆变器的控制电路如下图3所示。

图3两个H桥级联逆变器的控制电路

三、毕业设计工作进度安排

第一周：

了解设计内容、要求、任务，熟悉设计题目，查阅、收集相关的图书资料；

第二周：

理解逆变器工作原理，并初步确定控制方案；

第三周：

完成主电路、驱动电路的设计；

第四周：

设计控制电路、软件框图；

第五周：

编写程序；

第六周：

利用Matlab/simulink中的模块对系统进行模拟仿真；

第七周：

利用CAD软件绘制主电路图，整理元件清单；

第八周：

利用CAD软件绘制驱动、控制电路图，整理元件清单；

第九周：

利用CAD软件绘制程序流程图；

第十周：

完成毕业设计说明书；

第十一周:

完成英文文献翻译；

第十二周：

答辩。

四、主要参考文献

刘风君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器【M】.电子工业出版社，2010.

张燕宾.SPWM变频调速应用技术【M】.北京：

机械工业出版社，1998.

现代电力电子技术，王兴贵陈伟张巍，中国电力出版社

④电力电子技术王兆安黄俊著机械工业出版社

⑤PWM逆变技术及应用陈国呈著中国电力出版社

⑥DC-AC逆变技术及其应用陈道炼著机械工业出版社

⑦刘凤君.正弦波逆变器.北京：

科学出版社，2002

⑧朱朝霞，徐德鸿.基于DSP单相SPWM逆变电源调制方式研究及实现.浙江理工大学学报

⑨张艺东.SPWM逆变器调制方式的研究.应用技术.2011，5（208）

⑩LaiRS,NgoKDT.APWMmethodforreductionofswitchinglossinfull-bridgeInverter.IEEETras.OnPE，1995，10（3）.

指导

教师

意见

指导教师签字___________

年月日