级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究.docx
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级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究
级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究
毕业设计（论文）诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计（论文）是
我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究
成果。
就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的
地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研
究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育
机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由
此而造成的一切后果及责任。
本人签名____________
导师签名__________
年月日
华东交通大学毕业设计（论文）任务书
学毕业届专XXXXXXXXXXXXX姓名号别业
毕业设计（论文）题级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究目
指导教学XXXXXXXX职称师历
具体要求:
随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量的高压变频调速技术得到了广泛的应用。
目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功率器件容量也越来越大，其主要有以下4种基本的拓扑结构:
?
H桥级联式（CascadedH-bridge，CHB）;?
电容箝位式（Capacitor-Clamped）;?
二极管箝位式（Diode-Clamped）;?
飞跨电容嵌位式（Flying-Capacitors）。
由于CHB逆变器具有很低的谐波失真和dv/dt，而且不需要功率器件间的串联，就可以得到很高的工作电压，它的模块化结构还可以降低生产成本，所以CHB逆变器在高功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电（FACTS）领域都得到了大量的应用。
本课题要求学生了解H桥级联7电平逆变器拓扑及CHB逆变器常用的调制方式:
相位移位调制（PhaseShiftedModulation）和电压移位调制（VoltageShiftedModulation），在对CHB逆变器进行深入了解之后，通过Matlab/Simulink/Powersystem仿真软件对三次谐波注入的CHB逆变器调制方法进行仿真研究，并把这中方法和不采用三次谐波注入的正弦波调制技术进行分析比较，从而得到一些具有一定理论价值的结论。
进度安排:
设计各阶段名称日期%
1熟悉电路与电力电子技术的基本知识，对电压型2月13日,3月中旬10PWM逆变器有较深的理解。
2掌握Matlab程序设计3月中旬,3月下旬10
320研究多相电压型PWM逆变器的设计方3月下旬,4月中旬
440编程及实例设计4月中旬,5月下旬
510毕业设计写作、答辩5月下旬,6月初
610英文资料翻译设计期间自行安排
指导教师签字:
年月日
教研室意见:
教研室主任签字:
年月日
题目发出日设计（论文）起止期时间
附注:
华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书
级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究课题名称
XXXXXXX课题来源XXX课题类型导师
XXXXXXXXXXXX学生姓名XXX学号专业开题报告内容:
一、多电平逆变器综述:
从20世纪90年代以来，以高压IGBT、IGCT为代表的性能优异的复合器件的发展引人注目，并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构。
在工业发达的国家兆瓦级的高压多电平逆变器已经有产品大量投入市场，并应用于电力机车牵引、船舶电力推进。
轧钢、造纸、油气田等高性能系统中。
国内也有不少人在研究、开发和引进高压大容量多电平技术和设备。
随着高压大功率电力电子装置的发展，逆变器从两电平向三电平、多电平的方向发展。
三电平逆变器引起了越来越多的关注，其相对于传统两电平电压型逆变器表现出明显的优势，如每个开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，可以使用耐压等级低的器件，并避免了器件串联使用时的动态均压问题;相同调制频率下，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗小，效率高，故有着广泛的应用前景和重要的研究价值。
在大功率电能变换中，三电平逆变器输出由于具有更高的电能质量、更低的谐波含量，更好的电磁兼容性以及更低的开关损耗等优点，在中高压大容量交流调速领域得到了广泛的应用。
传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构，控制策略和实现方法成熟，但在大功率运用中存在许多问题。
1980年日本学者Nabae等人在IEEE工业应用年会上提出三电平中点箝位式结构，并在此基础上提出了多电平逆变器思想，多电平逆变器的一般结构是有几个电平台阶成阶梯波以逼近正弦输出电压。
从此多电平逆变器作为一种新型的高压大容量功率逆变器。
从电路拓扑结构入手，在得到更高质量的输出波形的同时，不管何种拓扑结构的多电平于两电平相比，都有一些共同的优点:
无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，开关器件承受的电压应力小，可避免大的d/d所导致的各种问题，提高了开关管的使用寿命。
ut
二、多电平逆变器的电路拓扑结构:
多电平逆变器实现的结构一般主要有:
二极管箝位型（diode-clampedinverter）、飞跨电容箝位型（flying-capacitorinverter）、具有独立直流电源的级联型（cascaded-inverterswithseparatedcsources）、具有多绕组变压器输出的多重化型等等。
（1）全桥逆变电路
全桥逆变器的主电路图见图一。
由于控制方式的不同，它可以有很多种工作方式，常用的工作方式为:
两电平:
s（d）和s（d）导通，而s和s关断，u=v;反之，s（d）和s（d）导通，而s和s关断，u=-v;114423abdc223314abdc三电平:
s（d）和s（d）导通，u=v;s和s导通，u=-v;s（d）和s（d）导通或s（d）和s（d）导通，u=0。
1144abdc23abdc11223344ab
图一单相全桥逆变电路
（2）二极管箝位多电平逆变电路
1977年德国学者holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的a?
nabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
图二为二极管箝位逆变电路，它具有2个电容，能输出3电平的相电压。
图二二极管钳位型三电平逆变电路
u相工作情况与输出相电压的电平
s和s（或d和d）通，s和s断，uo间电位差为v/2;111211124142dc
s和s（或d和d）通，s和s断，uo间电位差为-v/2;414241421112dc
s和s导通，s和s关断时，uo间电位差为0;12411142
s和s不能同时导通;1241
u》0时，s和d导通;121
u《0时，s和d导通。
414
二极管箝位结构的显著优点:
就是利用二极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适于高电压场合。
缺点:
虽然开关器件被箝位在v/（n-1）电压上，但是二极管却要承受不同倍数的v/（n-1）反向耐压;如dcdc果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大时，增加了实际系统实现的难度;当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。
（3）飞跨电容箝位型逆变电路
1992年，t?
a?
maynard和h?
foch提出了如图三所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路，其特点是用箝位电容代替图3中所述的箝位二极管，直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位型逆变器相似。
图三飞跨电容相位型逆变电路-三电平
飞跨电容箝位型逆变器相对于二极管箝位型逆变器的优点是:
在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性;由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡;可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。
缺点是:
逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难;其次控制方法非常复杂，实现起来很困难;并且还存在电容的电压不平衡问题。
三、各种PWM方法的比较:
（1）等脉宽PWM法
VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。
（2）马鞍形波与三角波比较法
马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式（HIPWM），其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压.这是因为，经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而使线电压仍为正弦波.（3）SPWM法
SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案。
（4）空间电压矢量控制PWM
空间电压矢量控制PWM（SVPWM）也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，
用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形.此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场（正弦磁通）.具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式.磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量.此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。
（5）非线性控制PWM
单周控制法[7]又称积分复位控制（IntegrationResetControl,简称IRC），是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例.该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关，积分器，触发电路，比较器达到跟踪指令信号的目的。
单周控制器由控制器，比较器，积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器，其控制原理如图1所示.图中K可以是任何物理开关，也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号.。
单周控制在控制电路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态，瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期.虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快，开关频率恒定，鲁棒性强等优点，此外，单周控制还能优化系统响应，减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。
四、参考文献:
[1]周细文,刘连根,罗仁俊,李军,何多昌.三点式H桥单元级联多电平高压变频器技术[J].变流技术
与电力牵引,2006,（02）
[2]乐红兵,熊元新.电压源逆变器三角载波电流控制改进模型[J].变流技术与电力牵引,2006,（03）.[3]彭方正,钱照明,罗吉盖斯,赖泽生.现代多电平逆变器拓扑[J].变流技术与电力牵引,2006，（05）[4]刘志晖,张青,陈坚.一种新颖的三相SPWM技术[J].电力电子技术,1997,（02）[5]牟伟,关振宏,胡鹏,沈辉.级联多电平逆变器的工作原理分析[J].电气传动自动化,2006,（03）
指导教师签名:
日期:
课题类型:
（1）A—工程设计;B—技术开发;C—软件工程;D—理论研究;
（2）X—真实课题;Y—模拟课题;Z—虚拟课题
（1）、
（2）均要填，如AY、BX等。
华东交通大学毕业设计（论文）评阅书
（1）姓名学号专业XXXXXXXXXXXXXXX毕业设计（论文）题目级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究
指导教师评语:
得分
指导教师签字:
年月日
评阅人评语:
得分
评阅人签字:
年月日
华东交通大学毕业设计（论文）评阅书
（2）姓名学号专业XXXXXXXXXXXXXXXX毕业设计（论文）题目级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究
答辩小组评语:
等级
组长签字:
年月日
答辩委员会意见:
等级
答辩委员会主任签字:
年月日（学院公章）
注:
答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩，交答辩委员会审定，盖学院公章。
“等级”用优、良、中、及、不及五级制（可按学院制定的毕业设计（论文）成绩评定办法评定最后成绩）。
华东交通大学毕业设计（论文）答辩记录姓学毕业届专XXXXXXXXXXXXXXXXX名号别业
级联H桥多电平逆变器调制技术的仿题目答辩时间XXXXX真研究
答辩组成员（签字）:
答辩记录:
记录人（签字）:
年月日
答辩小组组长（签字）:
年月日
附注:
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