有源中點鉗位型五電平變頻器控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著我國能源危機與環(huán)境問題的日益凸顯，為了解決我國電機系統(tǒng)效率低下的問題，采用高效率、高性能、高可靠性的高壓變頻器及其控制系統(tǒng)是解決問題的關鍵。受制于功率器件電壓等級的限制，傳統(tǒng)的二極管鉗位型(NPC)三電平變頻器無法應用到高壓變頻領域。本文以有源中點鉗位型(ANPC)五電平變頻器為研究對象，對其拓撲結構、建壓方法、調制策略及控制系統(tǒng)等多個方面進行研究。
　　本研究主要內容包括：⑴針對ANPC五電平變換器的拓撲結構進行研究，通過分

2、析該拓撲的結構特點和其輸出五個電平對應的八種開關狀態(tài)關系，給出了不同開關狀態(tài)之間需要遵守的切換原則，同時對母線電容及懸浮電容電壓在正常和非正常工作條件下的開關管電壓應力進行分析，得出系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件，針對懸浮電容的電壓平衡控制，給出了相應的控制策略。⑵針對傳統(tǒng)電容建壓方法無法適用于ANPC五電平變頻器內部電容器的建壓問題進行研究。本文以 ANPC五電平整流器及背靠背式的五電平變頻器系統(tǒng)為研究對象，通過分析兩種系統(tǒng)在整體電路結構上的

3、差異及其拓撲結構特點的基礎上，分別提出了針對ANPC五電平整流器及背靠背式的ANPC五電平變頻器的建壓方法，在不增加其他外部充電設備的前提下，通過控制每相橋臂中不同開關管的導通與關斷，對各系統(tǒng)中的所有電容器進行預充電，在分析不同階段建壓電路結構特點的基礎上，推導出各階段電容器建壓公式，并給出建壓速度與等效預充電阻及電容器容量的關系。⑶針對傳統(tǒng)五電平逆變器空間矢量脈寬調制(SVPWM)控制算法復雜、計算量大等缺點，根據ANPC五電平結構特

4、點結合五電平逆變器的空間矢量模型，研究一種基于線電壓坐標系的ANPC五電平 SVPWM控制算法，優(yōu)化了基本矢量的計算方法的同時簡化基本矢量對應作用時間的求解過程；為了實現(xiàn)中點電位的平衡，針對不同開關狀態(tài)下的ANPC五電平逆變器的母線中點電壓的波動模型進行研究分析，提出一種有效平衡中點電壓的控制方法，通過選擇參考電壓矢量所在三角形的開關序列及控制復用矢量的作用時間之比，實現(xiàn)了懸浮電容電壓與中點電壓的解耦控制；為抑制逆變器輸出的共模電壓，結

5、合 SVPWM算法特點，給出了抑制共模電壓的有效控制方法；針對新 SVPWM控制算法運算時間不固定的缺點，提出了一種優(yōu)化算法，經過優(yōu)化后控制算法的運算時間將被大大縮短，達到在全調制度范圍內控制算法的運算時間保持一致的目的。⑷通過分析了五電平逆變器模型預測控制的特點，構建了系統(tǒng)的數學模型并推導出被控量的離散化預測模型。在實現(xiàn)五電平逆變器模型預測控制的基礎上，提出了ANPC五電平PWM整流器的模型預測控制策略，給出了預測控制器的設計方法；同

6、時基于預測控制的基本思想，提出了一種ANPC五電平PWM整流器的定頻預測控制(F2PC)策略，并詳細給出了定頻預測控制的控制原理及實現(xiàn)方法。⑸設計了一套背靠背ANPC五電平變頻器硬件控制系統(tǒng)，使其能夠滿足相關的控制算法的實現(xiàn)及高速通信的設計要求；為了實現(xiàn) ANPC五電平變頻器各控制系統(tǒng)之間的數據實時通信，設計了一種基于FPGA的高速光纖通信系統(tǒng)；其次為了解決逆變器和電動機之間采用長線電纜傳輸導致在電動機端產生過電壓的問題，設計了一種抑制