有源中點(diǎn)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(jī)與環(huán)境問題的日益凸顯，為了解決我國電機(jī)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(guān)鍵。受制于功率器件電壓等級(jí)的限制，傳統(tǒng)的二極管鉗位型(NPC)三電平變頻器無法應(yīng)用到高壓變頻領(lǐng)域。本文以有源中點(diǎn)鉗位型(ANPC)五電平變頻器為研究對象，對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、建壓方法、調(diào)制策略及控制系統(tǒng)等多個(gè)方面進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對ANPC五電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過分

2、析該拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和其輸出五個(gè)電平對應(yīng)的八種開關(guān)狀態(tài)關(guān)系，給出了不同開關(guān)狀態(tài)之間需要遵守的切換原則，同時(shí)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(guān)管電壓應(yīng)力進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，針對懸浮電容的電壓平衡控制，給出了相應(yīng)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(nèi)部電容器的建壓問題進(jìn)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(jié)構(gòu)上的

3、差異及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)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(shè)備的前提下，通過控制每相橋臂中不同開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，對各系統(tǒng)中的所有電容器進(jìn)行預(yù)充電，在分析不同階段建壓電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出各階段電容器建壓公式，并給出建壓速度與等效預(yù)充電阻及電容器容量的關(guān)系。⑶針對傳統(tǒng)五電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制算法復(fù)雜、計(jì)算量大等缺點(diǎn)，根據(jù)ANPC五電平結(jié)構(gòu)特

4、點(diǎn)結(jié)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(biāo)系的ANPC五電平 SVPWM控制算法，優(yōu)化了基本矢量的計(jì)算方法的同時(shí)簡化基本矢量對應(yīng)作用時(shí)間的求解過程；為了實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡，針對不同開關(guān)狀態(tài)下的ANPC五電平逆變器的母線中點(diǎn)電壓的波動(dòng)模型進(jìn)行研究分析，提出一種有效平衡中點(diǎn)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(guān)序列及控制復(fù)用矢量的作用時(shí)間之比，實(shí)現(xiàn)了懸浮電容電壓與中點(diǎn)電壓的解耦控制；為抑制逆變器輸出的共模電壓，結(jié)

5、合 SVPWM算法特點(diǎn)，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(yùn)算時(shí)間不固定的缺點(diǎn)，提出了一種優(yōu)化算法，經(jīng)過優(yōu)化后控制算法的運(yùn)算時(shí)間將被大大縮短，達(dá)到在全調(diào)制度范圍內(nèi)控制算法的運(yùn)算時(shí)間保持一致的目的。⑷通過分析了五電平逆變器模型預(yù)測控制的特點(diǎn)，構(gòu)建了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出被控量的離散化預(yù)測模型。在實(shí)現(xiàn)五電平逆變器模型預(yù)測控制的基礎(chǔ)上，提出了ANPC五電平PWM整流器的模型預(yù)測控制策略，給出了預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)方法；同

6、時(shí)基于預(yù)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(yù)測控制(F2PC)策略，并詳細(xì)給出了定頻預(yù)測控制的控制原理及實(shí)現(xiàn)方法。⑸設(shè)計(jì)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(guān)的控制算法的實(shí)現(xiàn)及高速通信的設(shè)計(jì)要求；為了實(shí)現(xiàn) ANPC五電平變頻器各控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)之間采用長線電纜傳輸導(dǎo)致在電動(dòng)機(jī)端產(chǎn)生過電壓的問題，設(shè)計(jì)了一種抑制