電平級(jí)聯(lián)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真開(kāi)題報(bào)告

1、 電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告姓 名專業(yè)電力系統(tǒng) 班級(jí)電氣三班 學(xué) 號(hào)09230336指導(dǎo)教師題目類型工程設(shè)計(jì)題 目五電平級(jí)聯(lián)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真一、選題背景及依據(jù)（簡(jiǎn)述題目的技術(shù)背景和設(shè)計(jì)依據(jù)，說(shuō)明選題目的、意義）1.技術(shù)背景在電壓型逆變器中，最早廣泛應(yīng)用的是兩電平逆變器。所謂兩電平逆變器，就是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，在輸出端把直流電源的正極和負(fù)極電壓分別引出，將直流電能變換成交流電能的一種電能變換器。這種變換器一個(gè)最大的弱點(diǎn)是，受開(kāi)關(guān)管功率和耐壓的限制，不宜實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常的辦法是將開(kāi)關(guān)管直接串聯(lián)，但這樣做還需要解決開(kāi)關(guān)管串聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)還需要加入

2、輸出濾波器，以降低輸出諧波和dudt。為了避免出現(xiàn)上述技術(shù)難題，于20世紀(jì)80年代，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用電力系統(tǒng)直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償、電力有源濾波以及高壓大功率交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的需要，一種新型的、適合于環(huán)保節(jié)能應(yīng)用的逆變器新思路多電平逆變器(Multilevel Inverter)開(kāi)始出現(xiàn)，并受到了越來(lái)越多的人們的關(guān)注。經(jīng)過(guò)20多年的研究，現(xiàn)在已基本形成了集中結(jié)構(gòu)定型的多電平逆變器電路，形成了一門(mén)獨(dú)立的新型電力電子逆變技術(shù)新學(xué)科。 當(dāng)代的逆變技術(shù)，為了減少輸出電壓中的諧波含量和dudt，有兩種研究方向：一個(gè)是對(duì)兩電平SPWM逆變器的研究，用高頻化和軟開(kāi)關(guān)的方式來(lái)減少諧波和開(kāi)關(guān)損耗，

3、即用提高逆變器的SPWM開(kāi)關(guān)頻率的方法來(lái)減小輸出電壓中的諧波含量。該方法的特點(diǎn)是必須用高頻IGBT做開(kāi)關(guān)管，du/dt大，EMI大，開(kāi)關(guān)損耗大，只能提高諧波頻率，不能消除諧波。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)壓；另一個(gè)是對(duì)多電平逆變器的研究，用增加電平數(shù)和逆變器的級(jí)聯(lián)法來(lái)減小諧波，即用N個(gè)逆變器的級(jí)聯(lián)疊加法，利用波形之間的相位差來(lái)消除某些低次諧波。該方法的特點(diǎn)是逆變器工作在基頻，開(kāi)關(guān)頻率低，可以采用中、低速開(kāi)關(guān)器件，du/dt小，EMI小，開(kāi)關(guān)損耗小，不用軟開(kāi)關(guān)，電路簡(jiǎn)單，成本低廉，但不能調(diào)壓。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以消除某些低次諧波。如果把這兩個(gè)研究結(jié)果相結(jié)合，集兩者的優(yōu)點(diǎn)，棄其缺點(diǎn)，就可以得到一種新型的環(huán)保

4、節(jié)能逆變方式，即將N個(gè)SPWM逆變器，按照多電平逆變器的級(jí)聯(lián)疊加法進(jìn)行疊加，由此就可以得到一種新的具有較強(qiáng)消諧波能力的環(huán)保節(jié)能式SPWM多電平逆變器，這種逆變器既可以在不增加開(kāi)關(guān)損耗的條件下把消諧波的能力提高N倍，又可以進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種優(yōu)良的逆變器，就是以級(jí)聯(lián)疊加法為手段的H橋級(jí)聯(lián)式多電平逆變器。其特點(diǎn)是使用的元器件數(shù)目少、不存在電容上電壓的平衡問(wèn)題；流過(guò)各個(gè)開(kāi)關(guān)管的電流相同，便于模塊化、控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)容方便，一般不用軟開(kāi)關(guān)。2、設(shè)計(jì)依據(jù)近年來(lái)出現(xiàn)了幾十兆、甚至更大容量的設(shè)備。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，為使傳統(tǒng)的的兩電平逆變器輸出容量更大，只能靠器件的串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)型逆變器作為多電平逆變器

5、是出現(xiàn)的最早的一種，是1975年P(guān).Hammond提出的，級(jí)聯(lián)多電平逆變器中每一個(gè)逆變單元可以輸出方波或階梯波，通過(guò)輸出波形的疊加合成，形成更多電平臺(tái)階的階梯波，以逼近逆變器的正弦輸出電壓，有利于減小電磁干擾（EMI），系統(tǒng)無(wú)環(huán)流，諧波含量少，對(duì)發(fā)電單元電壓等級(jí)要求低。在中高壓調(diào)速領(lǐng)域、新能源發(fā)電、交流柔性輸電系統(tǒng)等應(yīng)用中引起了電力電子行業(yè)的極大關(guān)注，成為中高壓能量變換的首選方案。本設(shè)計(jì)主要的技術(shù)指標(biāo)為：額定功率1KW；額定輸出電壓220VAC；頻率50HZ；輸出電壓波動(dòng)不超過(guò)2。3.選題目的和意義本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是依據(jù)指導(dǎo)老師提供的設(shè)計(jì)要求和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的一次綜合訓(xùn)練。該題目是關(guān)于電力電子方向的

6、課題，主要是有關(guān)逆變器方面的，涉及到我們學(xué)過(guò)的逆變器和SPWM控制技術(shù)，有利于我對(duì)該課程以及相關(guān)知識(shí)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用，拓寬自己的知識(shí)面，提高自身的綜合設(shè)計(jì)能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)在培養(yǎng)大學(xué)生探求真理、強(qiáng)化社會(huì)意識(shí)、進(jìn)行科學(xué)研究的基本訓(xùn)練、提高綜合實(shí)踐能力與綜合素質(zhì)方面，具有不可替代的作用，是教育與生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合的重要體現(xiàn)，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的過(guò)程中，學(xué)習(xí)的理論知識(shí)得到梳理和運(yùn)用，它既是一次檢閱，也是一次鍛煉，還是一次真正的工程設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)。二、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)思想、解決的關(guān)鍵問(wèn)題、擬采用的技術(shù)方案及工作流程1、設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)有兩

7、種方案可供選擇，一種是二極管鉗位式，另外一種是H橋級(jí)聯(lián)式。下面詳細(xì)介紹這兩種方案：方案一：二極管鉗位式為了利用低耐壓開(kāi)關(guān)器件，獲得多電平高壓輸出，鉗位式多電平逆變器（包括二極管鉗位式、電容鉗位和混合鉗位等）所采用的辦法是將電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)起來(lái)組成半橋式電路結(jié)構(gòu)，用一個(gè)高壓直流電源供電，并用幾個(gè)直流電容串聯(lián)分壓，再用鉗位二極管或鉗位電容將主開(kāi)關(guān)管上的電壓鉗位在一個(gè)直流分壓電容電壓上，從而達(dá)到用低壓開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出的目的。這個(gè)方法很巧妙，但它的負(fù)面作用是多采用了幾個(gè)直流分壓電容和幾個(gè)鉗位二極管（或鉗位電容），同時(shí)還出現(xiàn)了直流電容分壓的均壓?jiǎn)栴}。方案二：H橋級(jí)聯(lián)式級(jí)聯(lián)式多電平逆變器是采用具有

8、獨(dú)立直流電源的H橋作為基本功率單元級(jí)聯(lián)而成的一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，它不用鉗位二極管（或鉗位電容），也不存在直流電容分壓?jiǎn)栴}，因此也不存在直流電容分壓的均壓?jiǎn)栴}。級(jí)聯(lián)式多電平逆變器的主開(kāi)關(guān)管的耐壓，被限定在向它所在基本功率單元供電的獨(dú)立直流電源電壓上。多個(gè)由獨(dú)立直流電源供電的基本功率單元的交流輸出側(cè)直接串聯(lián)疊加，就可以得到高壓多電平交流電壓的輸出了。由兩個(gè)SPWM-H橋的級(jí)聯(lián)疊加組成的五電平逆變器電路如圖2所示，其中圖2(a)為其電路圖，圖2(b)為其工作波形圖。在圖2(a)中，各個(gè)SPWM-H橋采用相同的直流電源電壓E，它們的載波三角波初相位角應(yīng)依次超前。如果采用單極性載波三角波，則H橋1的載波三

9、角波初相位角，H橋2的載波三角波相位角，它們采用同一個(gè)正弦波作為調(diào)制波，得到的輸出電壓為，其中為基本單元、的輸出電壓，為基本單元、的輸出電壓，為基本單元、的輸出電壓，為基本單元、的輸出電壓。 圖2 兩個(gè)H橋的級(jí)聯(lián)五電平逆變器電路方案選擇 (1)鉗位式與級(jí)聯(lián)式五電平逆變器電路結(jié)構(gòu)的對(duì)比如下表1所示： 表1 鉗位式與級(jí)聯(lián)式五電平逆變器電路結(jié)構(gòu)的對(duì)比項(xiàng)目鉗位式級(jí)聯(lián)式基本功率單元基本功率單元是半橋式兩電平逆變器基本功率單元是由半橋式兩電平逆變器或鉗位式三電平逆變器組成的H橋結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)的半橋式結(jié)構(gòu)H橋直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)直流電源一個(gè)高壓直流電源，通過(guò)直流電容串聯(lián)分壓得到的彼此有電聯(lián)系的直流電源多個(gè)彼此獨(dú)立

10、，沒(méi)有直接電聯(lián)系的直流電源鉗位電路有鉗位元件及鉗位電路無(wú)鉗位元件及鉗位電路吸收電路有阻容吸收電路基本不用阻容吸收電路均壓有均壓?jiǎn)栴}及相應(yīng)的克服電路沒(méi)有均壓?jiǎn)栴}，沒(méi)有克服均壓?jiǎn)栴}的電路與鉗位式逆變器相比，H橋級(jí)聯(lián)式逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 對(duì)于電平的逆變器，所需的單相全橋逆變器個(gè)數(shù)和獨(dú)立電源個(gè)數(shù)為，輸出相電壓的電平數(shù)為,輸出線電壓的電平數(shù)為。電平數(shù)越多，則輸出電壓波形中的諧波含量越少。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 在階梯波調(diào)制時(shí)，開(kāi)關(guān)管工作在基頻狀態(tài)，損耗小，效率高。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 與鉗位式多電平逆

11、變器相比，當(dāng)輸出電平數(shù)相同時(shí)，所需的元器件數(shù)目最少。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 容易實(shí)現(xiàn)模塊化，易于擴(kuò)展。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 直流電源電壓的利用率比鉗位半橋式結(jié)構(gòu)的多電平逆變器高。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 基于低壓小容量逆變器的級(jí)聯(lián)組成方式，技術(shù)成熟、容易實(shí)現(xiàn)，比較適合于七電平以上的多電平逆變器場(chǎng)合應(yīng)用。 = 7 * GB3 * MERGEFORMAT 各個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間相同。 綜上，我選擇了第二套方案?？刂品绞?在過(guò)去的20年中，人們提出了大量的多電平變換器PWM控制方法。得出了許多有益的結(jié)論。通常，這些PWM控制

12、方法分為兩大類：載波PWM調(diào)制法、和空間電壓矢量調(diào)制法(簡(jiǎn)稱SPWM)，它們都是兩電平PWM技術(shù)在多電平中的擴(kuò)展。多電平逆變器的PWM控制法是和其電路結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)密切相關(guān)的，不同的電路結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)，采用不同的PWM控制電路。 此設(shè)計(jì)采用三角載波移相PWM法。三角載波移相PWM法(Triangular carrier phase shifting PWMPSPWM 是一種專門(mén)用于級(jí)聯(lián)型多電平變換器的PWM方法。這種控制方法每個(gè)模塊的SPWM信號(hào)都是由一個(gè)三角載波和兩個(gè)反相的正弦波比較產(chǎn)生(左、右橋臂三角波相同，正弦波相位相反)。 載波移相PWM方式已成為單元H橋級(jí)聯(lián)式多電平電路的標(biāo)準(zhǔn)PWM

13、控制方法，與其它PWM控制方法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)在任何調(diào)制比M下，即任何頻率下保證各單元具有相同的輸出電壓、頻率和開(kāi)關(guān)頻率，使輸出電壓的諧波含量不變。而其它的載波方式在M降低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分單元沒(méi)有PWM電壓輸出，造成單元之間的輸出功率不一樣，輸出電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率下降，使得輸出電壓的諧波含量增加； (2)與主電路的模塊化結(jié)構(gòu)相一致，三角載波移相PWM方式中各個(gè)H橋單元的載波和調(diào)制波相比也呈現(xiàn)模塊化的結(jié)構(gòu)； (3)對(duì)于同樣的載波頻率，三角載波移相PWM方式下輸出電壓的頻率是載波頻率的N倍(當(dāng)三角載波移相等于，N為串聯(lián)單元數(shù))。 (4)H橋單元之間不存在輸出功率不平衡。 對(duì)于兩個(gè)H橋級(jí)聯(lián)多

14、電平逆變器的控制電路如下圖3所示。 圖3 兩個(gè)H橋級(jí)聯(lián)逆變器的控制電路三、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度安排第一周：了解設(shè)計(jì)內(nèi)容、要求、任務(wù)，熟悉設(shè)計(jì)題目，查閱、收集相關(guān)的圖書(shū)資料；第二周：理解逆變器工作原理，并初步確定控制方案；第三周：完成主電路、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；第四周：設(shè)計(jì)控制電路、軟件框圖；第五周：編寫(xiě)程序；第六周：利用Matlab/simulink中的模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真；第七周：利用CAD軟件繪制主電路圖，整理元件清單；第八周：利用CAD軟件繪制驅(qū)動(dòng)、控制電路圖，整理元件清單；第九周：利用CAD軟件繪制程序流程圖；第十周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；第十一周:完成英文文獻(xiàn)翻譯；第十二周：答辯。四、主要參考文獻(xiàn) = 1 * GB3 劉風(fēng)君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器【M】.電子工業(yè)出版社，2010. = 2 * GB3 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. = 3 * GB3 現(xiàn)代電力電子技術(shù)，王興貴 陳偉 張巍，中國(guó)電力出版社電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊著 機(jī)械工業(yè)出版社PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用 陳國(guó)呈著 中國(guó)電力出版社DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用 陳道煉著 機(jī)械工業(yè)出版社劉鳳君.