摘 要

随着三电平逆变器以谐波少、损耗低等种种优点近年在大容量、中高压的场合应用越发广泛，关于其拓扑结构以及控制方式的研究也花样繁多。本文对三电平变频器的历史技术进展过程及其原理进行了研究，详细介绍了理解其结构的步骤，并以三电平逆变器及其控制方式为中心进行了指定参数要求的设计。

本论文主要研究了三电平变频器的结构和各部分原理，并在其基础上选择了适合的拓扑结构和控制方案，即二极管箝位式背靠背的三电平逆变器，利用了空间电压矢量法的算法，解读计算过程相对来说容易的一种空间电压矢量算法，最后利用MATLAB/SIMULINK搭建了系统的仿真模型，实现了理论的算法，得到正弦度优良的波形，通过仿真验证了该系统的可行性，满足良好的动态性能。

关键词：三电平；逆变器；SVPWM；MATLAB

Abstract

With the advantages of low harmonic and low loss, three-level inverters have been widely used in large capacity, medium and high voltage applications in recent years. In this paper, the history and principle of three-level inverter are studied, the steps to understand its structure are introduced in detail, and the specified parameters are designed with the three-level inverter and its control mode as the center.

In this paper, the structure and principle of three-level inverter are studied, and the suitable topology structure and control scheme are selected based on it, that is, diode-clamped back-to-back three-level inverter, the Algorithm of space voltage vector is used to interpret the space voltage vector, which is relatively easy to calculate. Finally, the simulation model of the system is built by using Matlab / SIMULINK, the theoretical algorithm is realized, and the excellent waveform of sine degree is obtained, the simulation results show that the system is feasible and has good dynamic performance.

Keywords: three-level; Inverter; SVPWM; Matlab

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 本论文主要研究内容 3

第二章 二极管箝位式三电平变频器的拓扑结构 4

2.1 引言 4

2.2 二极管箝位型三电平逆变器拓扑原理分析 5

2.3 坐标转换 6

2.3.1 clark转换 6

2.3.2 park转换 7

第三章SVPWM控制策略分析 7

3.1 引言 7

3.2 参考矢量所在扇区的判断及工作模式判断 10

3.3 空间矢量作用时间的计算 12

3.4 输出开关状态的确定 13

第四章 中点电位控制的研究 14

第五章 仿真结果及其分析计算 15

5.1 主电路模块 15

5.2 clark模块 16

5.3 svpwm模块 18

参考文献 18

致谢 19

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着舰船直流综合电力系统被广泛应用，直流电压的越发升高以及规模越来越大的种种现实问题给传统上大量应用的功率器件带来了很大压力。因为传统的功率器件所能承受的关断电压和通态电流能力往往存在限制，仍旧按照同样的原理进行研究下去用处并不明显，所以越来越提升的电力需求成为人们探寻更优秀的逆变拓扑结构的起点。理想的大功率开关器件被期待达到这样的理想目标：开通和关断状态下可传输大电流、关断状态下可承受大的阻断电压、开通和关断时无延迟且频率要高、通态压降和断态漏电流为0。

与此同时，调速精度高、范围宽、系统动态性能好、能够提升电机寿命的变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，在国家经济发展和人民日常生活用电的重大技术领域中也越来越应用广泛。变频调速系统已经成为DCS、PLC等工业自动化控制系统中的核心设备，是电气传动与自动控制产品中最具活力和发展潜力的产品之一^[1][2][3]。两电平的的交流变频调速技术在常规的方面已经发展了很久并得到广泛应用，它控制方案简单、电路成熟的优点让我们的实际应用中还难以舍弃，不过相对来说均是用于设备要求不高的情况。在社会经济逐渐发展、生活水平不断提高的大背景下，传统的两电平的应用会带来一些负面影响，比如说它谐波分量高，器件容易损坏造成更换麻烦、浪费资源，电机的寿命因此也会降低^[4]。后来经过多年研究逐渐得到发展的多电平技术则具有很多两电平逆变器所不具有的典型的优点^[5]：

表 1-1 多电平逆变器相对于两电平逆变器的优点

因此得到发展的多电平变频调速技术正是在某些方面能够改进甚至替代两电平变频器存在的不足与缺陷，扭转了只有两电平技术时变频器技术研究难以被推广的局势，因为谐波污染是最严重的的电网污染问题之一，能够减少谐波含量的多电平逆变器现在已经在国内外变频器行业作为绿色环保技术而成为重点发展对象。而且除了以上的典型优点外三电平拓扑还具有低成本，稳定性高带来的安全等优势，电平数也不是越多越好，随着电平数的增加带来的计算量大幅上涨另三电平变频器研究在多电平研究中具有非常重要的意义和实用性。

1.2 国内外研究现状分析

逆变器相关的拓扑和控制方式研究自上世纪后半开始就进入了一个快速的推进期，1964年首次提出在交流调速系统中应用脉宽调制技术的的是法国人A.schcnung与H.stemmler，这样原本应用于通讯技术的PWM控制方式开始在变频器方面发挥作用。在1977年三电平逆变器主电路则被德国学者Holtz首次提出，这是一种为了克服较高的、所引起的开关应力等缺点而设计的一种新型结构的逆变器，这种逆变器的每相桥臂上都有一对用于辅助箝位电位中点的开关器件，成为了后来者进行其拓扑结构研究的基础。不久之后的1980年，日本长冈大学的Akira.Nabae（南波江章）将其内容进行了拓展，在IAS年会上将划时代的二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构发表出来^[6]。此后至今多电平逆变器的研究仍然不曾落幕，在拓扑结构方面主要有三类: