1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究背景

变频调速技术经过半个多世纪的发展、丰富和完善，至今已成为交流调速中独领风骚的调速方式。在一系列改善变频调速抑制谐波产生的措施中，pwm技术是主要的，首先是采用正弦波spwm技术，一直沿用至今，但它仍有其不足之处。20世纪80年代中期，德国学者首先提出了一种pwm技术，即svpwm（空间矢量脉宽调制）技术，它可以克服spwm技术的缺点，表现在谐波抑制效果更好、转矩较平稳、直流利用率高，且极适用于计算机控制，因此很快得到推广应用。近年来，电机的空间矢量理论被引入到逆变器及其控制电路中，其原理就是利用逆变器各桥臂开关信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。空间矢量脉宽调制技术，不仅使得电机脉动降低，电流波形畸形变减小，而且与常规正弦脉宽调制技术相比，直流电压利用率有很大的提高，并更易于数字化实现。

1.2 选题意义

能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。20世纪70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。svpwm技术从诞生起，至今已有20余年的历史，发展迅速，普及广泛。在调速领域，从工业生产扩展到交通运输，电动汽车、电力汽车、船舶推进等方面都有采用。它不仅用于调速系统，还扩大到其他领域，特别是电力系统可以提高功率因数、稳定电压等，对改进供电质量有着重要的贡献。

我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。由于缺电，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失；在能源十分紧张的情况下，浪费现象仍十分严重。例如，在工业用电中，高压大功率电机拖动的风机、水泵占很大比例。采用高压大容量变频调速装置拖动交流电机，对降低单产能耗具有重大意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计的基本内容和目标

随着能源危机的加剧以及人类生存环境的不断恶化，大力发展太阳能光伏发电技术已成为必然趋势，其中光伏并网逆变器的开发与研究备受关注，此次设计通过调研光伏并网逆变器的相关知识，以二极管箝位式三电平三相逆变器的拓扑结构为基础，理解三电平逆变器的工作原理，运用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术，实现功率因数为1的逆变目标及抗扰动分析，并在MATLAB/Simulink中实现仿真验证。

为此，将在以下几个方面进行研究：①三电平逆变器电路，本次设计主要采用二极管钳位型三电平逆变器是因其能减少开关损耗和较小的输出电流纹波等优点，特别是在中点电压平衡系统和电压型 PWM 变流器中运用最为广泛。②对三相三电平逆变器拓扑结构进行学习，并作基本阐释，主要说明SVPWM控制的机制。并结合三电平基本空间矢量空间电压矢量调制法，设计符合参数的电路。③结合光伏发电系统的相关背景，建立以二极管箝位式三电平三相逆变器的拓扑结构为基础并运用SVPWM技术搭建仿真电路模型，并在MATLAB/Simulink中实现仿真验证。

图1 系统框图

2.2三电平逆变器电路

三电平逆变器拓扑如图所示：左侧直流电源Vac 为太阳能电池板输出的直流电压。直流电压经过三电平变换器的逆变得到基波为正弦的三相电压，并与电网电压共同作用将其电流注入电网。

图2 三电平逆变器等效电路

三电平逆变器具有以下的优点: ① 降低了开关的电压应力; ② 降低了输出电压和电流的谐波失真; ③ 降低了开关损耗。二极管钳位型三电平逆变器主要因其能减少开关损耗和较小的输出电流纹波等优点在中点电压平衡系统和电压型 PWM 变流器中运用最为广泛。

2.3三相三电平逆变器拓扑结构。

每一相有3个输出状态P、O和N，分别对应于正电压、零电压和负电压。以a相为例，当Sa1和Sa2导通，输出为P状态; 当Sa2、S a3都导通，输出为O状态；当Sa3和Sa4导通，输出为N状态。逆变器每相输出电压可由3个开关状态P、O、N表示。由于每相均有3种输出电平，因此逆变器共有27种可能的开关状态组合。可以得到27个电压矢量，包括3个零矢量、12个短矢量、6个中矢量和6个长矢量。空间矢量工作在一个复杂的平面，这个平面被分为 6个大扇区，每个大扇区又被分成6个小扇区。

图2 第 I 扇区分区示意图

图2中，参考电压 Vref 位于第 I 扇区。用方程(1) ～ ( 4) 可以计算出3 个电压矢量的脉冲宽度。

区域A和B:VrefTs=taV1 tbV0 tcV2 (1)

区域C和D:VrefTs=taV1 tbV8 tcV2 (2)

区域E:VrefTs=taV1 tbV8 tcV7 (3)

区域F:VrefTs=taV9 tbV8 tcV2 (4)

其中: Ts是PWM 的采样周期； Ta，Tb，Tc是电压Va ，Vb和Vc的脉冲宽度； Ts=ta tb tc。

2.4三电平基本空间矢量空间电压矢量调制法

三电平基本空间矢量空间电压矢量调制法和载波调制等方法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼与如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。由于它把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小，噪声低，电压利用高的优点，因此目前无论在开环控制系统还是闭环控制系统中均得到广泛应用。以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机气隙磁通在α-β静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表达式为

则它们对应的空间电压矢量定义为

这以思想也可以用来分析三相逆变器供电时异步电机气隙中磁通矢量的运行轨迹。设此时逆变器输出端电压为Vao，Vbo，Vco，电机上的相电压为VaN，VbN，VcN，电机中性点对逆变器参考点电压为‰，也就是零序电压。这里N为电机中性点，0为逆变器直流侧零电位参考点，此时，前述电机的定子电压空间矢量为，

理想的三电平逆变器电路开关模型的每相桥臂的电路结构可以看成为一个与直流侧相通的单刀三掷开关，则三电平电路的一个桥臂只有Vdc／2、0和．Vdc／2三种可能输出电压值，即每相输出分别由正(P)、零(0)、负(n)三个开关状态。也有将n点设为逆变器零电位参考点，此时每相桥臂的可能输出电平值表示为0，Vdc／2，Vde，对应的每相输出表示为0，1，2三个开关状态。这两种表示法本质是相同的。为了实现三电平逆变器的SVPWM控制，在每个采样周期内，应分为一下三个步骤：(1)区域判断。找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。(2)时间计算。确定三个基本矢量的作用时间，即每个矢量对应的占空比。(3)时间状态分配。确定各个基本矢量对应的开关状态及作用次序，将基本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，完成对开关器件的控制。

2.5光伏发电系统

图3 光伏系统控制原理图

光伏发电系统包括光伏电池阵列和并网逆变器。光伏电池阵列将光能转换为直流电压，并网逆变器将直流电压逆变为符合电网要求的交流电流注入电网。光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心。系统主电路由光伏阵列、Boost电路和双向PWM 逆变器等部件构成，如图3所示。其中，光伏阵列将太阳辐射的光能转换为直流电能经过防反二极管连接到前级 Boost 电路，Boost 电路实现MPPT 控制及直流电压的升压，再将升压后的直流电源经过后级双向 PWM 逆变器变为符合电网要求交流电能并入电网，SVPWM 逆变器在进行并网逆变的同时还实现了对电网无功功率的补偿。将 SVPWM 应用于光伏并网与无功补偿一体化控制系统中，与传统的 SPWM 相比，直流电压的利用率得到提高，功率器件的开关次数减少，从而减小系统功率损耗；此外，SVPWM算法更易于数字化实现，为光伏发电系统实现光伏并网发电与无功补偿功能提供了保障。

3. 研究计划与安排

第1-2周：文献调研，翻译一篇相关的外文文献，撰写开题报告；

第3周：提交开题报告初稿，提交外文翻译。

第4周：开题答辩，提交开题报告终稿。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘凤君. 多电平逆变技术及其应用[m]. 机械工业，2007.
[2] 张一博，王聪. npc三电平光伏逆变器svpwm合成和序列的优化[j]. 电源学报，2012(2)：72-75.
[3] 李成杰，彭华良，李梅，等. 基于坐标变换法的三电平svpwm算法的三个矢量作用时间的计算方法[j]. 电气技术，2015(2)：60-65.
[4] 李启明. 三电平svpwm算法研究及仿真[d]. 合肥工业大学, 2007.
[5] 张健, 贾晓霞, 牛维,等. 基于svpwm变频器的matlab仿真及硬件实现[j]. 电气传动自动化, 2009, 31(1):10-14.

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[7] 赵辉, 胡仁杰. svpwm的基本原理与应用仿真[j]. 电工技术学报, 2015, (14):350-353.