飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真.docx

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飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真

毕业设计（论文）任务书

题目：

飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真

学生姓名李向阳

学院名称电气与自动化工程学院

专业电气工程及其自动化

学号

指导教师张云

职称讲师

一、原始依据

工作基础：

多电平逆变器具有器件电压应力低、输出波形总谐波畸变低、系统电磁干扰小、损耗小输出电压等级高、传输功率大等优点，因而在并网发电、新能源、燃料电池、交流电机调速、大功率电机驱动等领域应用广泛。

当功率单元结构不对称时，就构成了非对称多电平逆变器。

飞跨电容型多电平逆变器的钳位器件数量是二极管钳位型的一半，又无级联型所必须的多路直流输入电源，因此具有很高的研究意义。

研究条件：

相关的参考书、电子文档资料若干，计算机一台，Matlab仿真软件。

工作目的：

本课题研究的目的是针对非对称五电平逆变器，采用飞跨电容型拓扑结构，并研究其运行特性。

利用Matlab仿真软件，建立仿真模型。

二、参考文献

[1]王兆安，刘进军，杨旭，卓放，裴云庆，王跃，等．电力电子技术．北京：

机械工业出版社，2009

[2]王成智，邹云屏，金红元，张允，丁凯．.新型五电平逆变器及其控制研究．通信电源技术，2005．4

[3]刘凤君，等．现代逆变技术及应用．北京：

电子工业出版社，2006

[4]王鸿雁，王小峰，张超，邓焰，何湘宁．飞跨电容多电平逆变器的新型载波PWM方法．电工技术学报，2006．2

[5]蔡兴．多电平逆变器技术及其原理综述．南昌高专学报，2011．10

[6]刘苗，洪峰，王成华．飞跨电容型双降压五电平逆变器．中国电机工程学报，2012．4

[7]张元媛，阮新波．多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略．中国电机工程学报，2004.8

[8]张云,孙力,王要强.非对称混合多电平逆变器功率均衡方法.中国电机工程学报，2010．6

[9]丛望，张爱民．五电平逆变器仿真及控制研究．船电技术，2009．5

[10]曲学基，曲敬铠，于明扬，等．逆变技术基础与应用．北京：

电子工业出版社，2007

[11]刘凤君，等．多电平逆变技术及其应用．北京：

机械工业出版社，2007

[12]刘凤君，等．环保节能型H桥SPWM直流电源式逆变器．北京：

电子工业出版社，2010

[13]陈道炼，等．DC-AC逆变技术及其应用．北京：

机械工业出版社，2003

[14]张云，孙力，吴凤江，孙奎．电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制．中国电机工程学报，2009．7

[15]彭方正，钱照明，罗吉盖斯，赖泽生，等．现代多电平逆变器的控制策略．变流技术与电力中国，2006．4

[16]B.ShanthiandS.P.Natarajan.ComparativeStudyonUnipolarMulticarrierPWMStrategiesforFiveLevelFlyingCapacitorInverter,INTERNATIONALCONFERENCEON“CONTROL,AUTOMATION,COMMUNICATIONANDENERGYCONSERVATION-2009,4th-6thJune2009

[17]刘苗，洪峰，王成华．五电平飞跨电容型双降压逆变器．电工技术学报，2011．5

[18]张云，孙建涛．非对称H桥五电平逆变器及其通用调制策略．变频器世界，2010．9

[19]洪峰，刘苗，嵇保健，王成华．一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法．中国电机工程学报，2012．2

三、设计内容和要求

1、研究内容：

分析非对称五电平逆变器的工作机理，采用飞跨电容型拓扑结构，建立仿真系统，实现飞跨电容型非对称五电平逆变器运行,并记录和分析其运行特性。

2、要求：

1）能够正确地运用电力电子技术的基本原理，对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；

2）能够运用Matlab软件对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行仿真，并分析性能；

3）充分查阅参考资料，能够总结出所研究课题的应用背景和方法手段；

4）毕业论文主题明确，内容正确；

5）各种文档齐全；

6）毕业论文格式符合学校统一要求；

7）翻译选题与论文关系密切，翻译正确。

指导教师（签字）

年月日

审题小组组长（签字）

年月日

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称

飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真

学院名称

电气与自动化工程学院

专业名称

电气工程及其自动化

学生姓名

李向阳

指导教师

张云

一、课题的来源及意义

逆变器是一种用来将输入直流电转换成输出的交流电的电源设备[1,2],由于在节能、可靠性和性能指标等方面的巨大优势,使得它越来越多地被人们应用在静止同步补偿器（STATCOM）和综合潮流控制器（UPFC）、不间断电源（UPS）以及各种电机的调速系统中[3-6]。

而为了解决最初两电平逆变器的受开关管功率和耐压的限制而导致的不宜实现高压大功率输出的缺点[7-9]，多电平逆变器开始在直流输电、无功补偿、电力有源滤波和高电压大功率等场合得到了越来越广泛的重视和研究[10-16]，多电平逆变电路拓扑结构能够保证输出较为理想的正弦电压波形[17]，而五电平逆变器是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路。

为了更好地利用这项技术，许多研究人员提出了一些在拓扑的研究方面的改进：

改进的主要方向是减少器件使用数量[18]，并解决电容电压的不平衡等问题。

同时为更易于向多电平拓展[19]，也使均压控制策略更容易，飞跨电容型逆变器则获得了更多的关注。

飞跨电容型非对称五电平逆变器也成为了国际上的研究热点，其运行特性也让研究者倾力研究。

二、国内外发展状况

在上世纪八十年代，随着电力系统中直流输电、无功补偿、电力有源滤波等发展的需要和高电压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及上世纪七十年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的各国对节能技术和环保技术的广泛关注，逆变器向多电平拓展的呼声和研究也越来越多。

1962年，阿波罗登月指令舱应用了使输出电压的电平数大于或等于三的逆变技术。

1964年，根据A.Kernick提出的谐波消去原理，并仿照阿波罗登月指令舱逆变器电路，用8个晶体管单相全桥逆变器和一个输出变压器研制出了三相多电平逆变器。

然而，那些并不是真正意义上的多电平逆变器，那只是两电平全桥逆变器通过输出变压器进行移相多重叠加得到的输出电压，仍然是两电平逆变器。

1977年，德国学者Holtz提出了开关管辅助钳位式三电平逆变器，但是这种逆变器却无法向更多电平拓展，因此也算不上真正的多电平逆变器。

1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Nabae）等人提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。

这才标志着进入了多电平逆变器的研发新阶段。

1983年，P.M.Bhagwat

等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。

1999年，XiaomingYuan提出了二极管自钳位式多电平逆变器。

1988年，M.Marchesoni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。

1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。

2000年，FangZ.Peng提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。

同年，M.D.Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变单元串联式多电平逆变器。

自1992年提出飞跨电容型多电平逆变器的概念后，飞跨电容型多电平逆变器在二十年来得到了飞速发展。

对其运行特性的研究也越来越深。

作为其中的典型，飞跨电容型五电平逆变器更是研究的重点。

根据功率单元是否对称又可以分为对称和非对称两种结构。

作为一般对称的补充，飞跨电容型非对称五电平逆变器也在电力系统中有着重要作用。

作为逆变器，输出电压或电流一直是逆变器研究关注的一个重点，其中脉宽调制技术尤其重要，对于飞跨电容型非对称五电平逆变器，通常所用的调制技术是SPWM技术；同时，由于开关器件功率的限制，往往还要采用多重叠加法来解决。

三、课题研究目标

以五电平逆变器为研究对象，采用飞跨电容型非对称拓扑结构，应用Matlab建立模型进行仿真，认真观察其运行特性并根据所得结果分析并找出影响其运行特性的各种因素并提出相应的优化措施。

四、课题研究内容

1、通过查阅和学习，在原有的专业知识基础上，理解五电平逆变器,掌握Matlab的使用方法，熟悉飞跨电容型多电平逆变器的主电路结构；

2、以主电路的拓扑结构图为基础，学习飞跨电容型非对称五电平逆变器各部分元件在整个电路中的作用，在Matlab中进行仿真；

3、能够正确地运用电力电子技术的基本原理，对电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；

4、能够通过Matlab仿真软件的仿真结果总结出其运行特性，并通过仿真找出影响运行特性的因素；

5、能够通过仿真和平时的专业知识提出简单的优化措施。

五、研究方法、手段

1、本课题的内容有仿真，因此需要熟练掌握Matlab的使用方法；

2、根据各种参考资料和所学专业知识的多电平逆变器工作原理和电路结构，对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行运行机理分析；

3、应用Matlab仿真软件对飞跨电容型非对称五电平逆变器进行仿真，分析运行特性，并分析其影响因素；

六、论文进度安度

1、2012.12.20-2013.2.28熟悉研究课题，查阅相关资料、书籍；

2、2013.3.1-2013.3.7完成开题报告，任务书，英文翻译，并通过批准；

3、2013.3.7-2013.3.10根据课题要求，复习电力电子教科书的“DC-AC逆变换器”、“PWM控制技术”章节，掌握传统的三相逆变器（教科书上的）的运行原理、PWM控制技术；

4、2013.3.11-2013.3.14学习matlab/simulink仿真软件，并将对教科书中的三相逆变器接RL三相Y型负载进行仿真，并分析相电压、线电压，线电流的波形，写成报告；

5、2013.3.15-2013.4.30将各部分原理联系在一起，形成整体系统，了解其工作原理和功能，并在研究过程中完成论文，得出结论；

6、2013.5.1-2013.5.31给所研究系统建立数学模型并用Matlab仿真，完善论文内容；

7、2013.6.1-2013.6.20进行总结，撰写毕业论文，准备论文答辩。

七、可行性分析

多电平逆变器工作原理可以已知，飞跨电容型非对称逆变器拓扑结构已经掌握，Matlab仿真软件可以完全模拟其电路结构并得出相应运行结果。

八、已具备的实验条件

Matlab仿真软件等。

参考文献

[1]王兆安，刘进军，杨旭，卓放，裴云庆，王跃，等．电力电子技术．北京：

机械工业出版社，2009

[2]王成智，邹云屏，金红元，张允，丁凯．新型五电平逆变器及其控制研究．通信电源技术，2005．4

[3]刘凤君，等．现代逆变技术及应用．北京：

电子工业出版社，2006

[4]王鸿雁，王小峰，张超，邓焰，何湘宁．飞跨电容多电平逆变器的新型载波PWM方法．电工技术学报，2006．2

[5]蔡兴．多电平逆变器技术及其原理综述．南昌高专学报，2011．10

[6]刘苗，洪峰，王成华．飞跨电容型双降压五电平逆变器．中国电机工程学报，2012．4

[7]张元媛，阮新波．多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略．中国电机工程学报，2004．8

[8]张云，孙力，王要强．非对称混合多电平逆变器功率均衡方法．中国电机工程学报，2010．6

[9]丛望，张爱民．五电平逆变器仿真及控制研究．船电技术，2009．5

[10]曲学基，曲敬铠，于明扬，等．逆变技术基础与应用．北京：

电子工业出版社，2007

[11]刘凤君，等．多电平逆变技术及其应用．北京：

机械工业出版社，2007

[12]刘凤君，等．环保节能型H桥SPWM直流电源式逆变器．北京：

电子工业出版社，2010

[13]陈道炼，等．DC-AC逆变技术及其应用．北京：

机械工业出版社，2003

[14]张云，孙力，吴凤江，孙奎．电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制．中国电机工程学报，2009．7

[15]彭方正，钱照明，罗吉盖斯，赖泽生，等．现代多电平逆变器的控制策略．变流技术与电力中国，2006．4

[16]B.ShanthiandS.P.Natarajan.ComparativeStudyonUnipolarMulticarrierPWMStrategiesforFiveLevelFlyingCapacitorInverter,INTERNATIONALCONFERENCEON“CONTROL,AUTOMATION,COMMUNICATIONANDENERGYCONSERVATION-2009,4th-6thJune2009

[17]刘苗，洪峰，王成华．五电平飞跨电容型双降压逆变器．电工技术学报，2011．5

[18]张云，孙建涛．非对称H桥五电平逆变器及其通用调制策略．变频器世界，2010．9

[19]洪峰，刘苗，嵇保健，王成华．一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法．中国电机工程学报，2012．2

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

指导教师（签字）

年月日

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

审题小组组长（签字）

年月日

摘　　要

飞跨电容型多电平逆变器是一种重要的多电平逆变器。

它的拓扑结构比较简单、电平数易扩展、开关损耗小、逆变效率高、电压跳变和电磁干扰小、使用的元器件数目较少，且成本低，还能够实现高压大功率输出。

与传统的两电平逆变器和二极管钳位型多电平逆变器相比有很多优点和发展潜力。

因此它在无功调节等方面获得了广泛的应用。

但是飞跨电容型多电平逆变器也有很多种类，本文选择其中的比较基础的飞跨电容型单相五电平逆变器进行基础性研究。

本文主要是针对飞跨电容型单相非对称五电平逆变器进行仿真。

本文根据设计出的合适的功率开关控制信号和主电路是，在此基础上，对非对称飞跨电容型非对称单相五电平逆变器进行仿真，并对仿真结果进行分析，并解决仿真过程中造成较大误差的问题。

关键词：

飞跨电容；多电平逆变器；PWM技术；仿真

ABSTRACT

Theflyingcapacitormultilevelinverterisakindofimportantmultilevelinverter.Thetopologicalstructureisrelativelysimple,easytoexpand,thenumberoflevelswitchloss,highinverterefficiency,voltagejumpandlowelectromagneticinterference,uselessnumberofcomponents,andlowcost,butalsocanrealizethehighpoweroutput.Withthetraditionaltwolevelinverteranddiode-clampedmultilevelinverterhasmanyadvantagesanddevelopmentpotentialcompared.Soithasbeenwidelyusedinnopoweradjustment.Buttheflyingcapacitormultilevelinverterhasmanykinds,thefoundationistheflyingcapacitortypesinglephasefivelevelinverterforbasicresearch.

Thispaperismainlyontheflyingcapacitorsingle-phaseasymmetricfive-levelinvertersimulation.Inthispaper,accordingtothepowerswitchsuitabledesignofthecontrolsignalandthemaincircuitis,onthisbasis,theasymmetricflyingcapacitortypeasymmetricsingle-phasefivelevelinverterissimulated,andthesimulationresultswereanalyzed,andsolvetheresultinginlargeerrorsinthesimulationprocessoftheproblem.

Keywords:

FlyingCapacitor;MultilevelInverter;PulseWidthModulation;Simulation

第一章　　绪论

1.1　逆变器的起源与发展

逆变器是一种电力电子变换器，其作用是通过半导体功率开关器件的开通和关断，将直流电能变换成交流电能。

最早在1931年，就有人提出了逆变理论。

然而，由于受到电力电子器件工艺的限制，没有合适的半导体功率开关器件，无法实现对开关的控制，从而导致逆变器只能留在理论当中。

在此期间，研究人员在直流到交流电源转换中，通常使用旋转转换器或电动发电机组。

同时，这也是汞整流器应用最广的时期。

在最初，交流到直流变换器实际上是一个旋转变流机。

最早的旋转变流机由直流电动机拖动交流同步或感应发电机构成的机组，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出的电压和频率。

此时的一个逆变器就是一个倒置的转换器。

此后，随着电力电子器件的产生和应用，旋转变流机逐步被淘汰。

1947年，第一只晶体管在美国贝尔实验室诞生。

1948年，美国西屋电气公司（Westinghouse）采用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。

真正逆变器的发展大致经历了三个阶段。

1956至1980年为传统发展阶段，此时，开关频率低，体积重量大，逆变效率低。

1956年，第一只晶闸管成功诞生，由于晶体管不能为逆变器提供足够的电压和电流，晶闸管逐步代替了晶体管。

在这个时期，逆变器才在继整流器之后开始真正的发展。

首先出现在人们视野的是SCR（可控硅）电压型逆变器。

1961年，W.McMurray与B.D.Bedford提出了改进型强迫换向式逆变器，为当时SCR逆变器的发展奠定了基础。

1960年以后，人民人们注意到改善逆变器输出电压波形的重要性，并开始进行研究。

1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消去法”，及后来常用的“多重叠加法”，标志着正弦波逆变器的诞生。

1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。

1981至2000年为高频化新技术阶段。

二十世纪七十年代后期以来，随着可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR以及高频全控开关器件如功率场效应管Power-MOSFET、绝缘栅极双极型晶体管IGBT的了迅速发展，逆变技术进入高频化时期。

在此期间，逆变技术的新特点是小型化和高频化，尤其是脉宽调制波形改善技术迅猛发展。

1964年，A.Schonung和H.Stemmler提出了将通信系统调制技术应用到逆变技术中而成的正弦波脉宽调制技术（SPWM）。

而限于当时开关器件的原因未能及时推广。

直到1975年，由Bristol大学的S.R.Bowes等人正式将SPWM技术应用到逆变技术中，使逆变器性能大幅提高，也使正弦逆变技术达到了新的高度。

此后，各种PWM技术相继出现，如注入三次谐波的PWM、空间矢量调制（SVM）、随机PWM、电流滞环PWM等，也成为高速开关器件逆变器的主导控制方式。

2000年至今为高效低污染阶段。

这个阶段的逆变器低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现[1]。

1.2　多电平逆变器的发展

在最早的电压型逆变器中，最常用的是两电平逆变器。

而两电平逆变器受开关管功率和耐压的限制，难以实现高压大功率输出。

为了解决这个问题，也可以将开关管直接串联，但是这样又要解决开关管的静态和动态的均压问题，并且为了解决输出谐波和du/dt还需要装上输出滤波器。

为了避免这些问题，多电平逆变器就应运而生。

早在1962年，阿波罗登月指令舱逆变器就使用了输出电压的电平数大于或等于3的逆变技术。

1964年，根据A.Kernick提出的谐波消去法原理采用单相全桥逆变器和输出变压器也研制出了三相多电平逆变器。

1977年，德国的Holtz在两电平半桥逆变电路的基础上加入了开关管辅助钳位电路从而得到三电平输出。

然而这些都不能算作真正的多电平逆变器。

直到1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Nabae）等人提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。

这才标志着进入了多电平逆变器的研发新阶段。

1983年，P.M.Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。

1999年，XiaomingYuan提出了二极管自钳位式多电平逆变器。

1988年，M.Marchesoni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。

1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。

2000年，FangZ.Peng提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。

同年，M.D.Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变单元串联式多电平逆变器[2]。

在当前经济社会高速发展的时期，具有高效节能用途广泛的多电平逆变器也有广阔的发展前景。

1.3　多电平逆变器的研究方向

多电平逆变器是在电力电子应用极其广泛的逆变器，它是由电力系统治理无功与谐波污染以及大功率传动系统节能的需要而产生的。

在当前现代多电平逆变器研究的重点主要集中在以下两方面的应用：

（1）在电力系统中，作为直流输电的高压整流器和高压逆变器使用，和作为治理无功和谐波污染的静止无功功率发生器与电力有源滤波器的主电路使用；

（2）在高压大功率传动机械，或高压大功率交流电动机变频调速系统中作为整流器与逆变器使用，如应用于工业风机或泵类的变频调速系统以及轨道交通系统的牵引动力。

1.4　选题的背景和意义

电气工程始终是工业化进程的重要标志和基础，而电力电子技术与微电子技术的结合，已成为当今技术发展的主流。

电力电子技术在现代化的物质生产中位于信息流、能源流和物料流的交汇处，具体体现为“信息控制、电网供电和生产机械”的接口。

逆变技术作为电力电子技术四种变换技术最主要的一种，在推动工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面的发展中占据着极其重要的地位。

进入21世纪，可持续发展越来越被人们重视。

随着石油、天然气、煤炭等传统化石燃料即将耗尽，氢能与风能、太阳能等可再生能源将成为人类使用的主体能源。

越来越多的采用新能源将必然使高效低污染的燃料电池发电方式占据越来越重要的位置，这也将促进逆变器的开发和利用。

而多电平逆变器与传统两电平逆变器相比，具有很多优势，如控制方式灵活、输出电压的相位便于调节和控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格更便宜的低频高压大功率器件、适合高压大功率输出等。

因此，多电平逆变器在提高电力系统的控制能力、