飞跨电容型非对称五电平逆变器运行仿真(共55页)

精选优质文档-倾情为你奉上 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、参考文献参考文献格式？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，20092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，200543刘凤君，等现代逆变技术及应用北京：电子工业出版社，20064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，200625蔡兴多电平逆变器技术及其原理综述南昌高专学报，201110 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，201247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，2004.88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，201069丛望，张爱民五电平逆变器仿真及控制研究船电技术，2009510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，200711刘凤君，等多电平逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，200712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，201013陈道炼，等DC-AC逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，200314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，2009715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，2006416B. Shanthi and S.P. Natarajan. Comparative Study on Unipolar Multicarrier PWM Strategies for Five Level Flying Capacitor Inverter, INTERNATIONAL CONFERENCE ON “CONTROL, AUTOMATION, COMMUNICATION AND ENERGY CONSERVATION -2009, 4th-6th June 200917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，2011518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，2010919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，20122三、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）开题报告往上提一下，把下一页的内容提到这一页来，只要把这页最上面的空行删去就行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,所有数字、字母均为times new roman 格式由于在节能、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)同上和综合潮流控制器(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，Xiaoming Yuan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，Fang Z.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。参考文献参考文献格式问题？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，20092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，200543刘凤君，等现代逆变技术及应用北京：电子工业出版社，20064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，200625蔡兴多电平逆变器技术及其原理综述南昌高专学报，201110 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，201247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，200488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，201069丛望，张爱民五电平逆变器仿真及控制研究船电技术，2009510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，200711刘凤君，等多电平逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，200712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，201013陈道炼，等DC-AC逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，200314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，2009715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，2006416B. Shanthi and S.P. Natarajan. Comparative Study on Unipolar Multicarrier PWM Strategies for Five Level Flying Capacitor Inverter, INTERNATIONAL CONFERENCE ON “CONTROL, AUTOMATION, COMMUNICATION AND ENERGY CONSERVATION -2009, 4th-6th June 200917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，2011518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，2010919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，20122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ABSTRACTThe flying capacitor multilevel inverter is a kind of important multilevel inverter.The topological structure is relatively simple, easy to expand, the number of level switch loss, high inverter efficiency, voltage jump and low electromagnetic interference, use less number of components, and low cost, but also can realize the high power output. With the traditional two level inverter and diode-clamped multilevel inverter has many advantages and development potential compared. So it has been widely used in no power adjustment. But the flying capacitor multilevel inverter has many kinds, the foundation is the flying capacitor type single phase five level inverter for basic research.This paper is mainly on the flying capacitor single-phase asymmetric five - level inverter simulation. In this paper, according to the power switch suitable design of the control signal and the main circuit is, on this basis, the asymmetric flying capacitor type asymmetric single-phase five level inverter is simulated, and the simulation results were analyzed, and solve the resulting in large errors in the simulation process of the problem.Key words:Flying Capacitor;Multilevel Inverter;Pulse Width Modulation; Simulation目 录黑色宋体字体专心-专注-专业第一章绪论前面一页不能空着，往上提一页。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，Xiaoming Yuan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，Fang Z.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、治理电力系统的无功与谐波污染、提高交流电动机传动系统的节能效果等方面有着极其重要的作用。在级联式、二极管钳位式、飞跨电容钳位式三种常见的多电平逆变器结构中，飞跨电容型多电平逆变器有如下的优点：（1）电平数越多，输出电压谐波的含量越少；（2）逆变器电平数易扩展，电压合成方面，开关状态选择具有较大的灵活性；（3）由于电容的引进，可通过在同一个电平数不同开关组合，使直流侧电容保持电压平衡。而飞跨电容型非对称五电平逆变器作为最简单的飞跨电容型多电平逆变器在研究飞跨电容型多电平逆变器的特性作用上有着重要的基础作用。通过对飞跨电容型非对称五电平逆变器的仿真，可以比较全面的掌握飞跨电容型非对称五电平逆变器的特性，为飞跨电容型多电平逆变器的研究提供基础。1.5本文的主要研究内容在课题准备阶段，针对课题涉及到的知识，如逆变器原理、逆变电路设计、PWM控制和MATLAB软件等，我查阅了大量的书籍资料。通过在这一段时间的查阅和学习，对跨电容型非对称五电平逆变器有了深入的认识。围绕“飞跨电容型非对称五电平逆变器仿真”这一课题，确定本文的主要研究工作是：建立基于MATLAB软件的飞跨电容型非对称五电平逆变器仿真模型，对选择利用SPWM控制的跨电容型非对称五电平逆变器进行仿真，分析对比仿真结果，并深入的理解SPWM技术的控制策略。本课题研究的具体的工作为：首先复习电力电子教材相关知识，理解并掌握逆变器的基本原理，并通过查阅相关资料，学习有关知识掌握PWM技术的基本原理，然后利用MATLAB软件Simulink平台中的相关模块搭建几种常见逆变器的仿真模型，然后分析仿真结果熟悉仿真过程，并深入理解逆变器的原理，在进行飞跨电容型单相五电平逆变器仿真并进行仿真分析，最后对课题进行总结，得出结论。第二章逆变器的调制技术上面的空行删去在原始的逆变器中，这些逆变器的输出波形含有相当多的奇次谐波，并会给负载带来很多负面影响。因此，必须对这些逆变器的输出波形进行改善。移相多重叠加技术（也叫阶梯波合成技术）和脉冲宽度调制技术（即PWM技术）就是最常见的方法。2.1逆变器的移相多重叠加技术2.1.1移相多重叠加技术的概念和发展移相多重叠加法是应用最早、技术最成熟的逆变器技术之一。移相多重叠加法再20世纪80年代以前与级联法没有本质的区别，二者都是将多个单相全桥逆变器（FBI）通过对输出电压的移相，在它们输出变压器的二次侧进行串联叠加，以便得到高压大功率交流电能输出。而到了1988年，M.Marchesoni提出了具有独立直流电源级联式多电平逆变器的概念后，在“级联”中加入了三角载波移相的概念，从而使二者有了明确的差别，即将输出电压进行移相的叠加叫移相多重叠加，将三角载波移相的叠加叫级联法。移相多重叠加法主要有三个作用：改善逆变器的输出波形、提高逆变器输出的电压和功率、变换相数。它是多电平逆变器进一步改善输出电压波形、提高逆变器输出的电压和功率的主要方法之一。而由于开关器件的开关速度及额定功率的限制，只依靠逆变器本身无法实现高压大功率的正弦输出时，此时，就需要利用移相多重叠加法对其进行扩容和改善输出电压的波形。2.1.2移相多重叠加技术的基本原理移相多重叠加法就是将N个输出电压（或电流）为方波的逆变器依次移开一个相同的相位角/N,然后通过它们各自的输出变压器次级进行串联叠加，并得到阶高按正弦规律变化的阶梯波输出来改善波形。其中，移相的目的是让方波中的某些谐波的相位相反，叠加的目的则是将这些相位相反的谐波相互抵消。移相多重叠加法的原理也可以这么理解，即N个依次移开/N相位角的方波逆变器，将它们的输出变压器次级串联叠加成多梯级阶梯波，用这个阶梯波逼近于正弦波（使阶梯波的阶高按正弦规律变化）的方法来消除某些谐波，从而改善输出波形。移相多重叠加法一个周期合成阶梯数为2N的阶梯波，共需要N台单相全桥逆变器（FBI）组成。如图2.1所示，为移相多重叠加逆变器通常所采用的电路结构图。图中每个方块表示相同的单相功率电路，每个功率电路的驱动信号相位不同。振荡器输出的方波经分相电路输出N个依次相移为/N的方波信号经驱动电路后供给功率开关。所以，N个功率电路输出N个依次移相/N的方波电压u1、u2、uN，其初始相位分别为1=0、2=/N、N=（N-1）/N。功率变压器可以由N台单相变压器组成。根据谐波抵消理论计算各各相变压器电压比，将相应的二次绕组串联后即可得到阶梯波输出。实际上也就是把不同相位和不同幅值的方波或矩形波电压叠加合成阶梯波3-9上标。移相多重叠加逆变器的谐波含量较低，并且，显然阶梯数越多，谐波含量越低，从而输出波形越接近正弦波，质量也越好。这种逆变器由多个逆变桥构成，每个逆变桥可以实现均分功率，降低了单个逆变桥功率要求，易于实现较大功率容量。同时，由于逆变器功率的管开关频率低，变换器的效率就高，可靠性也高。图2.1 阶梯波合成图图1后面需要有空格移相多重叠加方法有两个显著特点：一个是谐波的分组特性；另外一个是参与叠加方波幅值的“余弦规律”变化。由此也发展出了两种常见的谐波消除法，即由分组特性导出的“消除法”和由“余弦规律”导出的“余弦叠加法”和“余弦保留法”。2.1.3移相多重叠加法的“谐波抵消”理论移相多重叠加法的重要理论基础是“谐波抵消”理论。“谐波抵消”理论简单来说就是，阶梯波的合成是通过将数个不同相位和不同幅值的方波或矩形波叠加，最大限度的将某些低次谐波互相抵消，使合成波的谐波含量最小。下面以N个依次相移/N的方波合成阶梯波为例介绍该理论的具体内容。阶梯波越接近理想的正弦波，其谐波总含量就越小。将正弦波在半个周期内沿x轴分成N个相等的间隔，取正弦波在此间隔内的平均值，即为这一间隔内阶梯波的阶高。设正弦波方程为（2-1）u=Umsint则第j个阶高为（2-2）Uj=NUmj-1/Nj/Nsintdt=2NUmsin2Nsin2j-12N对阶高满足（2-2）的阶梯波，通过傅里叶级数展开式求得其所含谐波次数为2kN1下标；注意修改文中所有类似的问题，这是阶梯波中谐波含量最小的情况。其中，Um是求阶高时所设的正弦波幅值，是中间变量。以上方法只适用于方波合成，不适用于矩形波，并且只适用于奇数绕组合成。下面再以矩形波为例进行阐述。脉宽为、幅值为U的矩形波。在N个依次相移为/N的矩形波中，第j个矩形波的傅里叶级数展开式为（2-3）uj=n=1,3,54Uj1nsinn2jcosn(t-j)式（2-3）中，j=1+(j-1)/N为第j个矩形波的初相角，1为第一个矩形波的初相角，其余依次相移/N，j为第j个矩形波的脉宽（一般每个矩形波的脉宽都相同），可设j=，Uj为第j个矩形波的幅值，即各变压器二次绕组电压。由于各单相功率电路的输出电压（加在每相变压器一次绕组上的电压）相等，其幅值等于直流输入电压Ui，故Uj=kjUi，kj为第j相变压器的电压比。则uj可写为（2-4）uj=n=14Ui1nsinn2kjcosn(t-j)N个矩形波叠加后的输出电压为（2-5）u=j=1Nuj=j=1Nn=1Unnkjcosnt-j式（2-5）中，Unn=4Ui1nsinn2为变压器一次绕组电压中第n次谐波电压幅值。由式（2-5）知取出第n次谐波电压幅值unn为（2-6）unn=Unnj=1Nkjcosn(t-j)其幅值为（2-7）unn=Unnj=1Nkjcosnj2+j=1Nkjsinnj212要消除n次谐波，必须满足unn=0，即满足（2-8）j=1Nkjcosnj=0（2-9）j=1Nkjsinnj=0式（2-9）表明，将N个不同相位和不同幅值的矩形波中的第n次谐波相互抵消，使合成的阶梯波中不含n次谐波，这就是“谐波抵消”原理10。同理可知，将n替换为2kNn时，也有类似的结论。即若要消除第2kNn次谐波，也要满足式（2-8）和式（2-9）。由此又能知道，一是若消去n次谐波，则2kNn次谐波也消去，二是无法消去2kN1次谐波（因为要保留基波即u11。段落格式问题2.2逆变器的PWM技术2.2.1PWM技术的概念和发展概述在逆变器的发展过程中，减少逆变器器件的数量和体积和减轻逆变器的重量一直是研究的重点。在采用移相叠加技术的逆变器中所采用的器件较多，电路结构也比较复杂，因此PWM式逆变器就应运而生。所谓PWM脉宽调制技术就是采用参考波（通常是正弦波，也有时是梯形波或者是注入零序谐波的正弦波或方波等）作为调制波，再以N倍于调制波频率的三角波或锯齿波作为载波进行比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等而脉宽正比于调制波的矩形波脉冲序列来等效替代调制波，用开关量代替模拟量，并通过对逆变器功率开关器件的开通和关断进行控制，把直流输入变成交流输出的逆变技术。PWM技术是一种不断发展和完善的逆变技术。随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器等中的应用，并伴随着高速全控器件的发展，PWM脉宽调制技术已经逐渐成为当今逆变技术的最为关键的部分。而最近几年，微处理器的应用和数字化控制的实现，更极大的促进了PWM脉宽调制技术的发展和完善11。段落格式问题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。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。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，PWM技术才真正进入了高速发展时期。后来，S.R.Bowes又提出了全数字化SPWM技术方案、规则采样数字化PWM方案和准优化PWM技术，以提高直流电压的利用率。1983年，J.Holtz等人提出了空间矢量PWM技术，这种PWM技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方法，使得其使用起来更加直观方便。在F.G.Turnbull的“消除特定谐波法”的基础上，研究者们又接连提出了求最大值或最小值的优化PWM理论。从1977年到1986年的十年间，G.S.Buja，F.C.Zack和K.Taniguchi等人提出了电流谐波畸变率（THD）最小、效率最优及转矩脉动最小的最优PWM方法。这些方法具有电压利用率高、开关次数少、可以实现具有特定优化目的控制等优点。到了1994年，随着微处理器的运算速度不断提高，J.Sun等人提出了实时完成优化的PWM方案。不仅如此，1980年，A.B.Plunkett提出了电流滞环比较PWM技术，在此基础上，又发展出了全数字化无差拍控制PWM技术。这些技术实现上都比较简单。1993年至1994年，为了消除噪声，A.M.Trzgnadlowsky和V.G.Agelidis等人提出了随机PWM技术，这种技术从改变谐波的频谱着手，让谐波均匀的分布在较宽的频带范围内，以便于抑制噪声和机械共振。2.2.2PWM技术的基本原理文献12对PWM技术作了详细介绍。PWM脉宽调制技术的重要理论基础就是采样控制理论中的面积等效原理。面积等效原理具体内容如下：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里，冲量即表示窄脉冲的面积，而效果基本相同指的是环节的输出响应波形基本相同。如果对各输出波形进行傅里叶变换分析，就能够知道其输出响应的波形在低频段非常接近，仅仅在高频段略有差异。示例如下，图2.2所示的三个窄脉冲形状不同，其中a图是矩形脉冲，b图是三角形脉冲，c图是正弦半波脉冲，三者的面积（即冲量）都等于1，如果三者都分别加在具有惯性的同一环节上时，它们的输出响应基本相同。如果窄脉冲变成d图中的单位脉冲函数(t)时，环节的响应就是此环节的脉冲过度函数。图2.2 形状不同而冲量相等的各种窄脉冲a) 矩形脉冲 b) 三角形脉冲 c) 正弦半波脉冲 d) 单位脉冲函数图2.3 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形a) 电路 b) 响应波形在以图2.3的电路为例。图a中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图2的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看作惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)是电路的输出。图b给出了不同窄脉冲时的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升阶段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但是其下降阶段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。采用傅里叶级数分解后可以知道，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。接着再分析如何用这些等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。如图2.4所示。将正弦半波（宽度为）均分成N等份，这样正弦半波就相当于N斜体个相连的的脉冲序列，这些脉冲序列宽度相等（都等于/N），但是幅值不同，其脉冲顶部曲线是按照正弦规律变化，而非直线。接着用等幅脉冲代替，即先设定脉冲幅值，再由每个脉冲的面积等幅矩形脉冲的宽度，并且使得矩形脉冲的中点与原对应的正弦部分脉冲的中点重合，就能够得到一系列等幅不等宽的矩形脉冲序列。这就得到了等效的替代波，也就是PWM波。可以知道，这些脉冲幅值相等，而宽度则按正弦规律变化。显然根据等面积原理，这些PWM波与正弦半波是基本等效的。若要改变等效输出正弦波的幅值，只需要按照同一比例系数改变这些PWM波的脉冲宽度即可。上述PWM波由于是和正弦波等效，也叫SPWM波，这也是使用最广泛的。如果需要等效的是其它类型的波形，其原理基本相同。图2.4 用PWM波代替正弦半波a) 正弦半波 b) PWM脉冲序列PWM波形可以分为等幅PWM波和不等幅PWM波。在逆变等输入电源是恒定幅值直流当中，所采用的都是等幅PWM波。而在交流调压等输入电源为交流或非恒定幅值的直流当中，通常使用的则是不等幅PWM波。2.2.3PWM技术的分类1.计算法与调制法根据得到控制开关通断的脉冲的方法的不同，可以分为计算法与调制法。(1)计算法显然，如果能够给出足够的条件，就能够通过计算来得出PWM波。即根据正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，就能够计算出PWM波各脉冲宽度和间隔，从而控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。通过这种方法得到PWM的方法就是计算法。显然，计算法的计算量是相当繁琐的，并且，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。因此，在实际应用上，计算法并不常用。(2)调制法与计算法不同的是，调制法不需要通过计算来得到PWM波。调制法是通过将希望输出的波形（通常是正弦波）作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。其中，载波通常采用的是等腰三角波或锯齿波，由于等腰三角波的对称性，不会产生偶次谐波，故而等腰三角波的应用最为广泛。调制法也是实际应用最为广泛的方法。并且，这种方法不仅适合于正弦波调制，也适用于其它非正弦波形的调制。2.单极性调制和双极性调制根据载波在调制波半个周期(正半周期或负半周期)内的极性的不同，调制法可分为单极性调制和双极性调制。(1)单极性调制单极性调制就是在调制波ur的半个周期内，载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化的调制方法。下面详细介绍其过程。用参考正弦波ur与等腰三角波ur比较，来产生功率开关的通断控制信号。载波uc在调制波ur正半周为正极性三角波，在负半周为负极性三角波。如图2.5所示的电路，采用IGBT作为功率开关器件的单相桥式逆变电路。设负载为阻感负载，工作时，功率开关V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态互补。图2.5 单相桥式PWM逆变电路该电路的控制通断的方法是，在ur与ur的交点处控制各功率开关器件的通断。在ur正半周内，V1导通，V2关断，当uruc时，导通V4，关断V3，此时输出电压uo=Ud，当uruc时，关断V4，导通V3，此时输出电压uo=0；在ur负半周，V1关断，V2导通，当uruc时，关断V3，导通V4，此时输出电压uo=0。这样就得到调制的波形，如图2.6所示。图2.6 单极性PWM控制方式波形提到上一页去(2)双极性调制双极性调制就是在调制波ur的半个周期内，载波uc不只在正极性或负极性一种极性范围内变化而是有正有负且所得的PWM波也有正有负的调制方法。下面详细介绍其过程。用参考正弦波ur与等腰三角波ur比较，来产生功率开关的通断控制信号。在调制波ur半个周期内，载波uc有正有负，PWM波也有正有负，在ur的一个周期内，PWM波只有Ud两种电平。电路仍采用图2.5的电路。其控制控制通断的方法仍然是在ur与ur的交点处控制各功率开关器件的通断。并且在载波ur正负半周各开关控制规律相同。当uruc时，对开关V1和V4提供导通信号，对V2和V3提供关断信号，这时如果负载电流io0，则开关V1和V4导通；如果负载电流io0，则二极管VD1和VD4导通，但是输出电压结果都不变uo=Ud。当uruc时，对开关V2和V3提供导通信号，对V1和V4提供关断信号，此时如果负载电流io0，则二极管VD2和VD3导通，但是其输出电压结果都是uo=-Ud。这样就得到调制的波形，如图2.7所示。图2.7 双极性PWM控制方式波形3.同步调制和异步调制在PWM逆变电路中，载波信号频率fc与调制信号频率fr之比N= fc/fr被称作载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比变化,可以分为异步和同步调制。(1)异步调制载波和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制中，需要保持载波频率fc固定不变，因此当信号波频率fr变化时，载波比N也发生变化。另外，在信号波的半个周期内，PWM波脉冲数目不固定，相位也不固定，正负半周期脉冲不对称，半周期内前后1/4周期脉冲也不对称。当载波频率fc较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲的不对称影响都较小，波形也接近正弦波。当载波频率fc较高时，N减小，一个周期内脉冲数减少，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲的不对称影响变大，波形和正弦波差异变大，甚至信号波的微小变化还会导致PWM脉冲的跳动。因此，在异步调制时，应采用较高的载波频率fc，使在信号波频率fr较高时仍能保持较大载波比。(2)同步调制载波比N保持不变，且频率发生变化时载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，信号波在一个周期内脉冲数目固定不变，脉冲相位也固定。当逆变电路输出频率较低时，载波频率fc也较低，此时调制产生的谐波难以消除。不仅如此，当负载时电动机时还会带来比较大的转矩脉动和噪声。而当输出频率较高时，载波频率也较高可能会功率开关器件无法承受。因此通常采用分段同步调制来克服这些缺点。分段同步调制就是将信号波也就是逆变电路的输出频率fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在信号波fr的高频段采用较低的载波比，使载波频率fc不致过高使其在功率开关器件的频率允许范围内。在信号波fr的低频段采用较高的载波比，使fc不致过低，避免对负载产生不利影响。各频段的载波比取3的整数倍且为奇数最好。4.自然采样法和规则采样法(1)自然采样法在PWM调制中，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，生成SPWM波的方法就是自然采样法。自然采样法是最基本的方法，所得的波形也最接近正弦波，其中的总的谐波含量也是最低的。但是这种方法要求解复杂的超越方程，采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而使用较少。(2)规则采样法规则采样法是一种工程上的实用方法，效果接近自然采样法，但计算量却小得多，是一种近似算法。它是在自然采样法的基础上发展来的。规则采样法的基本思路是：取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。2.3逆变器的脉冲幅度调制技术（PAM）文献13对脉冲幅度调制技术（PAM）作了一个详细的讲解。脉冲幅度调制技术（PAM）是一种新兴的调制技术。脉冲幅度调制(PAM)逆变器具有开关损耗低、控制简单、效率高等优点，并且在谐波抑制的效果上,并不逊色于PWM方法。PAM方式能够以较低的开关频率达到与PWM方式相近的谐波消除效果，这也是PAM方式的一个显著优点。脉冲幅度调制的基本思路是用阶梯状脉冲电压来近似正弦波电压，以除去逆变器输出电压波形的谐波成分。图2.8为脉冲幅度调制原理的示意图，在时间T中，通过调整脉冲电压的幅值Vn使得脉冲面积同正弦波所占面积相等，在这种调制方式中，脉冲宽度T越小，阶梯状的脉冲电压同正弦波越接近。图2.8 脉冲幅度调制的基本原理图所有图都得自己画，不能复制别的文献的图第三章常见的基本逆变器仿真上面空行删去3.1逆变器的基本原理3.1.1逆变器的原理逆变就是把直流电变成交流电。逆变器就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的电力变换器。逆变也可以看成是整流的逆过程，二者有很多共通之处。逆变根据交流侧是否有电源分为有源逆变和无源逆变。有源逆变就完全可以当作整流的逆过程，二者基本是互逆的。而通常所说的逆变则指的是无源逆变。另外根据直流侧电源的种类可以分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。逆变电路通常指的就是电压型逆变电路。逆变电路的基本原理图如下图3.1。图3.1 逆变电路的基本原理图其中，S1至S4是4个桥臂，S1和S4一组，S2和S3一组。通过改变两组开关切换频率，就可以改变输出交流电频率。即S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正值；S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负值。这就是逆变电路的最基本工作原理。当负