載波相移調(diào)制技術(shù)及其在大功率變流器中的應(yīng)用

前言

　　大功率電力電子變流裝置在國民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，如大功率變頻器、大功率有源電力濾波器（APF）、靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）、兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用變流器等領(lǐng)域。而對于大功率變流器，開關(guān)器件的功率處理能力和開關(guān)頻率之間往往存在著矛盾，通常功率越大，開關(guān)頻率越低。由于開關(guān)頻率的限制，難以應(yīng)用傳統(tǒng)PWM技術(shù)來改善大容量變流器的性能，而人們往往希望電力電子變流器能夠工作在盡可能高的開關(guān)頻率下，以便提高輸出波形的質(zhì)量。一般通過對大功率變流器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗詢煞矫孢M(jìn)行研究，以便在提高電力電子變流器容量的同時改善其性能。一個好的電路拓?fù)湓倥浜虾线m的控制策略往往能提高大功率變流器系統(tǒng)的性價比。因此，研究大功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制技術(shù)具有一定的理論價值和實用意義?！　榱颂岣唠娏﹄娮幼兞髌魈幚磔^大功率的能力，人們進(jìn)行了大量的探索，其中最具有代表性的科研成果是多重化技術(shù)、組合變流器以及多電平變流器等。上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配合不同的調(diào)制方式便可構(gòu)造出多種多樣、各具特色的大功率變流器。多電平變流器具有功率容量大、開關(guān)頻率低、輸出諧波小、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好等特點。其中，電壓型多電平變流器是當(dāng)前研究熱點，并已經(jīng)取得豐碩的研究成果，但多電平技術(shù)應(yīng)用到電流型變流器中的研究報道甚少。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是高溫超導(dǎo)技術(shù)突破性的發(fā)展并進(jìn)入實用化，解決了電流型變流器中儲能電感的儲能效率問題，同時電力超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中儲能線圈具有電流源特性，因此電流型變流器將成為這方面應(yīng)用的最佳選擇之一，對電流型多電平變流器的研究工作具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本書的研究目標(biāo)是從多電平技術(shù)的角度來研究電流型逆變器的拓?fù)浼翱刂撇呗?，以期獲得創(chuàng)新性成果?！　〈蠊β首兞髌饕@得良好的輸出性能，不僅要有適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，還要有相應(yīng)的控制策略作為保障。衡量控制策略的標(biāo)準(zhǔn)有：變流器輸出的諧波、開關(guān)器件的開關(guān)頻率、動態(tài)傳輸特性、傳輸帶寬等。傳統(tǒng)的SPWM方法能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)調(diào)制波信息，具有優(yōu)良的傳輸特性和優(yōu)化的頻譜分布，但它也具有器件開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大和變流器效率低等缺點，不適合特大功率的場合。針對大功率變流器，尤其是多電平變流器，人們在兩電平SPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了許多PWM方法。

內(nèi)容概要

　　《載波相移調(diào)制技術(shù)及其在大功率變流器中的應(yīng)用 》可作為電力電子技術(shù)專業(yè)，尤其是大功率變流、多電平變流等方向的研究生教材，也可作為從事本專業(yè)科技工作人員的參考書。在大功率電力電子變流裝置的實現(xiàn)上，一個重要的問題就是大功率器件的工作頻率較低，無法應(yīng)用PWM等優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。載波相移正弦波脈寬調(diào)制（carrier Phase-Shifted SPWM，CPS-SPWM）技術(shù)就是為了解決該問題而提出的新技術(shù)。《載波相移調(diào)制技術(shù)及其在大功率變流器中的應(yīng)用 》的作者對CPS-SPWM技術(shù)在多電平變流器的實現(xiàn)方法，以及該技術(shù)在功率F1益增大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用變流器中的應(yīng)用做了一些研究工作?！　PS—SPWM技術(shù)是多重化技術(shù)和SPWM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。該技術(shù)能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果，通過低次諧波的相互抵消，提高等效開關(guān)頻率，而不是簡單地將諧波向高次推移，因而具有良好的諧波特性。該技術(shù)在大功率變流器場合有一定的應(yīng)用前景。

作者簡介

　　李建林，1976年生，博士，博士后，中國科學(xué)院電工研究所副研究員，碩士生導(dǎo)師。中國可再生能源風(fēng)能協(xié)會委員，全國風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員，電工技術(shù)學(xué)會、動力工程學(xué)會新能源專委會委員，《電網(wǎng)技術(shù)》、《電工技術(shù)學(xué)報》、《電力系統(tǒng)自動化》、《中國電機(jī)工程學(xué)報》等雜志特約審稿人，IEEE會員。2005年獲浙江大學(xué)電力電子與電氣傳動專業(yè)博士學(xué)位，2005～2007年在中國科學(xué)院電工研究所從事博士后科研工作，研究方向為可再生能源發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)。出站后至今在中國科學(xué)院電工研究所從事風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的科研工作，任副研究員，碩士生導(dǎo)師。近年來發(fā)表文章150余篇，其中40余篇被EI檢索，發(fā)明專利10項。先后出版專著《風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)》和《風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行技術(shù)》?！　⊥趿?974年生，博士，博士后，燕山大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師。中國電工技術(shù)學(xué)會會員，《電力系統(tǒng)自動化》、《中國電機(jī)工程學(xué)報》審稿人。2003年獲得浙江大學(xué)電力電子及電力傳動專業(yè)博士學(xué)位，2003～2005年在浙江大學(xué)電氣工程博士后流動站開展博士后研究工作，2005年至今為燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，研究方向為高頻電力變換、脈寬調(diào)制技術(shù)、多電平變流技術(shù)、可再生能源發(fā)電及分布式發(fā)電系統(tǒng)等。先后參加國家自然科學(xué)基金資助項目6項，其中重點項目2項；目前正在主持一項國家自然科學(xué)基金面上項目1項。近年來在國內(nèi)外重要期刊和國際會議上發(fā)表論文30余篇，其中23篇為EI檢索；參加撰寫專著2部。

書籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 大功率變流器發(fā)展概述1.2 人功率變流器拓?fù)鋵W(xué)進(jìn)展1.2.1 普通變流器1.2.2 多重化結(jié)構(gòu)1.2.3 組合變流器1.2.4 多電平變流器1.2.5 大功率變流器的應(yīng)用綜述1.3 電流型多電平變流器的研究背景1.3.1 電流型多電平變流器是一個新的研究課題1.3.2 電流型多電平變流器的應(yīng)用前景1.3.3 電流型多電平變流器的研究現(xiàn)狀1.4 大功率變流器的調(diào)制策略1.4.1 階梯波脈寬調(diào)制1.4.2 基于載波組的PWM技術(shù)1.4.3 多電平電壓空間矢量調(diào)制1.4.4 載波相移SPWM技術(shù)1.4.5 相移SVM技術(shù)1.4.6 滯環(huán)電流控制1.4.7 單周期控制1.4.8 其他控制方式第2章 CPS-SPWM技術(shù)的理論研究2.1 自然采樣SPWM理論2.1.1 自然采樣的二邏輯SPWM理論2.1.2 自然采樣的三邏輯SPWM理論2.2 二邏輯相移SP'WM技術(shù)的數(shù)學(xué)分析2.2.1 二邏輯相移SPWM技術(shù)的數(shù)學(xué)模型2.2.2 二邏輯相移SPWM技術(shù)的分析2.3 三邏輯相移SPWM技術(shù)的數(shù)學(xué)分析2.3.1 三邏輯相移SPWM技術(shù)的數(shù)學(xué)模型2.3.2 三邏輯相移SPWM技術(shù)討論2.3.3 相移SPWM技術(shù)的傳輸帶寬2.4 載波相移SPWM技術(shù)的基本原理及簡要數(shù)學(xué)分析2.4.1 載波相移SPWM技術(shù)的基本原理2.4.2 載波相移SPWM技術(shù)的簡單數(shù)學(xué)分析2.4.3 載波相移SPWM技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用2.5 載波相移SPWM技術(shù)理論2.5.1 調(diào)制原理2.5.2 CPS-SPWM波形的組成2.5.3 CPS-SPWM的等效載波頻率2.5.4 CPS-SPWM組合變流器的線性度和傳輸帶寬2.6 CPS-SPWM技術(shù)與自然采樣SPWM技術(shù)的比較2.7 CPS-SPWM技術(shù)的評價2.8 CPS-SPWM技術(shù)的拓展應(yīng)用第3章 CPS-SVM技術(shù)3.1 SVM技術(shù)的基本原理3.1.1 電壓空間矢量的概念3.1.2 三相逆變器的基本電壓矢量3.1.3 磁鏈跟蹤PWM的基本思想3.1.4 SVM技術(shù)的電壓采樣解釋3.2 SVM技術(shù)的調(diào)制方式3.2.1 SVM的基本調(diào)制算法3.2.2 SVM的兩種開關(guān)調(diào)制模式3.2.3 SVM波的顯化3.3 CPS-SVM技術(shù)的基本原理及分析3.3.1 載波相移與錯時采樣3.3.2 CPS-SVM技術(shù)的調(diào)制方法3.3.3 CPS-SVM技術(shù)的特性分析3.3.4 CPS-SVM組合變流器的仿真結(jié)果與分析3.3.5 CPS-SVM技術(shù)與其他調(diào)制技術(shù)的比較研究3.3.6 CPS-SVM組合變流器的基本電壓矢量和磁鏈圖3.4 CPS-SVM組合變流器輸出線電壓與幅度調(diào)制比的關(guān)系3.4.1 變流器單元數(shù)N=2時的情況3.4.2 變流器單元數(shù)N2時的情況3.5 CPS-SVM基本原理的實驗驗證3．6 本章小結(jié)第4章 載波相移技術(shù)的數(shù)字化實現(xiàn)方法4．1 引言4．2 基于TMS320LF2407的多路PWM波形產(chǎn)生器4．2．1 三相三電平變流器的CPS-SPWM技術(shù)的實現(xiàn)方法4．2．2 單相級聯(lián)H橋五電平變流器CPS-SPWM技術(shù)的實現(xiàn)4．3 基于FPGA的多路PWM波形產(chǎn)生器4．3．1 相移載波產(chǎn)生器4．3．2 PWM比較輸出模塊4．3．3 數(shù)據(jù)鎖存器4．3．4 死區(qū)產(chǎn)生器4．3．5 載波周期值和死區(qū)值鎖存模塊4．3．6 選擇模塊4．3．7 控制使能模塊4．3．8 實驗驗證4．4 本章小結(jié)第5章 CPS技術(shù)在電壓型、電流型多電平變流器中的應(yīng)用5．1 CPS-SPWM技術(shù)在電壓型級聯(lián)H橋多電平變流器中的應(yīng)用5．1．1 單相多電平變流器5．1．2 三相多電平變流器5．2 CPS-SPWM技術(shù)在電流型級聯(lián)H橋多電平變流器中的應(yīng)用5．2．1 載波相移SPWM方法5．2．2 SVPWM方法5．2．3 多電平消諧波PWM方法5．2．4 一種新的分相控制式三相多電平CSI5．2．5 基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋變流器5．3 CPS-SVM技術(shù)在級聯(lián)多電平變流器中的實現(xiàn)5．3．1 級聯(lián)多電平變流器5．3．2 基于定次諧波消除的階梯波脈寬調(diào)制5．3．3 多電平電壓空間矢量調(diào)制5．3．4 級聯(lián)多電平變流器與組合變流器之間的等價關(guān)系5．3．5 級聯(lián)CPS-SVM多電平變流器的實現(xiàn)5．3．6 橋內(nèi)CPS-SVM的實驗驗證第6章 載波相移調(diào)制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用變流器中的應(yīng)用6．1 CPS-SPWM技術(shù)在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交錯三相單管Boost電路中的應(yīng)用6．1．1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)的調(diào)制方法6．1．2 系統(tǒng)工作模式6．1．3 仿真驗證6．1．4 實驗驗證6．2 CPS-SPWM技術(shù)在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)背靠背雙PWM變流器中的應(yīng)用6．2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略6．2．2 載波相移調(diào)制技術(shù)在背靠背變流器上的實現(xiàn)方法6．2．3 實驗驗證6．3 CPS-SPWM技術(shù)在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)級聯(lián)變流器中的應(yīng)用6．3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6．3．2 原理6．3．3 仿真和實驗6．4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章 CPS-SPWM技術(shù)的理論研究　　CPS-SPWM技術(shù)是一種適用于大功率變流器的優(yōu)秀調(diào)制策略，能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果，不但使SPWM技術(shù)應(yīng)用于特大功率場合成為可能，而且在提高裝置容量的同時，有效地減小輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。除此之外，該技術(shù)還具備線性度好、控制性能優(yōu)越等一系列優(yōu)點。這就為CPS-SPWM技術(shù)在大功率變流器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?！　∫獜谋举|(zhì)上理解CPS-SPWM技術(shù)，并將該技術(shù)靈活應(yīng)用到大功率變流器領(lǐng)域，有必要對該方法諧波消除的機(jī)理、線性度和傳輸帶寬等問題進(jìn)行深入的剖析。為便于本書的論述，在此專門用一章的篇幅對該理論加以介紹，并且本書將CPS-SPWM技術(shù)引入級聯(lián)H橋變流器，提出了基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋變流器，并詳細(xì)分析了這種變流器的工作原理?！　?.1 自然采樣SPWM理論　　由于CPS-SPWM技術(shù)是在綜合自然采樣SPWM技術(shù)和多重化技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其理論源于自然采樣SPWM理論和多重化原理，因而本章將先介紹自然采樣SPWM理論，并在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出CPS-SPWM理論。　　……

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