開繞組電機雙逆變器調速系統是近年來研究的熱點。本書基于作者的研究工作體會,以雙三電平逆變器為主要研究對象,全面介紹了雙逆變器調制技術的結構特點、工作原理以及控制方法。書中首先介紹系統的拓撲結構,推導了不同結構下的數學模型;然后重點介紹了雙逆變器調制策略中存在的零序電壓抑制、中點電位平衡、死區補償、窄脈沖消除等共性問題的控制方法;最后進一步介紹了雙三電平逆變器在不同母線結構下的多種SVPWM調制策略。
本書適合于電氣工程及其自動化、電機與控制、電力電子專業領域的科研工作者閱讀,也可以作為高校相關專業的教師、研究生和高年級本科生的教學參考書。
電能作為清潔、高效的能源,其消耗量是衡量一個國家電氣化程度的重要標準。在全球推進低碳環保發展的趨勢下,提高電能在能源消耗中所占的比重已成為世界各國的發展趨勢。雖然在2010年,我國的電能消耗所占比重就已經超過22%,但由于工業設備和工藝技術相對落后,我國的電能利用率與國際先進國家相比仍有相當大的差距。目前,變頻技術作為節能降耗、環保減排的重要技術手段,在中、低壓領域中已經得到廣泛的應用,但在10 kV以上的高壓等級上,存在一定的應用瓶頸。據統計,我國高壓大功率電動機總容量超過1.5億千瓦,耗電量約占全國總耗電量的25%,其中大部分電機應用于風機、水泵類負載場合,長期工作在低效率狀態。因此,發展可靠性高、體積小、成本低的中高壓電力電子變換裝置對實現社會的經濟節約型發展具有重要意義。另外,作為解決環境污染的重要途徑之一,高速公共交通工具(如電力汽車、全電船舶、地鐵、輕軌)的發展,其核心也是大容量電力電子變換技術。
在提高輸出容量的同時避免器件串聯,就需要采用更高電平數的逆變器。五電平二極管鉗位型拓撲和飛跨電容型拓撲由于自身結構的原因很難實現工業應用,H橋級聯式多電平拓撲需結構復雜的曲折變壓器, 而開繞組電機雙逆變器系統(OpenWinding Power Conversion Systems Fed by Dual Inverter)的提出為多電平變換提供了新的思路。開繞組電機雙逆變器拓撲是一種特殊的級聯供電方式,它可以看成一個五電平電力變換器,輸出電壓波形更趨近于正弦,諧波含量更少,電磁兼容性能更好,在大功率應用領域具有很高的經濟實用價值。
經過多年的發展,雖然關于開繞組電機雙逆變器系統的研究很多,并且在基礎理論和實際應用方面已取得了相當的進展,但在調制策略方面多集中于雙兩電平逆變器,而對雙三電平逆變器結構進行研究的文獻較少。目前,尚沒有全面系統地介紹雙三電平逆變器工作原理及調制策略的書籍。因此作者希望在本書中,一方面較為詳細地介紹雙三電平逆變器協同控制的工作原理,為讀者進一步深入研究該技術打下基礎; 另一方面介紹該系統對于多種調制目標的不同調制策略,幫助讀者解決在實際應用中遇到的問題。此外,對于雙逆變器的死區補償、窄脈沖消除等問題,本書也予以充分的重視。希望讀者能夠通過本書對雙逆變器系統更加了解,從而關注該技術,推動該技術的進一步發展。
本書共分為六章。第1章簡述開繞組電機雙逆變器的發展背景、分類和結構特點。第2章重點介紹了雙三電平逆變器系統的拓撲結構,以及在不同母線結構下的工作原理,推導開繞組異步電機雙三電平逆變器系統的數學模型。第3章介紹了獨立母線結構下的雙三電平逆變器容錯控制系統結構,及相應的容錯調制策略。第4章介紹了共母線結構下存在的零序環流問題,給出一種零共模電壓矢量調制策略。第5章介紹了另外一種零序電壓消除方法,并以此為基礎,介紹了兩種不同的SVPWM調制策略以實現不同的調制目標。第6章介紹了死區和窄脈沖問題在雙三電平逆變器調制中的影響,并給出相應的補償和消除方法。
本書的選題和撰稿過程中,得到了西安電子科技大學出版社秦志峰編輯的大力支持,在這里深表感謝。同時還要感謝中國礦業大學信電學院伍小杰教授及其研究團隊,在研究過程中給予的毫無保留的指導和支持。我的師弟蘇良成在本書的公式推導和仿真實驗部分給予了極大的幫助,在此表示深深的感謝。此外,在本書寫作期間,也得到了王經卓教授、龔成龍教授、周淵深教授的熱情鼓勵和大力支持,在此表示衷心的敬意。
本書得到了江蘇省高校自然科學基金項目(15KJD470003)、淮海工學院校青年基金項目(Z2014003)、連云港市“521”人才工程項目的資助,在此表示衷心感謝!
由于學識有限,在雙三電平逆變器的研究中本書還有很多內容沒有提及,懇請讀者諒解。書中如有疏漏和不當之處,敬請專家和各位讀者給予批評和指正。
第1章 緒論 1
1.1 雙逆變器技術發展背景 1
1.2 多電平變換器的發展歷程 3
1.3 開繞組電機雙逆變器技術現狀 12
第2章 開繞組電機雙三電平逆變器數學模型及分析 22
2.1 雙三電平逆變器拓撲分析 22
2.2 雙三電平逆變器換流分析 25
2.3 開繞組異步電機數學模型 28
2.4 開繞組異步電機的仿真建模 35
2.5 開繞組電機雙三電平逆變器調速系統的數學模型 42
2.6 雙三電平逆變器系統零序電壓與共模電壓 53
2.7 中點電位平衡控制 55
2.8 雙三電平逆變器空間電壓矢量原理 56
第3章 獨立母線結構的雙三電平逆變器容錯調制策略 65
3.1 雙三電平逆變器容錯控制系統主回路 67
3.2 空間電壓矢量解耦方法 68
3.3 三電平SVPWM簡化算法 70
3.4 中點電位控制方法 76
3.5 實驗分析 77
第4章 零共模電壓矢量調制策略 84
4.1 零序電壓消除策略 84
4.2 中點平衡控制策略 92
4.3 最優空間矢量位置優化控制 95
4.4 實驗分析 98
第5章 基于統一快速算法的平均共模電壓消除調制策略 104
5.1 統一快速算法 104
5.2 參考電壓矢量解耦調制策略 108
5.3 平均零序電壓消除方法 112
5.4 中點電位平衡 114
5.5 零共模電壓矢量鉗位調制策略 116
5.6 矢量鉗位調制策略下的中點電位控制 118
5.7 電壓越級跳變現象 120
5.8 調制范圍分析 122
5.9 實驗分析 124
5.10 參考矢量解耦策略與零共模電壓矢量鉗位控制策略分析對比 131
第6章 雙三電平逆變器系統的死區補償及窄脈沖消除 144
6.1 雙三電平逆變器系統的死區效應分析 144
6.2 零電流鉗位效應及補償 149
6.3 死區補償方法 153
6.4 窄脈沖產生原理及消除對策 158
6.5 實驗分析 162
參考文獻166