博士学位论文-载波相移级联H桥型多电平变流器及其在有源电力滤波器中的应用研究.pdf

浙江大学 博士学位论文 载波相移级联h桥型多电平变流器及其在有源电力滤波器中的应 用研究 姓名：李建林 申请学位级别：博士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：张仲超 20050401 浙江人学博士学位论文 摘要 载波相移级联h 桥型多电平变流器 及其在有源电力滤波器中的应用研究 摘要 随着大功率自关断器件和智能高速微摔制芯片的不断发展，大功率电力电子 变流装置受到了越来越深入的研究，在大容量电机驱动、交直流电力传输等场合 的应用范围也越来越广泛了。在大功率电力电子变流装置的实现上，个重要的 问题就足大功率器件的工作频率较低，无法应用p w m 技术等优秀的调制技术。 载波棚移f 弦波脉宽调制技术( c a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w m ，以下简称 c p s s p w m ) 是为了解决该问题而提出的新技术。本文对c p s ，s p w m 技术在级 联h 桥型多电平变流器上的实现方法，以及该技术在有源电力滤波器的应用做 r 一些研究工作。 c p s s p w m 技术是多重化技术和s p w m 技术的有机结合。该技术能够在较 低的器件丌天频率下实现较高等效丌关频率的效果，通过低次谐波的相互抵消提 高等效开关频率而1 i 是简单地将谐波向高次推移，冈而具有良好的谐波特性。 只有独立电源的级联h 桥多电平变流器具有每个h 桥单元结构相同、所用 元件数少、易于实现电路的模块化设计和封装等一系列优点，凶而在无功补偿和 有源电力滤波器等领域有广泛的应用前景。本文提 h 了基于c p s s p w m 技术的 级联h 桥型多电平变流器，它是c p s s p w m 技术与级联h 型变流器拓扑结构的 结合，l 司时具备一：者的优点，在大功率变流器领域具有很好的应用前景。 在并联有源电力滤波器系统中，由于直流侧不需要提供有功功率，级联型多 电平变流器的优势可以得到充分的发挥；而载波相移p w m 技术良好的谐波传输 特性也可以得到良好的利用。因此，本文将二者结合起来，提出了基丁载波相移 p w m 技术的级联型多电平变流器并联a p f 系统的电路拓扑结构，并在谐波及无 功榆测、交直流控制策略和系统参数设讣等方面进行了系统的分析，在此基础上 进行了仿真研究。仿真表明此系统动态响应速度快、补偿性能良好，从而验证了 理论分析的正确性和实验系统的可行性。 本文提出了一种利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 来实现不对称规则采样法的方法， 与常舰的平均对称规则采样法相比，数据量只增加了一倍，变流器输出波形的谐 波含量却能大大减4 、。并将不对称规则采样法和载波梢移技术有机得结合存 起，在e 0 _ t h 级联1 1 桥五电平变流器上进行了实验验证。实验结果表明：所得到的 实验波形与自然采样法所得仿真波形的谐波特性很年h 近。 多电平变流器的开关器件数开远大于常规的桥式p w m 变流器，而常用的微 控制芯片难以提供足够的p w m 触发脉冲。适用于多电j f 变流器晌多路p w m 发 渐礼：人学蹲 学位论文 摘要 生器可以通过f p g a 实现。本文研制了基于d s p 和现场可编程门阵列( f p g a ) 实现的2 4 路p w m 脉冲产l 择。该脉冲产，l 器通过接l 7 单兀接收d s p 写入的 p w m 脉冲宽度数据，然后自动安排脉冲宽度数据产生p w m 波形，不博需要占 用d s p 时问和资源。同t t , j 介绍了脉冲产卜器的基本原理、硬件构成和实现方法。 所研制的p w m 产生器既简化了电路的设计，提高了系统的可靠性，又可保证整 个系统功率元件驱动信号的旧步。 在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计并完成了基丁c p s s p w m 技术 级联h 桥型多电平变流器的并联型宵源电力滤波器s a p f 系统样机，并进行了系 统实验，给出了实验结果。实验结果表明基于c p s s p w m 技术级联h 桥型多电 平交流器的s a p f 系统能够在较低的器件刀关频率一卜实现较好补偿效果，具有良 好的工业应用前景。 义键浏：多r 1 1 t z ；有源电力滤波器；载波卡h 移s p w m ；级联h 桥变流器 f p g a ；最小差拍控制 苎兰叁兰堕! ：兰竺堡兰 垒竖! ! 竖垒竺! c a s c a d e h b r i d g em u l t i l e v e lc o n v e r t e r w i t bc a r r i e rp h a s e - s h i f t e d s p w m t e c h n i q u e a n di t s a p p l i c a t i o n t oa c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t t o g e t h e r w i t ht h ec o n t i n u a l d e v e l o po fh i g hp o w e rs e l f - t u r n - o 仟d e v i c e s a n d i n t e l l i g e n t h i g h s p e e dm i c r o c o n t r o i i e r , h i g hp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti si n c r e a s i n g l yd e e p l ys t u d i e da n di s m o r ea n dm o r e w i d e l ya p p l i e di nl a r g ec a p a c i t a n c em o t o rd r i v e ，p o w e rt r a n s m i s s i o na n ds oo no n t h er e a l i z a t i o no fh i g hp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t ，a ni m p o r t a n tp r o b l e mi s t h a tt h ew o r k i n g f r e q u e n c yo fh i g hp o w e r d e v i c e si st o ol o wt oa p p l ye x c e l l e n tm o d u l a t e dt e c h n i q u es u c ha sp w m 1 1 1 l a r g e p o w e re q u i p m e n t ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si ss u c hl o wt h a t g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ec a n tb eo b t a i n e dw i t has i n g l ec o r w e r t e r i no r d e rt oo v e r c o m et h i s p r o b l e m ，c a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e ( c p s s p w m ) h a sb e e nr e s e a r c h e d o nb a s i so f i t ，i t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e ri np o w e rs y s t e mh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h eo p e r a t i o n p r i n c i p a l o fc a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w m ( a b b r e v i a t e da sc p s - s p w m ) h a s b e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ek e yi d e ao ft h i sa p p r o a c hi st h ec o m b i n a t i o no fm u l t i m o d u l a r t e c h n i q u ea n ds p w mt e c h n i q u e t h eh i g he q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc a l lb eo b t a i n e dw i t h l o ws w i t c h i n gf r e q u e n c yd e v i c e st h i st e c h n i q u ei m p r o v e st h ee q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c y t h r o t i g ht h ec o u n t e r a c to fl o w e ro r d e rh a r m o n i c sb u tn o ts i m p l yt h r o u g hp r o c e s s i n gt h eh a r m o n i c f r o ml o w e ro r d e rt oh i g h e ro r d e r , s ot h a ti ti sw i t hap e r f e c tp e r f o r m a n c eo nh a r m o n i cf e a t u r e i nr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n a n da c t i v e p o w e rf i l t e r , c a s c a d e dh b r i d g e m u l t i l e v e l c o n v e r t e rw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e ss e e m st ob et h em o s tf e a s i b l et o p o l o g yf o rm a n yr e a s o n s t h e c a s c a d e dc o n v e n e ri sc o n s t r u c t e dw i t han u m b e ro fi d e n t i c a lh - b r i d g e si n v e r t e r s t h i sm o d u l a r t e a t u r em a k e st h ec a s c a d e dc o n v e r t e rv e r ya t t r a c t i v e t h ec a s c a d e dc o n v e n e rt o p o l o g yn o to n l y s i m p l i f i e sh a r d w a r em a n u f a c t u r a b i l i t y ，b u ta l s om a k e s t h ee n t i r es y s t e mf l e x i b l ei nt e r mo fp o w e r c a p a b i l i t y i na d d i t i o n ，f o rt h es a m e p o w e rc a p a b i l i t y ，t h ec a s c a d e dc o n v e n e rr e q u i r e sl e s sn u m b e r o fm a i np o w e r c o m p o n e n t ss u c h a sm a i nv a l v e sa n dm a i nd i o d e s i nt h i sp a p e r ，c a s c a d eh b r i d g ec o n v e n e rw i t hc p s s p w mt e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no fc a s c a d es t r u c t u r ea n dc p s - s p w mt e c h n i q u e i ti sv e r yp r o m i s i n gn o to n l yi n l a r g ep o w e ra p p l i c a t i o n sb u ta l s oi nm e d i u m o rs m a l lp o w e r e q u i p m e n t i na p p l i e ds y s t e mo f s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r , t h ea d v a n t a g eo f c a s c a d em u l t i l e v e lc o n v e r t e ri s p u tf o r t hs u f f i c i e n t l yb e c a u s eo fn on e e df o ra c t i v ep o w e ro nd cb u s m o r e o v e r , t h ee x c e l l e n t s i g n a l t r a n s m i t t i n gf e a t u r eo f c a r r i e rp h a s es h i f t e dp w mi sa l s oe m p l o y e da l lr i g h t i nt h i sp a p e r , as hl m ta p ft o p o l o g yw i t hc a s c a d em u l t i l e v e lc o n v e r t e rb a s e do nc a r r i e rp h a s es h i f t e dp w m i s p r e s e n t e d t h es y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o n ，a cs i d ea n dd c s i d ec o n t r 0 1 s y s t e mp a r a m e t e rd e s i g na n ds oo ni sd o n e t h es i m u l a t i o ns t u d yi s c a r r i e do u t 一塑! 坠塑堕兰堡兰 ! 墼! ! 竺! i m u l a f i o ns h o w st h ea p fs y s t e mi so ff a s t d y n a m i cr e s p o n s ea n dg o o dc o m p e n s a t i o n t h e o r y a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls y s t e mi sf e a s i b l e t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do f a s y m m e t r ys a m p l i n gb yt m s 3 2 0 1 。f 2 4 0 7d s ph a r m o n i co f c o n v e r t e ro u t p u tw a v ei sr e d u c e dg r e a t l y ，b u ts a m p l i n gd a t ao f a s y m m e t r y s a m p l i n gi so n l yt w i c e t h a n s y m m e t r ys a m p l i n ge x p e r i m e n t a t i o n o na s i n g l e p h a s e c a s c a d eh b r i d g e f i v e l e v e l c o n v e r t e rv e r i f i e st h em e t h o d ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fa s y m m e t r ys a m p l i n ga n dc p s s p w m t e c h n i q u ee x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo fe x p e r i m e n t a lw a v ea n dn a t u r e s a m p l es i m u l a t e dw a v e a r ev e r yc l o s e f o rm u l t i m o d u l a rc o n v e r t e r sa n dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r s ，t h en u m b e ro fp w m g e n e r a i o r s p r o v i d e db yt h e i ci sc l e a r l yn o ts u f f i c i e n t i ns u c ho c c a s i o n ，as p e c i a lp u r p o s em u l t i p l e xp w m g e n e r a t o ri se s s e n t i a l f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a l o n g w i t hi t sp r o g r a m m i n g s y s t e m i san e w t e c h n i q u ef o rv l s i u n d e rt h es u p p o r to ff p g ad e v e l o p m e n ts y s t e ms o f t w a r e ，d e s i g n e r s c a nd i r e c t l yd e f i n ea n dm o d i f yi t s l o g i cf u n c t i o na c c o r d i n gt os y s t e md e m a n d s p e c i a lp u r p o s e m u l t i p l e xp w mg e n e r a t o rc a nb ec o n v e n i e n t l yi m p l e m e n t e db yf p g a w h i c h i sv e r yp r o m i s i n gt o m u l t i m o d u l a rc o n v e r t e r sa n dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r s t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lm e t h o du s i n gf p g at oi m p l e m e n tap w m p u l s eg e n e r a t o rw i t h f i v e l e v e lp w mi n v e r t e r st h ep u l s eg e n e r a t o rr e c e i v e st h ep w m p a u e r np a r a m e t e r sf r o mad s p p r o c e s s o rt h r o u g hab u i l t i np a r a l l e l i n t e r f a c e a n dp r o d u c e st h et h r e e 。p h a s ep w md r i v es i g n a l s w i t h o u tt i l ed s pi n t e r v e n t i o nt h eb a s i c p r i n c i p l e s ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o n m e t h o do ft h eg e n e r a t o rh a db e e nd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h r e ep h a s ep w mg e n e r a t o r sa n d e s p e c i a l l y s u i t st oc a r r i e r p h a s e s h i f t i n gs p w mm o d u l a t i o nm e t h o d ，a n d h a st h ef e a t u r eo f s i m p l i f y i n gc i r c u i t d e s i g n ，g u a r a n t e e i n gr e l i a b i l i t yo fs y s t e ma n dc o n c u r r e n tt r i g g e r i n go fp o w e r d e v i c e s o nt h eb a s i so f t h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d y ，ap r o t o t y p eo f as h u n ta p fw i t hc a s c a d e m u l t i l e v e lc o n v e a e rb a s e do nc a r r i e rp h a s es h i f t e dp w m i sr e a l i z e d t h es y s t e me x p e r i m e n ti s p e r f o l r e e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i s g i v e n e x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h a tt h es h u n t a p f s y s t e m w i t hc a s c a d em u l t i l e v e lc o n v e r t e rb a s e do nc a r r i e rp h a s es h i f t e dp w mc a na c h i e v e e x c e l l e n tc o l n p e n s a t i o ne t l e c ta tm u c hl o ws w i t c hf r e q u e n c y , w h i c hi s o fp e r f e c t p r o s p e c t i n i n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m u l t i l e v e l ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；c a r r i e rp h a s e 。s h i f t e d s p w m ；c a s c a d eh - b r i d g e c o n v e n e r ；f p g a ；d e a d b e a tc o n t r o 】 v 浙江人学障十学位论文致谢 致谢 木文是存导帅张仲超教授的悉心教导下完成的。在我几年来从事博士课题研 究的过程中，导师给我指明了研究方向，对于我写的每一篇论文，导师更是字斟 句酌地校r ，花费了大量的心f l 。导师渊博深厚的学识、，“谨求是的治学念度、 平易近人的学者之风、乐观豁达的人生态度，令我深感敬佩，同时必将深深影响 我今后的学习和i 一作，使我受益终身。值此论文完成之际，向导师表示我崇高的 谢意和尊敬! 感谢实验室里的胡长生老师、林甲老! j 【| j 、王立乔博士后、博士【i 熊宇、韦昆、 刘晨阳、李玉玲、曾雨竹、鲍建。 以及陈月江、李彩霞、韩冰、楼珍丽、滕妨华、 陆涛涛、等师兄弟( 妹) 的帮助和关心，同时感谢陈为群老师、潘锡堂老师和张 责民老师在我实验过程中给予我的许多帮助。特别要感谢师弟刘兆粲、李淳，我 们在一起从d s p 及f p g a 编程以及三十h 变流器、级联h 桥多电平变流器进行了 长时问的探讨，彼此互相启发，互相促进。 感谢几年来我的家人埘我的鼓励和支持。 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师存百忙中对本文进行审阅、指点。 由于本人学i 水平有限，论文中难免有小足之处，望老师和同学们不吝指教， 我将在今后的学刊和j r 作中不断改进和提高。 李建林 2 0 0 5 年4 月于求是同 i t r 江 学悄j 学位论文 本文常用符号表 英文缩写英文全称 中文名称 a d c a n a l o g t o d i g i t a lc o n v c n c r数字模拟转换器 a p ra c t j v ep o w e rf l i t e r 有源电力滤波器 s a p f s h u n ta c t i v ep o w e rf i l k r 并蹴有源电力滤波器 r p g af i e l dp r o g r m n m e rg a t ea r r a y 现场可编程逻辑阵列 r a c t sf l e x i b l ea ct r a i s m i s s i o ns y s t e m 柔性交流输电系统 e m ce l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 电磁兼容 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理 g l ug a t et u r no f f t h y r i s t o r 可关断晶闸管 ( i i rg i a n t7 l r a r t s i s t o r 电力品体管 l g b ti n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 绝缘栅极疆极型品体管 i g c t i n s u l a t e dg a l ec o m m u t a t e dl h y r i s t o r 集成门极换流品闸管 p r m i n t e g r a t e dp o w e re l e c l r o n i cm o d u l e 集成电力电子模块 m e t a lo x i d es e m l c o i 】d u c f o r m ( j s f e t会属氧化物半导体 f i e l de 仃c c tt r a n s i s t o r p r cp o w e rf a c t o rc o r r e c t o r功率凼数校正器 p l i ，p h a s el o c k e dl o o p锁相环 s c i s e r i a ic o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e串行通讯接l j s v cs t a t i cv a rc o m p e n s a t o r静止无功补偿器 s v gs t a t i cv a rg e n e r a t o r静止无功发生器 s r a t c o ms t a t i cc o m p e n s a t o r静止补偿器 t s c t h y f i s m rs w i t c h e dc a p a c i t o r 晶俐管投切1 b 容器 u p f c1i n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r统潮流控制器 i p m i n t e g r a t e dp o w e rm o d u l e 集成功牢模块 v s c v o l t a g es o u r c ec o n v e n e r 电j 土型变流措 c s c c u r r e n ts o u n ec o n v e r t e l “电流型变流器 c p sc a r t i e rp h a s es h i n e d 载波相移 s p w ms i n u s o i d a lp a i s ew i d t hm o d u l m i o n正弦波脉宽调制 s v m s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 空涮矢量渊制 s r j s s v m s a m p l e ii m es t a g g e r e ds v m 错时采样空矧矢量惝制 浙江人学博 学位论文 篼幸绪论 第一章绪论 电力电子学是一门集电子、控制、电力于一身的交叉学科，其研究的目的是 高效率、高质量地提供所需形式和所需容量的电能。八f 年代以来，随着半导体 器件制造技术的发展，开关器件的功率处理能力和开关速度有了显著提高，电力 电子装嚣的应用范围h 益广泛，几乎涉及从发电、储电、输电到崩电的所有电能 应用领域。越来越多的电器设备对电力电子装置输出电能形式和容量提出了越来 越多的新要求。世界各国学者对电力电予技术进行了j 。泛的研究，取得了大量科 研成果。 随着国民经济的不断发展，对输送电能的需求增长越来越快，特别是结合幽 内的“两电东送t 程”和“三峡工程”，高压直流输电系统( h v d c ) 和柔性交 流传输系统( f a c t s ) 成为目前在电力系统领域受到极大关注的热门课题，有源 电力滤波器( a p f ) 、无功补偿、统一潮流控制器等大功率电力电子装置，是这 两种系统的核心部件。另外，大功率电力电子装簧在大功率供电电源、大功率不 问断电源中也有着广泛的应用。在上述大功率变流器场合，人们希望电力电子装 置能够承受尽可能岛的电压，具备尽可能大的功率处理能力。另一方面，为了满 足输出电压谐波含量的要求，又希望这些大功率电力电子装置能够工作在高丌关 频率下且尽量减少e m i 。但以现有电力电子器件的_ r + 艺水平，其功率处理能力和 丌关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低。为了实现尽量高频化和 低e m i 的大功率变换，在功率器件水平末有本质突破的情况下，仪有的手段只能 是从电路拓扑和控制方法卜找到解决问题的方案。 在过去二十年罩，研究者们进行了大量研究和探索，提出了各种高压大功率 变换的解决思路和方法。多电平变流器技术作为其中一种具有代表性和较为理想 的解决方案，斟其固有的功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、 电磁兼容性好等系列优点，受到越来越多的关注、研究和应用i l “。本文的主 耍j 二作，就是对级联h 桥多电平变流器的拓扑结构进行了深入研究，并将载波相 移f 弦波脉宽调制技术【4 j 6 1 ( c p s s p w m 技术) 这种优秀的调制方法应用在这个 拓扑上来，提出了种基于c p s s p w m 技术的级联l 桥五电平并联型有源电力 滤波器。在对系统进行大量仿真的基础上，完成了套5 k v a 的实验装置。谐波 检测部分采用了基于瞬时无功功率理论的闭环检测方案，保证了检测的快速性、 准确性和鲁棒性；交流侧电流控制策略采用了数字p i 控制；采用了限幅p i 控制 实现了级联h 桥l ：下桥邕流侧电容电压的均衡；脉冲发生部分采用了基于f p g a 的2 d 路的p w m 脉冲产生器。实验表明，整套系统在低开关频率的情况b - 耿得 了良好的补偿效果。 本章首先刘大功率变流器在电路拓扑、调制方法的研究现状进行了综述，着 浙江人学博卜学位论文第一币绪论 重对级联h 桥多电平变流器新拓扑这一研究热t 进行了割析。对渚波及无功的危 害和治理进行了回顾，总结了近几年来困内外学者州继提出的几种a p f 的新拓 扑。为r 提高a 卧的补偿性能，一些优秀的控制理论被吸纳到a p f 中，本章对此 做了，概述。最后，介绍了本文的研究内容和辛要的研究成果。 1 1 大功率变流器研究现状与进展 大功率变流器场合，人们往往希望大功率、耐高压电力电子装置能够工作 在尽可能高的开关频率下，以便提高输出波形的质量。但大功率丌关器件所允许 的丌关频率低，难以将p w m 技术应用丁二传统大容量变流器以达到改善其性能的目 的。因此，人们力图通过对大功率变流器的电路拓扑和丰孛制策略两方面进行研究 以提高电力电子变流装置容量的同时改善其性能。一个好的电路拓扑再配合优秀 的控制策略往往能提高大功率变流器系统的十牛价比。因此，研究大功率变流器的 拓扑结构及控制技术具有一定的理论价值利实用意义。 为了提高电力电子装置处理较大功率的能力，人们进行了大量的探索，其中 最具有代表性的科研成果是多重化技术、组合变流器”以及多电平变流器等。上 述拓扑结构配合不同的调制方式便可构造出多种多样、各具特色的大功率变流装 置。 1 1 1 大功率变流器拓扑结构 1 1 1 1 多重化结构 在电压型变流器中，输出的交流电压为矩形波。为了减小谐波，常常把几个 矩形波输m 组台成近似正弦波的波形。对于上，个三相变流电路，将其输出波形 的相位各错丌万( 3 l ) ，连同移相变压器，t 叮以构成脉波数为6 l ，的变流器系统。 输出波形中包含6 k - l ，1 ( k 为整数) 次的谐波含量。多重化系统具有提供大功 率输出、运行效率高、呵改善单台装置输出谐波等优点，同时存在以下不足：控 制采用脉幅调制( p a m ) ，系统动态响应羞；为了减小谐波，各装置输入输出波 形需错开一定的相位，这将影响输出的基波叠加，造成基波损失；变压器直接参 与谐波抑制和消除的工作。在整流多重化电路中，必须精心设计变压器的变比和 联结方式，刁能达到消除谐波的同的。 1 1 1 2 组合变流器 本文的组合变流器指的是采用c p s s p w m 技术和多重化技术相结合的变流 器【4 。i 。该类拓扑具有等效开关频率高、，f ：关损耗小、动念响应快以及通频带宽 等优点，其实质足多重化技术和s p w m 技术的有机结合，因而便于采用不同的 控制策略。电乐型组合c p s s p w m 变流器的几种腆型的拓扑结构有并联型、串 联型、混合型，如图卜1 所示。图巾各变流器单元指普通的二相六丌关的电压型 褒流器。 浙江人学博i ，学位论文 第簧绪论 ( a ) 有中线同路的并联型变流器( b ) 无巾线同路的并联掣变流器 ( c ) 串联型变流器( d ) 混合理受流器 圈卜l电压型组合变流器的拓扑 图卜1 ( a ) 、( b ) 所示的并联型变流器通过电流的叠加实现谐波抵消，能够 提供较人的输出电流，但在各变流器单元交流侧的电流的谐波未被抵消。其中有 中线巴l 路的结构中含有三次及其倍数次谐波，凶而需要更大的电感滤波。而如图 卜l ( c ) 所示的串联型变流器通过电压的叠加实现电流中谐波的抵消，变流器单元 的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型变流器更小。为了兼顾并联型 和串联型的优点，可以采用图1 - 1 ( d ) 所示的混联型变流器。 在组合变流器中，变压器只起到隔离和联结各变流器单元的作用，所有变压 器的变比和联结方式都是统一的，不需要特殊设计。各变流单元的电路结构和器 件的工作负荷一致，各变流器单元的电路结构完全相同，易于模块化实现。该类 拓扑的缺点是仍需要工频变压器，功率器件的电压应力并未得到减少。 1 1 1 3 多电平变流器 近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注 1 7 - 9 。多电平变流器的思想最早j ：1 9 8 1 年由n a b l a e 等人提出的，它的基本思路 是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压；，多电平变流器作为一种新型 的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时， 丸服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均爪电路，丌关频率低， 渐“人学鸺 。学托论文辩一带宝i ! i 论 并有丌关器引：应力小，系统效率高等一系列优点膊1 。 多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下 三种：二极管钳位型多电平变流器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 、电容钳 位型多电平变流器( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i - l e v e lc o n v e n e r ) 和级联1 i 桥型多电平变 流器( c a s c a d eh b r i d g em u l t i 1 e v e lc o n v e r t e r ) i 。”。文献 9 将这二种基本拓扑结 构作为基本单元来进行串并组合，得出了一系列的新型多电平变流器拓扑。同时t 电流型多电平变流器也有一些拓扑结构出现“。 1 1 l 3 1 二极管钳位型多电平变流器i _ “8 1 一个m 电平的二极管钳位型变流器在直流侧由( m 1 ) 个电容串联产生m 电平 o | 墨】1 2 5 5 屯、f 二扳管钳伉型变流器 的相电压。图1 2 所示是一个五电平单相二极管钳位型变流器的结构图。直流侧 由四个电容串联构成，每个电容上的电，e 为1 4 电源电压。通过开关器件的不同 绢合使输出电压产生不同的电平。二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽 渊制的优点：输出功率大，器件开关频率低，等效丌关频率高：交流侧不需要变 压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等等。但这种变流器也存在以卜不足： a 钳位i 极管的耐压要求较高，数量庞大。对于m 电平变流器，如果使每个二 极管的耐压等级相同，每相所需的二极管数量为( m 一1 ) ( m 2 ) 。这些二极管不 仅人大增加了成本，而| ；l 会在线路安装时也会造成相当的困难：因此在实际 应用中一般仅限于7 电平或9 电、卜以下变流器的研究。 b 丌关器件的导通负荷不一致。如图1 2 所示丌关s a l 仅存v a 0 = v d c 时丌通。 浙江人学1 尊1 学位论义第一章绪论 而丌天s a 4 仅在v a o - o 时不丌通。导通负荷不平衡就导致丌天器件的电流等 级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则 每相有2 ( f n ，2 ) 个外层器件的电流等级过大，造成浪费。 c 在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同， 从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制难度。 1 1 1 3 2 电容钳位型多电平变流器l 引 图1 3 所示为单相仝桥电容钳位型多电平变流器的基本拓扑结构。 圈卜3 五电平电容钳傅掣亚流器 每相桥臂具有相同的结构，a 相桥臂的三个内环电容c a l 、c m c a 3 ，与b 相 桥臂的内环电容相互独立。每相桥臂共用同样的直流侧串联电容，c 一一c a 。电容 钳位型多电平变流器的电平定义与二极管钳位型多电平变流器基本相同。假定每 个电容的电压等级与开关器件相同，那么个m 电平变流器在直流侧需要m 1 个电容。 电容钳位型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活性高于二极管多电平变 流器。电容钳位型多电平变流器的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较 强：既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等等。其主 要缺点是： a 需要大量的存储电容。如果所有电容器的电压等级都与主功率器件的相同， 那么一个m 电平的电容钳位型多电平变流器每棚桥臂需要( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 个 辅助电容，而直流侧卜- 还需要( m 1 ) 个电容。电平数较高时，这种变流器不仅 安装难度人，而且造价也很高。 浙7 人学协i 学位论史 第一幸绪论 b ，为了使电容的充放电保持平衡，对r 中l u j 值屯平需要采用4 i 同的丌关组合。 这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率和肝关损耗大。 c ，同二极管钏位型多电半变流器样，电容钳位型多电平变流器也存在导通负 荷不一致的问题。 1 1 1 - 3 3 级联h 桥型多电平变流器 在多电平变流器的三种基本拓扑中，级联l 桥型拓扑相对于前两者而言，具 有需要最少数量的器件、不需要火量的钳位二极管和飞跨电容、易于模块化和采 用软丌关技术等优，毛被认为是较适合于电刚接i j 的变流器2 1 。本文书要针列级 联h 桥型多电平变流器作一详细介绍。 1 级联h 桥型多电平变流器的基本结构 级联h 桥多电平变流器的基本结构包括两种：一种为三三电平h 桥 1 3 , 1 4 1f 3 - l e v e i h - b r i d g e ，简称3 一h 桥) ，另一种为m 电平h 桥( 5 一l e v e lh b r i d g e ，简称5 h 桥) ，其 中，五电