（交通信息工程及控制专业论文）电容混合级联多电平逆变器拓扑结构与调制算法研究.pdf

摘要 近年来，多电平逆变技术因在高压大功率场合的广阔前景，已成为逆变器研究领域 新的热点。围绕多电平变换器，新型电路拓扑及相关调制策略层出不穷。 将具有独立直流电源的h 桥作为基本功率单元进行级联就构成了级联式多电平逆 变器，它的的优点主要体现在：电网谐波污染小，输出波形好，输入功率因数高等。但 在级联型多电平逆变器中，需为每个单相逆变单元提供一个独立的直流源，要求输出电 压电平数较多时，需大量独立直流源与电力变换器件。为解决以上问题，本文中提出了 一种电容混合级联多电平逆变器的拓扑结构并对其进行了分析。 本文主要研究工作有： 1 分析了多电平逆变器各种典型拓扑结构的原理和其优缺点，并着重分析了级联型 逆变器，对其所具有控制简单和所需器件较多等特点进行了较为详细的阐述。 2 在对典型级联型逆变器拓扑分析的基础上，提出了一种电容混合级联多电平逆变 器的拓扑结构，并分析了电路的工作原理。与传统级联式拓扑结构相比，电容混合级联 多电平逆变器优点在于它所需独立直流电源数目减少，从而简化了主电路结构。 3 提出了电容混合级联多电平逆变器的相位反向载波法的控制策略，并给出了其输 出电压的仿真波形。仿真结果表明，逆变器使用储能电容取代独立直流电源后，其输出 电压能产生较为理想的五电平结构，且其频率与调制波频率相同。 4 设计了电容混合级联多电平逆变器的主电路，控制电路，并使用m u l t i s i m2 0 0 1 对 电容混合级联五电平逆变器进行了仿真实验。结果表明，储能电容电压稳定在一个与直 流电源相近的值，且逆变器输出相电压频率与调制波频率相同。 关键词：多电平，逆变器，载波调制法 a b s t r a c t h lr e c e n ty c a 瑙，m l l l t i l e v e lp o w e rc o n v e r s i o nt e c h i l o l o g yt l a sb e e nb e c o m i r 冯h o tp o i n ti n p o w e re l e c 仃o i l i cr e s e a r c hd u et 0e x t e i l s i v eo u t l 0 0 ki nl l i 曲p o w e r 印p l i c a t i o n n o v e l t o p o l o 百e s觚dm o d u i a t i o ns t l 锄e g i e sc o n c e m i n g m m t i l e v e lc o n v e r t e 瑙a 他 锄e 唱i r 唱 c o n t i n u o u s l y s e v e r a li i l d 印e n d e n th - b r i d g ea st l l eb a s i cp o w 盯砌tc o n s t i t u t eac 嬲c a d em u h i - l e v e l c a s c a d e 证v e r t 既i ns p 沁o fm u l t i l e v e lc 嬲c a d ei r r ，e r t e rh 弱m a n ya d v 锄t a g e s ，趴j c h 鹊l o w l m m o i l i cp o l l u t i o n ，l l i g hi i l p u tp o w e rf a c t o ra l l dp e r f e c t o u _ t p u tw a v e s h o w e v e re 犹h s i i 培l e - p l l a s ei i l v e r t e rr e q l l i r e si t so w ni s o l a t e dd cp o w 盯s u p p l ys oi n v e r t e rr e q u h em o r e i i l d e p e n d e n td cp o w e rs u p p l y 锄dp o w e r 讹n s f 0 咖a t i o nd e v i c e sw h e ni i l v e r t e rl l a v eaf i c w m o 把o u ：c p u tv o l t a g el e v e i i l lo r d 钟t 0s o l v e “sq l l c s t i o 璐，ac 印a c i t o rh y b r i dc 舔c 敏l e d m l l l t i l e 、，e l i sp r o p o s e d 1 i nn l i sm e s i s ，t l l e v e r mm a i nt o p o l o 西e so fm u h i l e 、r e li 1 1 v e r t e rh a v eb e e nc o m p 孤e d ； 廿l e i rr e s p e c t i v ea d v 趾l t a g e sa n dd i s a d v m _ t a g e sw e r ea i l a l y z e dc a r e f u l l y 2 1 1 1 em a m e m a t i c a li n o d eo fc a s c a d e d 删1 1 t i l e v e lm 硪ra n dc 印a c i t o rh y b r i dc 嬲c a d e d m u l t i l e v e li 1 1 v e n e ra r ee s t i b l i s h e d c o m p a r et om e 饥l d i t i o i l a l c a s c a d et o p o l o g y ，c a p a c i t o r h y b r i dc 弱c a d e 鲫l l t i l e v e lr e q u l e s si n d e p e n d e n td cp 0 、v e rs u p p l y a n ds i r n p l i 研n g 吐屺 s t r i l c t i l r eo f t l l em a j i lc i r c u i t 3 c a r r i e rp i 扭s er e v e r s ec o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d a r e ru s i n gt t l es t o r a g ec a p a c i t o rt 0 r e p l a c ed cp o w e rs u p p l y ，i d e a lo u t p u tv o l t a g eo ft h e 伽e - l e v e ls t r u c t i 船i sp r o d u c e d 1 h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 也a t l eo u u tw 孙，eh a v et h es 龇1 1 e 丘e ( 娜y 、析n lm o d u l a t i o nw a v e 4 1 km a i l lc n u i ta n du 1 ec 0 i l 仃o lc 硫u | to fc 印a c i t o rh y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e n e ra r ed e s i g n e d a f b e ru s i n g l em u l t i s i m2 0 01f o rt l l es i m u l a t i o ne x p e 血n e 咄i ts h o w t l l a tm es t o r a g ec a p a c i t o rv o l t a g es i i i l i l 盯t 0d c p o w e rs u p p l y k e yw o r d s ：m u l t i l e v e l ，i n v e r t c a 仃i e rp w m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： j 汐绛了月玎日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 二c | 年r 具“ 2 卯? 年，只工占b 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 多电平逆变器的产生与发展背景 进入2 0 世纪以来，人类当前面临着能源短缺和环境污染的共同世纪性难题。尽管 我国能源生产与消费己位居世界前茅，但仍无法满足人民生活和工业生产的需要。由于 缺电，经常打乱正常的生产、生活秩序，使人们面临着巨大的经济损失；可是在另外一 方面，尽管能源十分紧张，但却存在着十分严重的浪费现象。因此，我们在新能源没有 获得开发的情况之下，一个重要的措施便是节能。 2 0 世纪8 0 年代出现的多电平逆变器可以较为有效地弥补传统逆变器的缺点。它是 把多个电力电子器件按一定的拓扑结构进行连接，使用一定的控制逻辑将几个电平进行 合成，使其成为阶梯波，逼近正弦的交流电压的一种装置。目前多电平逆变器拓扑结构 可以分为三类：二极管筘位结构、电容箝位结构以及级联结构【1 l 。 多电平逆变器的控制方式是多电平逆变技术的一个重要方面，它决定多电平逆变器 的性能好坏。多电平逆变器调制方法主要有阶梯波脉宽调制、三角载波p w m ( s p w m ) 、 电压空间矢量p w m ( s ，w m ) 等。不同的调制方法各有优缺点，适用于不同的场合。 而级联型多电平逆变器输出电压一般在五电平以上，尽管已经提出一些简化控制方法， 但实时控制仍然难以实现。而当输出电平数较多时，则需要众多的独立直流源，这也是 级联型多电平逆变器面临的问题。 现有的逆变电路可以分为5 类【2 】： 1 降压变频升压型逆变电路 需要使用大型变压器布置在这种结构两侧，因而其体积较大、成本变高，电压变换 部分一般采用交一直交结构，当若其输出频率比较低较低的情况下，输出变压器的体 积很大，尽管其控制结构较为简单，但性能不理想。 2 交一交变频电路 由于普通两电平逆变器其直流侧电压通常由整流得到。直流环节的存在，造成效率 较低，逆变电路相对复杂。交交变频电路省去直流环节，重量轻、体积小，效率高。 但是输出频率低，最高输出频率仅为输入频率的1 3 1 2 ，控制复杂，通常仅用于低频， 大功率场合。 第一章绪论 3 两电平逆变电路 两电平逆变器也就是我们称为的普通三相逆变器，拓扑简单，为得到大功率只能依 靠器件的串并联，但简单的器件串并联将会带来开关器件的静动态均压等一系列的问 题。不确定因素大、可靠性低，应用范围受到限制。 4 变压器耦合多脉冲逆变电路 变压器耦合多脉冲逆变器为得到高压，减轻器件的电压应力，解决器件并联带来的 问题，利用升压变压器的特点，将逆变桥并联起来以获得大电流。通过改变变压器的数 比或连接方式从而耦合叠加出阶梯波，减少谐波。但这些变压器的引入，使系统成本、 损耗和占用空间增大，且瞬态过程中变压器磁饱和引起的直流磁化和浪涌过电压问题导 致了控制上的不便。 5 多电平逆变电路 多电平逆变器作为一种新型逆变器，从电路拓扑结构出发，得到高质量的输出波形 的同时，也克服两电平逆变器缺点；因此，自2 0 世纪8 0 年代以来它被广泛应用于逆变 器及交流调速领域，成为电机传动和无功补偿等领域的重点研究对象。目前，多电平逆 变器有了极大的发展。目前，主要有三种基本拓扑结构：二极管箝位型多电平逆变器； 飞跨电容型多电平逆变器；级联型多电平逆变器。 在逆变器的几种方案中，多电平逆变器具有以下一些突出优点【2 捌： 1 ) 每个功率器件仅承受1 ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以得以使用用低耐压的 开关器件以实现高压德大功率德输出，并且动态均压电路可以省去； 2 ) 以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相似的输出电压波形，开 关损耗小，效率高； 3 ) 通过增加电平数，输出电压波形得到改善，输出电压波形畸变( n d ) 减小； 4 ) 电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，相比两电平逆变器咖衍应力减 少，改善了装置的e 特性； 5 ) 无需输出变压器，减小了体积和损耗。 相对于其他的逆变电路，多电平逆变器由于具有了上述的优点，受到了越来越多的 关注、研究和应用。 1 2 多电平逆变器的结构 2 长安大学硕士学位论文 三电平变换拓扑嘲是由德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年首次提出的，它是采用传统意义 上的两电平电路构成其主电路结构，仅在每相桥臂带上一对开关管作为辅助中点以进行 箝位。1 9 8 0 年，日本的长冈科技大学的a n a b 勰等人采用一对箝位二极管以替代辅助 开关管，为了辅助中点箝位，分别使用箝位二极管和上下桥臂串联的开关管相连，称为 二极管中点箝位式( n e u 缸a lp o 缸c l 锄p e d ，套咿c ) 三电平逆变器。其一般结构是将几个电 平台阶合成阶梯波逼近正弦输出电压【5 1 。如图1 1 所示，在这个电路中，o 为中点， ( 疋。，屯) ，( 瓯，瓯) ，( 瓯。，疋。) 是开关器件，它的作用是用来产生p w m 输出， ( & ：，) ，( 最：，瓯，) ，( 最：，) 和哦。啦：一起起箝位作用，使用它们，可以将 输出端的电压得以箝位到中点。从表1 1 可以看出，中点箝位型多电平逆变器它的输出 端电压是在耽，0 ，e 2 之间变化的，当主功率管关断时，它所承受的电压仅仅为直流 母线电压的一半，所以在高压大功率的应用场合是特别适合的。在此基础上，1 9 8 3 年 b h a g w a t 等人将三电平电路加以改进，以推广到任意n 电平，并对奎m c 电路及其统一” 结构作了进一步的研究【5 1 。 图1 1 二极管箝位型三电平逆变器 第一章绪论 表1 1 二极管箝位型三电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 ( 以a 相为例说明) 开关状态 输出电压 瓯l疋2瓯3疋4 e 2 导通导通关断关断 0 关断导通导通关断 e ：2 关断关断 导通导通 1 3 多电平逆变器研究和应用现状 多电平逆变器概念的提出至今，短短二十多年的时间里，已经形成了三类基本拓扑 以及一系列改进型拓扑。与此相对应的是，大量多电平逆变器的控制方法也被提出和研 究。拓扑的研究方面，改进的主要方向是减少逆变器件的数量，并解决电容电压的不均 衡等问题；控制方面，改进的主要方向是输出波形的优化和控制的简化及算法的通用性 等。多电平逆变器特殊的拓扑结构，无论是对电力电子器件还是对控制电路的要求都比 较高，因此在多电平逆变器概念提出的最初几年，它并没有受到更多的关注。直到2 0 世纪8 0 年代末，随着g ，r o 、i g b t 、i g c t 等可控器件的不断发展和以d s p 为代表的智 能控制芯片的迅速普及，多电平逆变器的研究和应用才有了飞速的发展。无功补偿和变 频调速是目前多电平逆变器应用的主要领域。 1 4 多电平逆变器存在的问题及发展方向 多电平逆变技术产生以来，经过四十余年的发展，至今已被应用于电力系统、电机 调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领域。我们在小功率、低压用电领域，多电 平逆变技术的各个方面己渐趋成熟，将来的研究目标则是高功率、高效率和高性能；而 在高压大功率的工业领域各个方面的技术正成为当今多电平逆变技术的研究重点，而当 前研究的重点是在以下两个方面的应用： 1 ) 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与谐 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。 目前多电平逆变器研究的难点主要集中在两个方面：其一就是多电平逆变器技术所 固有的一些缺陷，例如这种技术开关管较多，控制较为复杂。该技术研究的另外一个难 4 长安大学硕士学位论文 点就是电力电子器件相关技术水平的限制。 多电平逆变器将会从功率电路与控制电路两方面进行进一步发展。功率电路方面随 着电力电子器件制造工艺的进一步提高，器件耐压与开关速度进一步提高，输出电压等 级将进一步提高，输出电压质量能进一步改善；控制电路方面，数字控制器件( 如d s p 等的) 的进一步发展，新型控制算法的提出与应用，使控制电路控制精度进一步提高， 进而提高输出电能质量。 随着电力电子器件相关技术的发展和新型拓扑与控制策略的提出，多电平技术将会 发展到一个新的阶段。 1 5 本文的主要内容 本论文以电容混合级联多电平逆变器为研究对象。从多电平逆变器的各种主电路拓 扑结构入手，阐述并分析了电容混合级联五电平逆变器的拓扑结构和其s p w m 控制算 法。并在对系统进行仿真验证的基础上，从提高系统性能和可靠性出发，进行包括主电 路拓扑结构、控制算法的逆变器系统的分析和设计。并对系统的实验结果进行分析，总 结出有意义的结论，为课题的后续工作提供实验数据和设计经验。 本文的内容如下： 第一章为绪论，简述了级联多电平逆变器的研究背景和研究意义，指出了当前级联 多电平逆变器的研究现状和今后的研究热点问题，以及本文的主要研究工作。 第二章对多电平逆变器己有拓扑的工作原理进行了介绍，归纳出了各类拓扑的优缺 点。 第三章提出电容型级联多电平逆变器的拓扑结构的工作原理进行阐述。 第四章多电平逆变器已有的p w m 控制方法进行了分析，并重点阐述了本文所提出 的改进型s p w m 控制法，并进行了仿真研究。 第五章主要从硬件电路方面来论述电容混合级联五电平逆变器系统的设计，并使用 m u l t i s i m2 0 0 1 对电容混合级联五电平逆变器单相系统进行了硬件仿真实验。 总结与展望对本文工作进行了总结，同时，指出了对于本课题需要进一步研究的方 向。 第二章多电平逆变器主电路结构分析 第二章多电平逆变器主电路拓扑结构 本章阐述了多电平逆变器的分类，采用基本单元分析法对多电平逆变器的各种典型 拓扑结构进行分析，总结出现有各种拓扑优缺点，着重分析了级联型多电平逆变器拓扑， 指出了其优点与不足。 2 1 多电平逆变器分类 目前为止多电平逆变器已形成多种拓扑结构，本质来说主要为两大类：箝位型和级 联型。箝位型包括二极管筘位型和飞跨电容箝位型。多电平逆变器根据其结构形式可用 图2 1 所示分类。 多电平逆变器 厂二极管中性点箝位式 f 黝蚴愀交叫翥言凳墓箬 il 采用辅助臂的二极管筘位式 r 飞跨电容箝位式 箝位式多电平逆变酬飞跨电容式多电平逆变器 il 电容电压自平衡时 i 混合箝位式多电平逆变器 级联式多电平逆变器t 一级联 2 2 多电平逆变器基本结构分析 2 2 1 基本单元分析 构成多电平逆变器的基本单元理论结构如图2 2 所示，基本单元的具体实现电路如 图2 3 所示。 6 长安大学硕士学位论文 图2 2 基本单元拓扑结构图2 3 基本单元具体电路实现 而要实现输出多电平必须具备两个条件【8 9 l ： 1 ) 输入侧有直流源； 2 ) 将基本单元组合，以将基本单元输出电平叠加，实现多电平输出。 以下条件是基本变换单元必须具备的： 1 ) 可控； 2 ) 开关器件均与电压源串联。 3 ) 为使能量得以连续和双向流动，无源与有源器件需成对出现且导通方向相反。 使用基本单元，只能得到两电平输出。而要在其输出端得到大于两电平的电压值， 需将基本单元进行串或并联，具体实现方式如图2 4 ( a ) ( b ) 所示。 旧广一 长a r - - r 卜 l # ，s 2 ： 。_ j 曙广 1 一 l 刍j 。- j 广 鼍 广 卜 斟2 。_ j ( a ) 基本单元并联组合( b ) 基本单元的串联组合 图2 4 基本单元的串、并联组合 图2 4 ( a ) 中，采用两个基本单元并联，等效为一个全桥电路，调制方式采用单极性 时，输出三电平，其输出如表2 1 所示； 7 第二章多电平逆变器主电路结构分析 表2 1 两个基本单元的并联输出电平 墨 墨是s 圪l圪2 圪。一圪： 关断导通 关断导通kk 0 导通关断关断导通 k圪一巧 导通关断导通 关断k 巧 o 关断导通 导通关断 巧kk 一圪 图2 4 ( b ) 中，两个基本单元采用串联形式，四种输出电平将会在输出端圪和圪：之 间得到，它们分别是：巧一k 、圪一k 、0 、k k ，输出情况如表2 2 所示。 表2 2 两个基本单元的串联输出电平 墨 墨&墨圪l圪2圪。一圪： 关断导通关断导通 巧k巧一k 导通关断关断导通 巧k巧一k 关断 导通导通 关断kk 0 导通关断导通关断 k一k 2 2 2 多电平逆变器串并联拓扑分析 如果将两个基本单元串或并联，输出端就会得到四电平或三电平。而通过对基本单 元进行更复杂的组合，输出端的电平数就会更多。一般采用的组合方式有：先并联后串 联和先串联后并联，如图2 5 所示【引。 ( a ) 并串联多电平拓扑( b ) 串并联多电平拓扑 图2 5 基本单元串并联组成多电平逆变器拓扑 图2 5 ( b ) 中，基本单元串联后，再并联，若圪= 屹：= 圪，= 屹，圪端输出三个电平： 长安大学硕士学位论文 2 k ，0 ，圪，这也就是所谓通用箝位型三电平拓扑结构。 先串联后并联是先将n 个基本开关单元输入端首尾进行串联相接，然后将第n 1 级的输入端直接连接到第n 级的输出上，而将n 2 级的输入端连接到n 1 级的输出 上通过这样的组合便形成了通用箝位型多电平逆变器的拓扑结构，其单相结构如图 2 6 所示。 一 嚣晕q 电平 图2 6 通用箝位型多电平逆变器拓扑 先将两个基本单元并联成h 桥结构，再将这样的h 桥输出端串联就可以得到级联 型多电平拓扑结构。如果想要增加输出电压的电平数，则只需增加串联h 桥的个数即 可【射。 2 3 典型多电平逆变器拓扑结构分析 2 3 1 飞跨电容型多电平逆变器 t a m e y n a r d 等人在19 9 2 年的p e s c 年会上提出了飞跨电容型( f l y i n gc 印a c i t o r s ) 多电平逆变电路【1 3 】，采用悬浮电容器来替代箝位二极管来进行电压的筘制，使二极管 箝位型多电平逆变器在要产生较多电平情况下减少可能出现的过多的箝位二极管。 l 、工作原理 飞跨电容型五电平逆变器拓扑电路如图2 7 所示。m 电平的飞跨电容型多电平电路 的具有以下特点1 1 4 1 5 l ： 1 ) 直流滤波电容体积大、成本高、使用寿命较短，实用价值不如二极管箝位型电 9 田留：册哥谗：瑁 第二章多电平逆变器主电路结构分析 2 ) 跨接在开关器件之间的串联电容进行箝位； 3 ) 飞跨电容型逆变器开关状态的选择比二极管箝位型电路具有更大的灵活性，对 开关器件导通时间和电容电压的平衡有利； 图2 7 飞跨电容箝位型五电平逆变器拓扑 2 、飞跨电容箝位型的优缺点 飞跨电容筘位型逆变器优点有【1 5 1 6 1 ： 1 ) 可以有多种开关组合方式来合成某一输出电平； 2 ) 若电源断电，由大容量电容器存储的能量可以作为电源提供额外电能； 3 ) 能控制有功功率流量和无功功率，可以做为高压直流传输中电压源逆变器。 缺点主要有： 1 ) 输出电平数较多时，箝位电容较多，造成封装困难，成本较高： 2 ) 功率逆变电路控制困难，其有功功率流量的转换面临开关频率和损耗较高的情 况。 2 3 2 二极管箝位型多电平逆变器 l 、工作原理 l o 长安大学硕士学位论文 二极管箝位型五电平逆变器三相拓扑结构如图2 8 所示。 表2 3 给出a 相的开关状态和输出电压关系。 表2 3 电压输出和通断状态关系 通断状态 输出 疋。芝2 。疋3 s o ： & 。疋2瓯34 虼= 吃 关断 关断关断关断 导通导通导通导通 k = 3 吃4 导通关断关断关断关断导通导通导通 k = o 导通导通导通导通关断关断关断关断 k = 吃4 导通导通导通 关断关断关断关断 导通 巧= 2 4 导通导通关断关断关断关断导通导通 图2 8 二极管箝位型五电平逆变器拓扑 二极管箝位型多电平逆变器的特点如下1 1 0 1 1 1 2 l ： 1 ) 直流电源侧由电容分压以形成多级电平，不需曲折联结变压器。 2 ) 用多个箝位二极管来解决全控器件的均压问题。 3 ) 由于外侧开关管导通时间远小于中间开关管，造成每相桥臂开关管工作频率各 异。 2 、二极管箝位型多电平逆变器的优缺点 第二章多电平逆变器主电路结构分析 二极管箝位型多电平逆变器的拓扑结构优点如下： 1 ) 通过电平数的增加，可以使输出电压谐波含量降低，从而无需接入输出滤波器； 2 ) 开关器件基频下工作，效率高； 3 ) 降低功率变换装置的成本和体积，直接实现高电压、大功率输出而不需结构复 杂的多绕组电源变压器； 4 ) 每相桥臂中的开关管导通时间大于两侧的开关管的导通时间，根据需要选择不 同额定电流的功率器件，提高功率元件的利用率，降低成本。 5 ) 实现能量双向流动，较好的平衡电容电压； 二极管箝位型拓扑结构的缺点有： 1 ) 若利用二极管箝位型逆变电路传递有功功率，其直流电源侧的电容电压可能出 现不平衡。 2 ) 虽然二极管筘位解决了功率器件的均压问题，但却引起了箝位二极管自身承受 电压不均匀，如果当电平数目增大时，那么它所需要的二极管数目将会变得很大，使实 际系统的实现难度增加； 2 3 3 通用箝位型多电平逆变器 箝位型多电平电路的统一拓扑结构，也就是通用箝位型多电平拓扑结构【1 7 】，是在 2 0 0 0 年的e e 队s 会议上，由e z p e n g 等人提出的。图2 6 中是由半桥单元组成的通 用箝位型多电平逆变器拓扑结构，由一个单元组成第一级，可以输出两个电平；而第二 级是由两个单元所组成得，它和第一级一起得以输出三个电平；依此类推，就会构成一 个m 电平拓扑。 其特点如下： 1 ) 在已有的箝位型拓扑中，中点电压能得到较好的控制； 2 ) 每级工作均独立，使相邻开关器件得以互相锁定； 3 ) 对一个m 电平的通用箝位型逆变器，所需开关器件、二极管数目均为m ( m 1 ) ， 需要的电容器数量为m ( m 1 ) 2 。 4 ) 一些特定开关状态的加入或开关频率的提高，可提高系统效率，减小损耗； 2 3 4 级联型多电平逆变器 h 桥级联的多电平逆变电路【1 7 1 8 l 是由m m a r c h e s o l l i 等人在1 9 8 8 年的p e s c 年会上 1 2 长安大学硕士学位论文 提出的，它可以增加电平数，提高输出电压等级、减小高次谐波含量。 l 、级联多电平逆变器工作原理 多个基本单元串联的方法组成h 桥级联多电平逆变器以实现高电压输出，每个基 本单元采用低压器件i g b t 作为电路开关器件。图2 9 为星型连接的n 单元级联的拓扑 结构，逆变电路它的输出相电压的电平数为2 n + 1 ，线电压为( 4 n + 1 ) v k ( 其中为直 流电源电压) ，j 节留 。移鲁 珊 移蟹? ： 奇奇奇奇 ： 奇奇 冀 图2 9 单元级联多电平拓扑 2 、级联型多电平逆变器的数学模型 级联多电平逆变器的每相由n 个结构相同的单元串联而成。每相输出的相电压为n 个单元输出电压的串联叠加，即： u 0 = 虬l + 虬2 + + u 0l 【，0 = “l + 玩2 + + u 0 ( 2 1 ) u 0 = 虬l + 虬2 + + u 0j ( x _ - a 、b 、c ，n - 1 ，2 式中，为逆变器输出的相电压，为x 相第n 个功率的输出电压。 基本单元输出的三个电平分别为+ e ，o 和一e ，每相电压最大值、最小值、 第二章多电平逆变器主电路结构分析 为： 笼三絮 ， 叱= 一ej 、7 单相电压可以实现的电平数m 为 m = 【( u 二一u 二) e 】+ 1 = 2 + l ( 2 3 ) 实现电平有： + e ，+ ( 一1 ) e ，+ ( 一2 ) e e ，0 ，一e ，一( 一1 ) e ，一e 逆变器系统按星形m 接法连接时，两相电压之差构成线电压，线电压可以实现的电 平数k 为： k = 2 x l ( 2 4 ) 其中x 为相电压电平数； 实现电平为： + 2 j v e ，+ ( 2 一1 ) e ，+ ( 2 一2 ) e e ，o ，一e ，一( 2 一2 ) e ，弋2 一1 ) e ，2 匹 、表示a 、b 、c 相的第m 个h 桥单元输出的电压，z 二表示a 相 第m 个h 桥单元中第n 个开关器件的开关状态( m = 1 ，2 ，3 ，n ；n _ 1 ，2 ，3 ，4 ) x 二 等于o 和l 表示开关器件的关断和导通。咒棚、x 二分别表示b 、c 相的第m 个h 桥 单元中第n 个开关器件的开关状态，则任一h 桥单元的输出分别为： = e ( l k 。一k ：民，) 1 = e ( 。k 一：，) ( 2 5 ) = e ( k k 。一如：如，) j 将式( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) 之中，就可以得到输出相电压和开关状态的函数表达式。 3 、级联型多电平逆变器的优缺点 优点主要有： 1 ) 基本单元均采用结构相同的i g b t 器件，易于实现模块化设计，装配简单，系 统可靠性高，易于维护； 2 ) 当逆变器有模块损坏时，逆变器主控系统能进行检测，并确认属于哪一级模块 损坏，并将有故障的三相模块整级旁路，减小输出功率以达到降额使用；也可仅将故障 模块旁路掉，仍然使电压三相对称输出； 1 4 长安大学硕士学位论文 3 ) 采用电压相同、相互独立的直流源，消除电压不均衡的问题，无需箝位电容和 箝位二极管，实现p w m 控制【2 1 】较为容易； 4 ) 不增加主电路结构的复杂性情况下，输出电平数多，由于咖衍小，减少对电缆 和电机的绝缘损坏，电机不需要降额使用； 5 ) 变压器副边绕组的独立性，使每个单元的主回路相对独立，类似常规低压逆变 器，便于采用现有的成熟技术【2 2 1 ； 6 ) 整流侧实现多重化整流，输入功率因数高( o 9 5 以上) ，谐波小，整机的效率较高 ( 9 6 ) ，并且对电网污染小； 7 ) 串联单元数目增加时，其控制方法不需做太大的改变，实现控制简单可靠。 8 ) 抗浪涌能力强【2 3 2 4 】。使到达输入的任何有感应的浪涌其都会由于变压器的阻抗 作用而得到预期的限制，二极管整流器和大电容组很容易吸收了浪涌电流而不会到达功 率模块。 9 ) 与其它两种结构相比，若要输出相电压产生相同的电平数，三种结构功率器件 的数目相等，但由于没有箝位二极管或箝位电容，级联多电平结构所需的器件总数目最 少。若输出电平数为m ，则其所需器件数目如表2 4 所示； 表2 4 多电平逆变器每相所需器件数目比较 逆变器类型电容箝位型 二极管箝位型 级联型 主开关器件 ( m 1 ) 2( m - 1 ) 2( m 1 ) 2 箝位型二极管 0( m 1 ) ( m 2 )0 续流二极管 ( m 1 ) 2 ( m 1 ) 2 ( m - 1 ) 2 箝位电容( m 1 ) ( m 2 ) 200 直流侧串联电容( m 1 )( m 1 )( m 1 ) 2 其中m 为要产生的电平数。 级联型多电平逆变器主要有以下缺点： 1 ) 每一单元需要独立的直流源，结构复杂，体积增大，成本增加； 2 ) 输出电压的快速跳变对电机首匝绝缘的冲击会因为电缆的加长而加重，长电缆 的波反射会使跳变加倍【2 引。 3 ) 采用不可控整流桥，能量单向流动不能回馈，无法四象限运行。 2 3 5 混合级联型多电平逆变器 m d m a i l j r e k a r 等人在1 9 9 8 年的a p e c 会议上提出了基于不同电压等级的单元级联 1 5 第二章多电平逆变器主电路结构分析 型混合多电平逆变电路结构【”2 s 2 9 j ，图2 1 0 给出了电压为1 ：2 的两单元级联混合七电 平电路的拓扑结构。 - ，：。； 3 j 辛 jj 一 j 一 一 j _ ，e 奉 ) i 一 - _ 一 = 托h霉懒 = ：、i j j j 千 j j j 牛，j- j e 本 ) 】。 l 一 - _ - - - j ，坤。电弋 喑 【 一晤 【 书 【 冀 c 图2 1 0 两单元级联混合七电平拓扑 相比传统的h 桥级联型结构，混合级联多电平结构的主要优点有： 1 ) 为降低系统成本，用低频器件代替部分高频器件。 2 ) 在输出相同电平数的情况下减少了级联单元的个数。 但也存在缺点： 1 ) 不同电平单元的级联电路的p w m 协调控制困难，系统控制复杂，装置成本较 ，o 商。 2 ) 级联单元输出电平正负极性不同，存在功率倒送问题。 3 ) 高频开关器件的工作负担重，寿命降低，损耗增加。 2 4 本章小结 通过本章的分析可以得到以下结论： 1 ) 多电平电路的各种拓扑结构在理论研究上己经较为完备，而在应用中具体采用哪 种电路结构，主要取决于控制算法实现能力及器件的发展水平。 2 ) 级联型电路中，控制电路最简单的是等电压h 桥级联型多电平，它的每个功率单 元完全相同，只需改变串联单元的个数，就可以轻易的容易实现多电平输出。 当要求的输出电平较多时，需串联的单元数目较多，使逆变器所需的功率器件数目 1 6 长安大学硕士学位论文 增多，增大了逆变器的体积，增加了成本。因此，如何在满足输出电平数的基础上减少 所需功率器件的数目，就成了级联型多电平逆变器的一个重要研究方向。 1 7 第三章电容混合级联五电平逆变器 第三章电容混合级联多电平逆变器 本章在首先分析普通级联逆变器的工作原理及其数学模型的基础上，为了解决普通 级联逆变器所存在的问题拓扑结构较为复杂，提出了一种电容型混合级联逆变器的 拓扑结构，并建立起其数学模型，最后对普通级联逆变器与本文提出的电容型混合级联 逆变器进行仿真对比分析。 3 1 普通级联多电平逆变器结构与输出电压 3 1 1 普通级联多电平逆变器结构 以五电平为例，图3 1 所示为普通级联型五电平逆变器。可看出：它以全桥结构为 基础，构成一种“全桥+ 全桥”的结构，逆变器每相都有两个各自独立的直流电源进行供 电，而其中每个单相逆变器都有3 个状态：一吃、0 、比，每相输出电压是该相2 个单 元输出电压之和。 图3 1 普通的级联型五电平逆变器主电路结构 3 1 2 普通级联多电平逆变器输出电压特性 以a 相为例：为使各个2 h 桥工作在正向导通，反向导通和正反向旁路四种工作状 态，两个2 h 桥中的四个桥壁分别作为单相两电平逆变器基本单元进行s p w m 控制。 其调制方式采用载波移相方式，四个基本单元的三角载波依次移开2 刀4 = 9 0 0 相位角， 其中。为墨、墨桥臂的三角载波，它的初相位角= 0 ；2 为墨、& 桥臂的三角载 长安大学硕士学位论文 波，它的初相位角= 9 0 0 ；心，为最、s 桥臂的三角载波，它的初相位角= 1 8 0 0 ； 为岛7 、岛桥臂的三角载波，它的初相位角q = 2 7 0 0 。四个桥臂采用同一个正弦调 制波进行调制。用正弦波与三角载波进行比较，当正弦波大于三角波的部分产生正脉冲， 小于部分产生负脉冲( 对心，以) 或相反( ，玩) 。共获得四组p w m 驱动信号去分 别控制两个2 h 桥的四个桥臂，使四个桥臂的输出电压为屹、。墨、& 桥 臂的输出电压为；最、岛桥臂的输出电压为；s 、瓯桥臂的输出电压为屹；岛、 马桥臂的输出电压为，它们的波形如图3 2 所示。两个桥臂总的输出电压为， 是一个五电平的p w m 电压波型。 咿j 9 0 土咿j 9 0 j 绣 蔟黼淞： 1 ；可得 2 睁哪+ 等圭 等妻量 万急；! 盛 以( 竽) 厶( 半 s i i l 等p 咖c o s ( 加卅 s i n 半p 咖酬( m f 训妒争 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 同理一m 知第罕s i n 州一刚， 等主艺擘s 证学p s 【( 冲一等】 一 万急：缸 朋2 “ ”1 。2 1 = m 鲁s 证叫等圭 以( 警 山( 半) s i i l 等p 讥c o s ( 村喇+ p 咖c o s 【州咿争 玩：州知+ 麓擘咖娴+ 警艺量 万急。缸 a 相的输出电压为： 以( 半) s i i l 学p 咖c o s 【( 加胁脚一争 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 蛔雌 胆 。啡 丝万 长安大学硕士学位论文 = 一+ 疋一以= 2 m 知+ 等肼蠢擘s 缸争1 2 5 万用彳品 朋2 、 7 酬一麓盖华咖华 。刀 。一鹏+ p 讹+ e 一椭+ p 一觚) c o s 【( 胛+ 刀) q 卜等】 3 2 电容混合级联多电平逆变器 3 2 1 电容混合级联多电平逆变器结构 为和普通级联多电平逆变器结构作对比，选用五电平为例进行分析。电容型混合级 联五电平逆变器的主电路拓扑结构如图3 3 所示。从图中可以看出，该拓扑由3 个三电 平主逆变单元和3 个两电平辅助逆变单元构成，与普通级联逆变器不同的是，电容混合 级联逆变器的3 个辅助逆变单元均没有配备直流电源，代之一个电容量较大的储能电容 器。 在逆变器正常工作时，使储能电容电压维持在期望值附近，则其等效为直流电压源。 因此，整个逆变器只需要一个直流源。若储能电容电压维持为魄( 即与直流源相同) ， 则逆变器输出相电压有五个电平，分别为：- 2 ，一吃，o ，吃，2 吃。 图3 3电容型混合级联逆变器的主电路结构 3 2 2 电容混合级联多电平逆变器工作原理 2 l 第三章电容混合级联五电平逆变器 以a 相为例说明逆变器的工作原理： 逆变器正常工作时a 相电流的正方向如图3 3 中所示，为正，直流源与储能电 容电压均为，叽表示a 相输出电压： s 、甄和岛开通，由直流源负端流经、4 、储能电容和d 4 输出，此时储能 电容充电，输出电压= 一2 ； 、瓯。和开通，由直流源负端流经& 、是和d 4 ，或是、s 。和墨开通，由 直流源负端流经s 、d l 和墨输出，此时储能电容不工作，输出电压= 一吃； 墨、墨和s 开通，由直流源正端流经墨、q 、储能电容和d 4 。输出，此时储能 电容充电；或、墨和岛导通，由直流源负端流经岛、岛。、储能电容和墨输出， 此储能电容放电，输出电压叽= o ； 、墨和s 开通，由直流源正端流经墨、最和d 4 输出，或s 。、g 和s 开通， 由直流源正端流经s 、4 和岛输出，此时储能电容不工作，输出电压叱= ； 最、岛和s 开通，由直流源正端流经s 、岛。储能电容和墨输出，此时储能电容 放电，输出电压= 2 圪： 从上述的电路运行的情况可知，在正常工作时，一个正弦电流周期内输出电压合成 方式与储能电容状态如表3 1 所示： 表3 1 一个周期内a 相电路储能电容状态与输出电压 输出电流辅助逆变单元主逆变单元储能电容输出电压 一屹吃 放电 - 2 吃 o - 不工作 - 吃 珞- 吃 充电 o 一 - 吃 放电 0 o 不工作吃 吃屹 充电2 吃 一吃 充电 - 2 吃 0 不工作- 吃 吃一吃 放电 0 一屹 充电0 0 不工作吃 吃吃 放电 2 圪 电流为负时，关系类似。当乩= o 时，一种合成方式使储能电容处于充电状态， 长安大学硕士学位论文 这种方式称为优先方式；而另一种方式使储能电容处于放电状态，这种方式称为冗余方 式。 3 2 3 电容混合级联逆变器输出电压特性 以图3 3 所示的电容混合级联五电平逆变器其中的a 相为例进行说明： 主逆变单元采用2 h 桥结构，其中的两个桥壁分别作为单相两电平逆变器基本单元 进行s p w m 控制。其波形如图3 4 所示。主辅逆变单元总的输出电压为，是一个 五电平的p w m 电压波型。 、bu ，、，、7 丽 、 专警；二二i 、_ 、_ _ 一i 、_ i _ 0；i 、喜 p 吣q 彳谰二 i 。j 套 | | | | 。r ；彳 、 ； ， ； ： ： ： ； rl 一一 r j o 膏：棚f 一z 二 2 ， ： l ： | | ： ： ： 3 3 ； i 3 i i ：；i o： | | _ 4 ， ： 4 t ： ： ： - ： ： ： | l ： ： ： o ii i ； ； l f i ：政 ； l ； i ； l l l；| l ? | 0 1 一一 1 1 一一 o! j 彳 i 云 ： ： ! ： ： ： ： ： ： ： 、 ： o，d 图3 4电容混合级联五电平逆变器输出电压波形 其调制方式采用载波移相方式，两个基本单元的三角载波依次移开2 万2 = 1 8 0 0 相