（电力电子与电力传动专业论文）一种新型混合级联逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t f o rh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n s ，m u l t i l e v e li n v e r t e rs t r u c t u r e sh a v et h e p a r t i c u l a ra d v a n t a g e ，s u c ha sh i g hl e v e lo u t p u tv o l t a g ew i t h o u ts e r i e s s t r i n g so fs w i t c h i n gd e v i c e s ，l o w e rd u d ta n dr e d u c t i o ni no u t p u tv o l t a g e h a r m o n i c s ，s og r e a te m p h a s i sh a sb e e np u t t i n go ni ti nt h ea p p l i c a t i o no f p o w e rs y s t e ma n dh i g h - c a p a c i t ya c d r i v ea p p l i c a t i o n s n o w a d a y s ，t h e r e a r et h r e e p r o m i n e n tm u l t i l e v e l t o p o l o g i e s ，d i o d e - c l a m p e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r , c a p a c i t o r - c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e ra n dc a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r t h ec a s c a d e di n e r t e ru s e ss e r i e s s t r i n g s o fs i n g l e - p h a s e f u l l b r i d g ei n v e r t e r st oc o n s t r u c tm u l t i l e v e lp h a s el e g s t h i st o p o l o g yt h a t t h em o d u l a t i o n ，c o n t r o l ，a n dp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t so fe a c hb r i d g ea r e m o d u l a rl e a d st oa d v a n t a g e si nt e r m so fm a n u f a c t u r i n ga n df l e x i b i l i t yo f a p p l i c a t i o n h o w e v e re a c hs i n g l e - p h a s ei n v e r t e rr e q u i r e si t so w n i s o l a t e d d cs u p p l y t h i sc o m p l e x i t yh a sg e n e r a l l yr e s t r i c t e dc a s c a d e di n v e r t e r st o t h eh i g h e rp o w e rr a n g e i nt h i sp a p e r , an e wh 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 r t e ri sp r o p o s e dt os o l v ec a s c a d e di n v e r t e r sp r i m a r yd i s a d v a n t a g e ，a n u m b e ro fs e p a r a t ed cs o u r c e sr e q u i r e d a tf i r s t ，t h ec o n c e p to ft h en e w h y b r i dc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e ri sd e r i v e db ya n a l y s i ss i n g l ep h a s e i n v e r t e r st h e o r y , a n dt h e nas e r i e so fd i a g r a ma n dw a v e f o r mb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ka r eg i v e nf o rr e f e r e n c e t h i sn e wh y b r i dc a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e rh a sm u c ha d v a n t a g e ，s u c ha ss i m p l et o p o l o g y , f i v eo r s e v e nl e v e lo u t p u tv o l t a g e ，o n l yo n eo rt w oi s o l a t e dd cs o u r c er e q u i r e d a n dh i g hd cs o u r c e su t i l i z a t i o nr a t i o t h ei m p r o v e dn e wh y b r i dc a s c a d e m u l t i l e v e li n v e r t e rn e e d so n ei s o l a t e dd cs o u r c ef o re a c hp h a s e ，b u tt h e o u t p u tv o l t a g ei so fs e v e no re l e v e ns t e p s t h i sn e wh y b r i dc a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e rr e q u i r e sh a l fo fi s o l a t e dd cs o u r c ea tm o s t ，s ot h e i n v e r t e rs y s t e mi ss i m p l e ，a n dt h er e l i a b i l i t yi se n h a n c e d k e yw o r d s h y b r i dc a s c a d e d ，i n v e r t e ru n i t w i t h o u ti s o l a t e dd c s o u r c e ，c a p a c i t o r - c l a m p e d ，d i o d e - c l a m p e d ，e n e r g y s t o r a g ec a p a c i t o r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名耋缸扯日期碰年上月盖日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文： 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多电平逆变器的研究背景 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世界性难题。上世纪7 0 年代以 来的两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技 术的广泛关注。据统计，全球石油储量只够用3 0 - - 5 0 年，我国剩余的开采量只有 世界人均的1 1 0 ；我国煤炭人均储量也只有占世界平均的1 2 。 近年来，交流调速技术在风机、水泵以及其它领域得到了一定的推广应用， 电压3 8 0 v 以下的低压变频器己大量使用，节能效果显著1 1 。另外，由于低压电 机的功率因数普遍偏低，采用变频器后系统功率因数可达n o 9 5 以上n 4 1 。但在 工业应用领域，大功率的传动机械、大功率风机、水泵占主要地位，例如：钢铁 工业分高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机，石油化工生产用的压缩机，电力工 业的给水泵、引风机，煤矿的排水泵和排风扇以及城市自来水的供水泵等等。驱 动电机都是4 0 0 4 0 0 0 0 k w ，3 l o k v 的大功率高压交流电机。这些设备由于缺 少调速手段，每天都在大量的浪费电能。此外，解决环境污染的重要途径是发展 公共交通交通工具( 如电力机车，城市地铁和轻轨) 及电动汽车，其核心也是大 容量交流电机变频调速技术。 在传统工业技术改造场合，大容量交流调速技术也得到迅速推广和应用，并 逐步取代直流调速技术，占主导地位。在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路和船舶 等工业领域中广泛使用大、中容量交流电机调速系统。交流电机调速系统的应用 不但可以达到节能的目的，还可以实现整个系统的性能的最佳，改善工艺条件， 并大大提高生产效率和产品质量。 随着电力电子装置等非线性设备在电力系统、工业、交通以及家电中的大量 应用，交直流电网中的无功和谐波污染日益严重，电力系统中的无功和谐波降低 了电能的生产、传输和利用的效率，同时也降低了电器设备运行的可靠性，严重 时损坏设备、危机电网的安全。另一方面，以柔性交流输电系统( f a c t s ) 技 术为代表的大功率电力电子技术，在电力系统中的应用可以大幅度改善电力系统 可控性以及可靠性，提高输电线路的传输能力及系统的安全稳定性5 1 。 我国能源生产和消费己列世界前茅，但仍远远不能满足工业生产和人们生活 发展的需求。由于缺电，正常的生产次序被打乱，造成巨大的经济损失；另一方 面，在能源十分紧张的情况下，浪费现象却十分的严重，由于大量的煤炭和石油 没有经过深加工就被烧掉，不但热利用率低还造成对环境的严重污染。 硕士学位论文 第一章绪论 根据全国第三次工业普查公布的统计资料，我国风机、泵类总装机容量达到 1 6 亿k w ，年耗电量3 2 0 0 亿k w h ，占全国发电量的4 0 1 。大部分风机和水 泵的高压驱动电机都为恒压恒频控制，如采用变频方式控制高压电机可节约至少 2 0 的电能。例如一个值得注意的推广应用领域，即我国电力工业所消耗的能源， 在全国消耗一次能源中所占的比重约为1 3 ，如能将交流变频调速装置应用于发 电机的辅机( 锅炉给水泵、送风机、引风机等) 传动上，可大量节电，降低发电 成本，最大限度的发挥发电厂的效率。图1 1 是某电厂的分机运行能量比较图。 q 2q l 州 ：流量 ：扬程 q 村h ) 图1 - 1 能量比较图 图卜1 为挡板阀门调节流量和变频调节流量的能量比较图，h 2 - b - c - h 3 组 成的区域为变频较挡板阀门调节流量节省的功率。当采用变频调速时，可以按需 要升降电机转速，改变流量的性能曲线，使风机水泵的额定参数满足工作要求。 根据流体力学原理，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为： q 1 q 2 - - n 1 n 2 h 1 1 2 = ( n l n 2 ) 2 p 1 p 2 = ( n l n 2 ) 3 p = p g h x q 式中q 1 、h l 、p 1 一风机在n 1 转速时的流量、扬程、功率； q 2 、h 2 、p 2 一风机在n 2 转速时相似工况条件下的的流量、扬程、功率。即 对于风机、泵类等二次方率负载，其控制方式为： 流量转速 所需动力筐( 转速) 3 例：假如转速在8 0 的情况下，采用变频调速控制，则p 2 = p 1 ( 8 0 ) 3 5 0 p 1 ，由此可见采用变频调速控制降低转速能大大降低轴功率，达到节能的目的。 因此，电厂的辅机传动技术的改造势在必行，需要量是相当可观的，目前一些电 厂已逐步进行这方面的改造“1 。总之节能是当前我国由高能耗型的经济增长方 式向低能耗型增长方式转变，不断提高经济发展质量的重要途径之一。， 2 硕士学位论文第一章绪论 然而，另一方面随着科学技术的发展，电气设备的电压越来越高，容量也 越来越大，尤其是近年来出现了几十兆、甚至更大容量的设备。在现有的技术条 件下，为使传统的两电平逆变器输出容量更大，只能依靠器件的串并联来实现， 而串并联将会带来器件静态均压、动态均压、均流等一系列问题。技术上的不确 定因数影响大、可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电压波动大，产生较大 谐波。因此，传统两电平逆变器也就越来难以满足实际的需求。 上世纪8 0 年代出现了多电平逆变器，这种逆变器可以有效地弥补传统两电平 逆变器的缺点，适用于高压、大功率电力电子装置和设备。其基本思想是把多个 功率器件按一定的拓扑结构连接成可以提供多种电平输出的电路，然后使用适当 的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以输出逼近正弦的交流电压1 。多电平 逆变器按其拓扑结构可以分为三类：二极管箝位结构、电容箝位结构和级联结构。 这三类多电平逆变器可广泛应用于钢铁、化工、有色金属冶炼、煤矿、水电、纺 织、机床、交通运输、船舶、大功率有源电力滤波、无功补偿等电能质量综合治 理等各领域9 1 。例如用于电力行业的交流柔性输电技术f a c t s ，治理电网无 功和谐波污染，提高电能质量，使电网高效运行，使电力用户可靠用电，加装先 进的无功发生器和补偿装置、电力无源或有源滤波器是有效的解决方法之一。采 用由高压多电平大容量电力电子装置构成的无功补偿和电力有源滤波器及其相 关技术补偿电网中的无功，治理谐波是无功补偿和电力滤波技术的发展趋势。 1 2 多电平逆变器的研究现状、应用及发展趋势 多电平逆变器拓扑结构的研究已经趋于成熟。目前多电平逆变器的拓扑结构 主要包括二极管箝位式、电容箝位式和级联式。多电平逆变器的控制方式是决定 其性能的一个重要环节，也是多电平逆变技术的一个重要方面。多电平逆变器的 调制方法主要有阶梯波脉宽调制、三角载波p w m 、电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 等。不同的调制方法各有优缺点，也适用于不同的场合。各种p w m 方法中，由 于s v p w m 以瞬时空间电压矢量为控制量，最适合用于高动态性能的控制方法如 矢量控制、直接转矩控制等。因此，基于多电平逆变器的s v p w m 方法的研究是 一个不可回避的问题。级联式多电平电路输出电压一般为七电平以上，虽然已有 简化控制算法提出n 们n ，但对于实时控制仍然很复杂且难以实现。另外，当输 出电压的电平数较多时，需要数量众多的独立直流源，这也是一个问题。但是输 出电压大于6 k v 时，级联逆变器还是最好的选择。 国外一些大公司对大容量多电平逆变器的研究起步早，技术成熟。但国内无 论是在高压大容量电力电子开关器件，还是大容量多电平逆变器方面的研究都较 晚，此外由于国外公司的技术封锁，使得在大容量运用场合几乎全被国外几家大 硕士学位论文第一章绪论 公司垄断，尤其是热联轧轧机用容量在十几兆的交一直一交变频器价格十分昂 贵。为打破高压大容量变频器目前的局面，由株洲电力机车研究所变流技术国家 工程研究中心承担国家8 6 3 项目研制生产了g v f 7 5 0 0 3 8 t 1 型变频器，是目前国 产容量最大的变频器，该变频器输入电压1 0 k v 、输出电压3 8 k v 、输出电流1 2 0 0 a 、 高纯水冷却、容量7 5 0 0 k a v ，已成功运用于上海同济大学磁悬浮试验线n 刀。此 外，2 0 0 8 初出现的冰冻灾害，给南方的输电系统造成了重大损失，为此，国家电 网公司提出采用2 0 m v a 的高压大容量变频器对输电线进行融冰，该项目正在实 施过程中，这将大大地促进我国在变流技术领域的发展，缩小与国外的差距。 目前，高压大容量变频器的主要应用有： 高性能的高压大容量交流变频调速 由于多级电压阶梯波减少了d u d t ，对电机绕组绝缘要求也有所降低；普通三 相电动机做一些绝缘加固处理便可以应用于变频调速系统。从电路拓扑上来看， 一些新型多电平电压型逆变器由于具有动态性能好，效率高，对电网和电机产生 的谐波少，适合高压大容量等突出优点，尤其是多电平级联逆变器，其输入电流 谐波小功率因数高，输出电压谐波小无需输出滤波器就可驱动普通交流电动机， 在高压大容量交流调速领域日益受到重视。在我国，面临工业用电的巨大浪费和 环境污染问题，大力发展高压大容量交流调速技术是一条行之有效的解决途径。 多电平双p w m 高频整流逆变调速系统，实现四象限运行 多电平双p w m 整流逆变采用双p w m 的多电平结构，整流侧也采用逆变一 样的多电平结构，很容易实现四象限运行，p w m 整流器输入侧电流波形即使在 开关频率较低时也能保证一定输出波形的正弦度，能作到功率因数p f = i ，总谐波 畸变率t h d 很小。另外还可以向电网输出超前无功，校正电网功率因数，在同样 的开关频率及控制方式下，它的谐波电流总畸变率t h d 要大大小于二电平整流 器。如日本多菱公司已研制出容量8 0 m w ，应用于轧钢的多电平双p w m 高频整 流逆变调速系统，以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。 高压直流输电( h v d c t ) 在远距离输电( 如跨地域输电) ，非周期输电( 非同步) 的电力系统实现联网方 面，高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量( 少一根输 电线) 。但是要实现直流输电就必须需有特大功率的整流和逆变装置。多电平级 联型变流器输出电压的相位和幅值便于调节与控制，而且输出电压的谐波含量 低，并有很高的可靠性，再加上其模块化设计的简单结构，因此在高电压级别的 高压直流输电中也得到较多的应用。如巴西伊泰普h v d c t i 程运行电压最高为 6 0 0 k v ，输送功率为3 1 5 0 m w ，线路长8 0 0 k m ，它代表了当今h v d c t 水平。鉴于 我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡，发展h v d c t 显得非常重要。我 4 硕士学位论文 第一章绪论 国在葛洲坝一上海南桥5 0 0 k v ，1 2 0 0 m w 输电工程建设中也用了该项技术。 电能质量综合治理中的应用 随着大量电力电子装置的普及应用，电网受到日益严重的谐波污染，而无功 补偿和有源滤波装置也向着高压大容量方向发展。因此，多电平逆变器在电能质 量综合治理中的应用也开始受到人们的重视。在中、高压等级余下的小部分无功 可以由电力有源滤波器来补偿；系统中的谐波和电压不平衡则由电力有源滤波器 和动态电压补偿器来联合消除。在高电压等级的电能质量综合治理中采用级联型 变流器作为主电路是有其理论基础和实践意义的，但中、高电压等级的电能质量 治理在国内仍处于起步阶段，提出用多电平级联型变流器作为装置主电路不失为 一条有益的探索。 国外，由于环境、能源、社会高效化等要求，多电平逆变器将朝着以下几个 方向发展m 1 4 1 ： 1 ) 输出电压或电流波形正弦化技术，如s p w m 技术、多重叠加技术，多电平 逆变技术等； 2 ) 降低开关损耗，减小电磁干扰技术，如缓冲技术、软开关技术等； 3 ) 减小逆变器体积、重量技术，如内高频技术： 4 ) 提高直流源电压利用率技术，如空间电压向量p w m 控制技术、注入3 次谐 波的p w m 技术、梯形波p w m 技术等； 5 ) 逆变器的并联运行技术； 6 ) 智能化逆变技术； 7 ) 绿色逆变技术； 8 ) d e l t a 逆变技术等。 1 3 本文的主要研究工作及意义 多电平逆变器的共同优点：输出电平数越多，输出的电压谐波含量越低；器 件开关频率低，开关损耗小，器件应力小。其中，级联逆变器除了具有上述优点 外，还有自己的优点：无需均衡电容电压、结构上易于模块化和扩展。对每相的 某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合，输入输出无需滤波装置。但是由 级联逆变器可以知道，需要给每个逆变单元配备一个独立的直流源钉，如果输 出电压的电平数较多时，需要大量的直流源，使得移相变压器的成本迅速上升， 这是级联逆变器最主要的缺点。 本文针对级联逆变器的这一缺点，提出一种新的电路结构。这种级联逆变器 的特点是：通过提高直流源的利用率，从而省去了普通级联逆变器中一部分独立 直流源，这样就可以减少逆变器的成本和体积。文章通过详细的分析单相h 桥 硕士学位论文 第一章绪论 逆变器的工作原理，从中得出了提高直流源利用率的思路，然后通过改变主电路 的结构加以实现，最后再扩展到三相多电平逆变器。文中采用基于m a t l a b 6 5 的动态仿真软件包s i m u l i n k 进行仿真，仿真结果证实了这种新型级联逆变器只用 一个直流源就实现了三相五电平或七电平输出，三个直流源就可以实现三相七电 平或十一电平输出。较传统级联逆变器，新型级联逆变器不但达到了显著减少直 流源数的目的，而且控制算法简单有效，因此这种新型级联逆变器是可行的，具 有一定的参考价值。 6 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 2 1 概述 第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 传统两电平逆变器受器件耐压水平的的限制，逆变器输出电压不高，容量也 不会很大。若两电平变器要实现高压大容量输出，主要的途径有：通过器件串联 实现高压；通过器件并联实现大电流。器件直接串联构成的两电平高压逆变器存 在很高的d u d t 和共模电压，对电机的绕组构成了威胁，通常需要在逆变器的输 出侧加一个滤波器或采用专用的电机；器件直接串联，要解决串联器件同时导通 和关断的问题，这是直接串联式两电平高压大容量变频器的最大的难点。近年来 出现了一种大功率的电力电子器件集成门极换流晶闸管i g c t 钉，使两电平 逆变器的容量大为提高 1 7 j 。但是随着工业、采矿、交通运输、船舶和能源工业 等对大功率逆变器的要求越来越高，传统的两电平逆变器产生的谐波、d u d t 和 d i d t 都难以满足要求，于是人们开始寻找其它的方法。上世纪8 0 年代以来，有 关学者提出了多电平的变换器，经过2 0 多年的发展，各种电压型多电平变换电 路拓扑相继被提出，其控制性能得到很大的提高，因此成为高压大容量电力电子 系统的发展方向，并在大容量功率变换领域得到广泛应用。 另一方面，人们对多电平逆变器的控制性能也提出了越来越高的要求，使得 作为逆变器共用的核心技术p w m 脉宽调制技术得到了更深入的研究。所谓 p w m 脉宽调制技术，是用一种参考波( 通常是正弦波，有时也采用梯形波或注 入零序谐波的正弦波或方波) 为调制波，而以n 倍于调制波频率的三角波为载波 进行比较，调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，宽度正比于调制波的矩形 脉冲序列来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断 控制，把直流电变成交流电，这种调制方式就叫做脉宽控制逆变技术1 。多电 平逆变器的p w m 控制方法主要可分成两类，即载波调制法和空间电压矢量调制 法。这两类调制方法又有多种实现方式。 2 2 多电平逆变器拓扑结构 上世纪8 0 年代初，a n a b e a 等人提出了三点平中点箝位电路n 明1 钉。其基本原 理是将多个电平合成阶梯波以逼近正弦输出电压。一般来说，电平数越多，输出 电压波形越逼近正弦波。在多电平变换器的发展过程中围绕输出电平波形的生 7 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 成，发展了多种电路的拓扑结构，且新的拓扑电路还在不断出现，这些结构都可 以归结为多个电力电子基本拓扑单元的组合，或者是经过一定的简化后的组合， 按照这一思路还可以派生出一些新的结构。按其它一些分类方法，这些拓扑结构 主要又可以分为三类1 ：二极管箝位多电平逆变( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) ；飞跨电容多电平逆变器( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和级联多电 平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 。下面分别对这三类基本的多电平逆变器 做简要地介绍。 2 2 1 二极管箝位多电平逆变器 二极管箝位多电平逆变器是通过串连的电容将直流侧的高电压分成一系列 较低的电压。一个m 电平的二极管箝位多电平逆变器在直流侧需要m 1 个电容。 图2 1 为一个三相五电平二极管箝位型逆变器的一相，在其直流侧含有4 个大小相 同的电容c 1 、c 2 、c 3 和c 4 。若直流侧的总电压为v d c ，那么每个电容上分得的电 压为v d 弘，并且通过箝位二极管的作用，每个开关器件上的电压应力就限制在一 个电容的电压v d 水上，这样逆变器合成的输出电压就可以相对的提高了。二极 管箝位多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流侧设计比较简 单。并且这种结构特点使背靠背运行方式( 即整流侧也采用同样的结构并与逆变 桥共用同一组直流电容) 比较容易实现，有利于实现调速系统的四象限运行。 仉a 图2 - 1 二极管箝位五平逆变器 为了解释阶梯型电压的合成原理，中性点n 被视为输出相电压的参考点。为 了在a 点和n 点之间合成五电平的电压，有下y 0 5 种开关组合情况。表2 1 列出了输 8 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 出相电压的电平数和它们相应的开关状态，表中状态“1 ”代表开关器件是导通的， 状态“0 ”代表开关器件是关断的。 表2 1 二极管箝位五电平逆变器输出电压与开关状态的关系 输出电开关状态 压v a n s 1 s 2s 3 s 4 s 1 -s 2 s 3 ，s 4 ， v d 2 l 1 llooo 0 、耐a 0 l1l1 0o0 0o0l1l10o - v d 泓 oo01lll0 忒甜2 o0o0llll 虽然开关器件被箝位在v d 水电压上，但是二极管却要承受不同倍数的v d 水 反向耐压。如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则每相需要的箝位二极管 的个数为( m 1 ) ( m 2 ) 。这个数字随电平数的增加而快速增加，尤其是当器件是工 作在高频状态，箝位二极管由于开关速度的限制，只能用i g b t 或其它开关频率 高的器件代替，这将增加系统的成本，同时系统的可靠性也被削弱。因此，这种 电路的实际的应用中输出电平数不可能很高，一般被限制在5 级。 从表2 - 1 可以看出，各个开关的导通时间是不对称的，越靠近中间的开关导 通时间越长，则电流容量要求越大。 由于各级电容参与输出的时间不同，随着电流对各级电容的充放电，这些电 容在工作中的电压会出现不平衡。对于输出功率因素为0 的情况，各级电容在半 个输出周期内会自行平衡其电压，但对于有有功输出的情况，如果不对电容进行 平衡控制，会严重影响电路的工作，如何平衡中点电压就成了二极管箝位多电平 逆变器的核心问题之一。为此，国内外学者做了大量的研究并取得了一些重要的 成果呦 3 钉，国外早以有成熟地应用，但国内目前还没没有成功应用。 2 2 2 飞跨电容型多电平逆变器 电容箝位多电平变换器也叫做悬浮电容多电平变换器或飞跨电容箝位多电 平变换器，它是由法国学者t a m a y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年提出的 3 6 1 。图2 2 表示 一个三相五电平电容箝位多电平逆变器的一相。此逆变器的直流侧采用了一种阶 梯结构，每一层的电容电压都与下一层的电容电压不同。为产生m 电平的阶梯型 输出电压，在直流侧需要m 1 个电容。每相桥臂的结构都相同，两层电容间电压 增加的大小决定了输出波形中每阶电压电平的高度。表2 2 是输出相电压与开关 状态的关系。 9 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 a 图2 2电容箝位五电平逆变器 表2 2电容箝位五电平逆变器输出相电压与开关状态的关系 输出电开关状态 压 s ls 2s 3s 4 s 1 ，s 2 ，s 3 ， s 4 ， v d 以 l1110ooo l1l01o0o n 甜4 01ll00o1 lol100 lo l lo0ll00 oolloo11 1o101o10 0 1001ollo 01o10l 01 0 1l ol0ol l oo 0lllo - v d c 4000l0ll 1 ool01o ll v d c 2 0 oo 011ll 电容箝位多电平逆变器相对于二极管箝位型逆变器的优点是：逆变器电平数 易扩展；在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性；由于电容的引进， 可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡；可以控制有 1 0 硕士学位论文 第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 功功率和无功功率的流量，因此电容箝位多电平逆变器多用于高压直流输电，也 可用于驱动电机 。 缺点是：需要大量的箝位电容以及在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压 的平衡以保证逆变器的运行安全。对于电容电压的平衡问题，可用输出相同电压 时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决，但是因电容太多如何选择开关 组合将非常复杂，并要求较高的频率。逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电 平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难。 2 2 3 级联逆变器 多电平变换器的主要目的之一是为了采用低耐压器件输出高压，前面所述的 二极管箝位型和电容箝位型电路的共同点是，二者都只要一个独立的直流源，而 级联逆变器的每个逆变单元都配有独立的直流源，各逆变单元在交流电压输出前 相互独立，变压器二次侧的移相接法实现了变压器原边的电流多重化，极大地改 善了输入电流波形的质量，各单元的直流电容没有均压的问题，相对于器件串联 的形式，在控制上要简单得多。因此，级联逆变器受到广泛关注。由于级联逆变 器优越的特性，尤其是在6 k v 及以上电压等级的场合，因此级联逆变器发展非常 迅速，就拓扑结构上而言新的拓扑结构还在不断的出现，应用领域也在不断扩大 3 s - 4 9 1 。图2 4 是级联逆变器中的一相。 v t v a 图2 - 3 多电平级联逆变器 级联型逆变器除了具有多电平逆变器的共同的优点之外，还有自己独特的 优点： 无需均衡电容电压。二极管箝位型逆变器和电容箝位型逆变器工作时需要 保证直流分压电容或箝位电容电压稳定。而在级联型逆变器中，各隔离直流电源 硕士学位论文 第二章 多电平逆变器拓扑结构与控制技术 在充放电上是完全解耦的，只要各直流电源容量足够，无需特别的均衡控制。 输入功率因数高( o 9 5 以上) ，谐波小，整机效率高( 9 6 ) 以上，对电 网的污染小。 采用常规低压i g b t 器件，技术成熟，可靠性高。各个功率单元和驱动电 路结构完全相同，可以互换，使得变频调速系统易于检修和维护，利于工程上实 用。 由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似 常规低压变频器，便于采用现有成熟技术。 这种h 桥级联型拓扑输出的电压波形随着级数的增加更加接近于正弦波， d u d t d 、，可减小对电缆和电机的绝缘损坏，可直接用于驱动普通交流电机，无 需输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用；同时电机的谐 波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。 系统可靠性高。当某个功率模块损坏时，变频调速系统的主控系统通过检 测确认哪一级模块损坏，可以整机将这级有故障的三相模块全部旁路掉，相应的 系统减小输出功率，降额使用；也可以采用特殊的控制手段，仅仅将故障模块旁 路掉，仍然使输出电压对电机出线端三相对称。 级联逆变器的一个重要的优点是抗浪涌能力：到达输入的任何雷电感应的 浪涌都会由于变压器的阻抗而得到预期的限制，浪涌电流可以很容易被二级管整 流器和大电容组吸收而不会到达功率模块，这与固有高阻特性的电流源型比较是 有利的。 器件减少。和箝位型逆变器相比，级联型逆变器不需要大量的箝位二极管 或箝位电容，因此降低了成本，减小了控制的复杂度。 但是，这种h 桥级联结构在应用中也有不足之处： 由于输出电压等级越高，串联功率单元数越多，一般输出6 k v 为5 7 级功 率单元串联，输出1 0 k v 为8 - - - - 1 0 级功率单元串联，这样需要隔离变压器的副边绕 组很多，需要1 5 - - , 3 0 组副边三相绕组。而隔离变压器体积大、接线复杂，这使制 造难度加大，成本也增加很多。 p w m 电压源输出电压的快速跳变对电机首匝绝缘的冲击，这个问题会由 于电缆加长而加重，长电缆的波反射会使电压跳变加倍。解决的办法使：在针对 每相电路的每一时刻控制时只允许一个模块动作，这样只产生很小的跳变，即使 发生反射加倍，对几千伏的绝缘来说，增加的冲击是可以忽略的。 2 2 4 级联多电平逆变器的结构扩展 在基本电路的基础上，级联式多电平电路可以有多种变化。如可以将每个h 桥单元f h - - 极管箝位型或电容筘位型三电平单相桥代替，以减少变压器副边绕组 1 2 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 数。如果保留同样的变压器副边绕组数，还可以用两个独立的变压器绕组对三电 平的上下电容独立供电，这样就解决了直流分压电容电压不平衡的问题，从而简 化逆变器的控制。 等电压三电平单元h 桥级联 与传统h 桥级联电路相比，等电压三电平单元h 桥级联逆变器不同在于其中 的每个h 桥单元由二极管箝位型或电容箝位型三电平单元代替。这种电路的特点 是：减少了独立直流源，使得曲折变压器的二次抽头数减少，节省空间；也减少 整流电路和整流管的个数，但提高了单个整流管的耐压要求；与传统h 桥级联电 路比较，三电平级联电路多出了和主开关管相同容量的箝位二极管或箝位电容， 增加了设备成本；在控制上又产生了三电平电路单元的直流电容电压或箝位电容 电压的平衡问题，这使得控制方案更加复杂。 其它混合式多电平结构 h 桥级联结构还有很多变种，常见的有采用不同类型器件实现的混合式级联 结构，如将较高电压等级单元的器件由i g b t 换成g t o 或i g c t 等器件，令其以较 低的开关频率动作。这样综合利用了两种类型电力器件高压阻断能力和快速开关 能力，通过特殊设计的p w m 控制方式实现较高性能的多电平输出。这种电路可 以减少开关器件的个数，降低系统成本。 在1 9 9 8 年的i e e ea p e c 会议上，m d m a n j r e k e r 等人提出了混合七电平逆变 器的拓扑结构，如图2 4 所示。这种拓扑基本思路是通过“特殊调制方法将两 个等级不同的直流电压混合成七电平输出，主要优点是综合利用了两种类型功率 器件的高电压阻断能力和快速开关能力，使得与输出相同电平数的其它类型多电 平逆变器相比，所需要的功率器件最少。分析表明，这种改进的h 桥级联多电平 拓扑使用的器件数量是其它类型多电平逆变器的2 3 。 c 图2 - 4 改进h 桥级联多电平拓扑结构 对上述改进h 桥级联多电平拓扑进行扩展，可得到改进h 桥级联多电平拓扑 硕士学位论文第二章 多电平逆变器拓扑结构与控制技术 的一般模式，如图2 5 ( a ) 所示。并根据直流电源电压等级比值的不同，可将之分 为两类：二元混合多电平逆变器和三元混合多电平逆变器，分别对应于直流电压 等级比值为2 和3 的两种情况。 将图2 4 中具有公共端的三组h 桥逆变电路用三电平n p c 逆变器代替，可构成 图2 5 ( b ) 所示的多电平拓扑，由三电平n p c 逆变器的一个桥臂和h 桥逆变电路两 部分组成。其中三电平n p c 逆变器提供主要的基波电压和大部分输出功率，称之 为主逆变桥；h 桥逆变电路提供辅助的改善波形的电压和小部分输出功率，称之 为辅助逆变电路。当直流电压比为v d c l ：v d c 2 = 3 时，输出电压的最大电平数为9 ； 直流电压比为v d c l ：v & 2 - - 2 时，输出电压的最大电平数为7 。从逆变器的开关模 式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图2 5 所示的拓扑结构是等效的。区别在 于三电平n p c 逆变器需要的直流电容少一个，而且只需要一个直流电源供电，但 是增加了6 个箝位二极管。主逆变桥和辅助逆变电路的输出均为三电平，因此该 拓扑结构的逆变器称之为3 3 主从式混合多电平逆变器。 ( a ) 改进h 桥级联式( b ) 3 3 主从式( c ) 5 3 主从式 图2 - 5 混合多电平拓扑结果示意图 将一个三电平单相逆变桥与一个h 桥逆变电路串联组成一相可构成如图 2 - 5 ( c ) 所示的逆变电路。其中直流电压l t , v d 。l ：v d c 2 = 3 时，输出电压的最大电平数 为1 5 ：直流电压比v d c l ：v d 。2 = 2 时，输出电压的最大电平数为l l 。图中的三电平 单相逆变电路部分可以是二极管箝位的逆变电路，也可以是电容筘位的逆变电 路。三电平单相逆变桥部分的输出为五电平，h 桥逆变电路所输出为三电平，因 而将该拓扑结构的逆变器称之为5 3 主从式混合多电平逆变器。 以上几种混合多电平拓扑都是根据现有电力器件的可承受电压和电流的能 1 4 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 力通过调制不同等级的直流电压来实现多电平和大容量的输出，统称为混合多电 平逆变器。此类多电平逆变器的拓扑可采用较低成本的低开关频率器件代替部分 高开关频率开关器件，降低了系统成本，但是也使得其余高频开关器件的工作负 担变重，增加了损耗，减低了寿命。此外较低电压的辅助变换单元的电容电压平 衡问题也必须在控制中加以考虑。 2 3 多电平逆变器控制技术 p w m 控制技术是多电平逆变器共用的核心技术。多电平逆变器的p w m 控制 方法是和其拓扑紧密联系的，不同的拓扑有不同的特点，具有不同的性能要求。 多电平逆变器p w m 技术主要对两方面的目标进行控n - 一为输出电压控制，即 逆变器输出脉冲序列在伏秒意义上与参考波形等效；二为逆变器本身运行状态的 控制，包括直流电容电压的平衡控制、输出谐波控制、所有功率开关的输出功率 平衡控制、器件开关损耗控制等。多电平逆变器的p w m 控制方法主要有三类： 载波调制法、特定谐波消除法和空间电压矢量调制法。 2 3 1 多电平载波p w m 调制 多电平变换器载波p w m 控制策略，是两电平载波s p w m 技术在多电平中的 直接推广应用。不同于两电平变换器的是，由于多电平变换器有多个载波，在调 制生成多电平p w m 波时有两种基本方法：第一种，首先多个幅值相同的三角波 叠加，然后于同一个调制波比较，得到多电平p w m 波，即载波叠加法，这种方 法可直接用于二极管箝位型多电平结构的控制，对其它类型的多电平结构也适 用；第二种，用多个相位不同、幅值相同的三角载波与调制波比较，生成p w m 波分别控制各组逆变桥，然后再叠加形成多电平p w m 波形，称为载波移相法， 一般用在h 桥级联结构，电容筘位结构。 同时，多电平载波p w m 方法还需要实现其它控制目标和性能指标，如电容 电压的平衡、优化输出谐波、提高电压利用率、开关功率平衡。解决的途径主要 有以下三方面：第一是在多个载波上想办法，即可以改变三角载波之间的相位关 系，如各载波的相位相同、交替反相、正负反相及载波移相；第二是在调制波上 加入相应的零序分量；第三是对于某些特殊的结构，如h 桥级联结构、电容箝位 结构以及层叠式多单元结构等，当桥臂上输出相同的电压时，可以有多个不同的 开关状态组合对应，这些不同的开关状态组合对上述一些性能指标的影响是不同 的，选择适当的开关状态组合就可以实现上述目标。 载波层叠法：对于n 电平变换器，采用n - 1 个等幅值、同频率的三角波为 载波，上下连续层叠，与统一调制波进行比较，在采样时刻根据调制波与各个三 角波的比较结果输出不同的电平，并决定对应开关管的开关状态。这类方法可直 硕士学位论文第二章多电平逆变器拓扑结构与控制技术 接应用在二极管箝位型多电平结构的控制。根据三角载波之间相位的关系的排列 不同，可分为三种不同的多电平载波比较p w m 方法：同相层叠、正负反相层叠和 交替反相层叠。 载波移相法：多电平载波移相法是指，对于一个n 电平的变换器，n 1 个不同 相位的三角载波分别与调制波进行比较，生成相对独立的n 1 组p w m 调制信号， 去驱动n 1 个开关功率单元，每一个单元控制就退化成两电平单元的p w m 控制， 各单元的输出电压相加生成一个等效的多电平p w m 波形。假设载波的周期为t s ， 且对应3 6 0 。相角，则各个载波依次移相3 6 0 。( n 1 ) ，然后分别与调制波进行比较， 即为载波移相的基本原理，和前面提到的交替反相层叠的方式非常类似。 3 3 2 特定谐波消除法 特定谐波消除法( s h e p w m ) 是以优化输出谐波为目标的优化p w m 方法。和 两电平的特定谐波消除法类似，三电平s h e p w m 也是通过在预先确定的时刻实 现特定开关的切换，从而产生预期的最优s p w m 控制，以消除选定的低频次谐波。 这是基于傅里叶级数分解，计算得到开关时刻的p w m 方法。 若为了消除偶次谐波，同时考虑消除谐波中的余弦项以简化计算，则采用1 4 周期对称波形。当选择几个特定的开关切换角时，就可以得到一个输出波周期的 p w m 脉冲序列。这些脉冲序列可用傅