（电力电子与电力传动专业论文）半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器.pdf

， i f l i i | j f l i j f i j i f f j i i f f f i l j f j i l i | i j i | j i 嗍 y 189114 2 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g s i n g l ep h a s ed i o d e - - c l a m p e d 3 - l e v e lh a l f b r i d g e i n v e r t e rw i t hh a l fc y c l em o d e c o n t r o l a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y c h e nx i a o g a n g a d v i s e db y p r o f e s s o rw a n gh u i z h e n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 忝l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日期 ， 4 l 一 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 9 0 年代至今，多电平功率变换器由于输出容量大、开关管电压应力低和输出电压电流谐波 含量小等显著优点，成为中高压大功率能量变换的首选方案，在电力电子和电气传动技术领域 得到了广泛的关注和应用。 在多电平的大量拓扑结构中，二极管箝位型多电平交换器因其简单可靠而得到广泛的应用， 其中三电平二极管箝位型逆交器已有相应的产品应用于工业领域。对于该变换器的控制，主要 有空间电压矢量控制、载波交截p w m 控制及滞环控制等方式，由于传统桥式电路直通问题的 存在，在控制中需要加入死区时间，从而带来了一系列死区效应问题。本文以单相二极管箝位 型三电平半桥逆变器为例，将半周期控制策略引入二极管箝位型多电平逆变器中，以实现无死 区工作，从而消除死区效应引起的问题。 本文详细分析了半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器的工作原理，即在电流 正负半个周期内分别只控制上、下桥臂开关管来实现三电平输出，在整个周期的控制中驱动信 号不用加入死区时间，可以更好地减小桥臂输出电压的谐波含量，并分别以半周期双滞环控制 和半周期s p w m 控制分析了系统的性能。仿真和实验验证了这两种实现策略的正确性和可行 性。 本文将半周期控制运用到其它二极管箝位型多电平半桥拓扑诸如输出可串并联二极管箝位 型三电平半桥拓扑、二极管箝位型全桥逆变器拓扑中，实现无死区运行，并相应地用仿真结果 验证了其可行性。 本文针对s p w m 控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器进行了建模并详细的给出了 双环控制的设计方法，最后对单相逆变器中l c 滤波器的设计作了统一分析，并给出了设计步 骤。 关键词：半周期控制，三电平半桥，无死区，双环控制 半周期控制的单相二极管筘位型三电平半桥逆变器 s i n c e1 9 9 0 s ，m u l t i l e v e lp o w e rc o n v e r t e r sa l eb e c o m i n gap r e f e r a b l es o l u t i o ni nt h el a r g ep o w e r a p p l i c a t i o nf o rt h e s ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：m o r es i n u s o i d a lo u t p u tv o l t a g e , l o w e rv o l t a g es t r e s s ，a n d l o w e re a m o n g t h e s em u l t i l e v e lt 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 lc o n v e r t e ri sm o r ew i d e l yu s e df o r i t ss i m p l e rf a b f i c m i o na n dh i g h e rr e l i a b i l i t y s o m ei n v e r t e r sa p p l y i n gd i o d e - c l a m p e d3 - l e v e lt o p o l o g y h a v eb e e nu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n m a n yp o p u l a rc o n t r o ls t r a t e g i e ss u c ha ss p w m , h y s t e r e s i s c o n t r o la n ds v p w mc o u l db eu s e dd i r e c t l yi nt h i sc o n v e r t e r , i nw h i c ht h ed e a dt i m ei sn e e d e dt o p r e v e n tt h es h o o t - t h r o u g hp r o b l e ma n dt h ed e a d - t i m ee f f e c ti si n t r o d u c e d i nt h i sw o r k , an e wc o n t r o l s c h e m en a m e dh a l fc y c l em o d e ( h c m ) c o n t r o li ss t u d i e d t h eh c mc o n t r o li sa p p l i e di nas i n g l e p h a s ed i o d e - c l a m p e d3 - l e v e lh a l fb r i d g ei n v e r t e r ( d c t l h b 0w i t hn od e a d t i m ea d d e d i nt h ed i s s e r t a t i o n , o p e r a t i o np r i n c i p l eo fs i n g l ep h a s ed c t l h b ia p p l y i n gh c mc o n t r o li s a n a l y z e di nd e t a i l i nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , u p p e ra n dl o w e rb r i d g e a r ms w i t c h e sa r ec o n t r o l l e di nt h e p o s i t i v ea n dn e g a t i v eh a l fc y c l eo fo u t p u tc u r r e n tr e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h a tn od e a dt i m ei sa d d e d , o u t p u tv o l t a g ep e r f o r m a n c ew i l li n c r e a s e t h ep e r f o r m a n c eo fh c m i nd c t l h b ii ss t u d i e db a s e do n s p w ma n dh y s t e r e s i sc o n t r o lr e s p e c t i v e l y , a n dt h eo p e r a t i o no f t h en od e a d - t i m es t r a t e g yi sd e s c r i b e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r m st h ev a l i d i t yo ft h ea n a l y s i sa n df e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l s t r a t e g y m o r e o v e r , s i m u l a t i o nr e s u l t so fs e r i e s p a r a l l e ld c t l h b ia n dd i o d e - c l a m p e d3 - l e v e lf u l l 蜥d g ei n v e r t e r ( d c l l l f b da p p l y i n gh c m c o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e n a tl a s t , b a s e do nt h em o d e l i n go fs i n g l ep h a s ed c t l h b ia p p l y i n gs p w mc o n t r o ls t r a t e g y , t h e d e s i g nm e t h o do fi t sd u a l - l o o pc o n t r o la n dl cf i l t e ri sg i v e n k e y w o r d s ：h a l f c y c l ec o n t r o l ，3 - l e v e lh a l f b r i d g ei n v e r t e r , n od e a d - t i m e ，d u a l - l o o pc o n t r o l 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 多电平逆交器的发展1 1 2 二极管箝位型多电平逆变器拓扑发展一2 1 3 二极管箝位型多电平逆变器控制策略5 1 3 1 阶梯波脉宽调制法。6 1 3 2 开关点预置p w m 法6 1 3 - 3 载波p w m 调制技术6 1 3 4 空间矢量p w m 法( s v p w m ) 。8 1 4 半周期控制模式的逆变器8 1 5 本文的主要内容及主要意义。9 1 5 1 主要内容。9 1 5 2 本文主要意义9 第二章半周期控制的d c t l h b i 1 1 2 1 半周期电流控制的提出l l 2 2 半周期电流滞环控制的d c t l h b i 11 2 2 1 半周期控制在d c t l h b i 上的应用二1 1 2 。2 2 半周期电流控制的d c t l h b i 工作模态分析1 3 2 2 3 半周期电流控制的d c t l h b i 的模态分配1 5 2 3 双滞环控制方案的研究1 6 2 3 1 滞环控制的发展。1 6 2 3 2 半周期电流双滞环控制d c t l h b i 的控制框图1 7 2 3 3 大小环宽的选取1 8 2 4 无死区运行的实现2 0 2 4 1d c t l h b i 的直通问题2 0 2 4 2 电流过零模态切换分析i 2 0 2 4 3 死区时间的加入及其影响2 l 2 4 4 与单极性s p w m 控制方法的比较。2 2 2 4 5 断续对玖的影响。2 4 2 5 半周期模式s p w m 控制d c t l h b i 2 5 i r 半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器 2 5 1 基本工作原理2 5 2 5 2 电压电流过零分析2 7 2 5 3 无死区实现策略2 8 2 7 本章小结3 0 第三章半周期控制在多电平中的拓展研究3l 3 1d c t l h b i 电压应力分析3l 3 2 二极管箝位型多电平逆变器中点电位分析31 3 3 输出可串并联d c t l h b i 3 4 3 4 半周期电流运行模式的d c t l f b i 3 7 3 5 本章小结4 l 第四章电路主要参数设计4 2 4 1 环宽值的选取及电流纹波4 2 4 1 - l 滞环控制中环宽值的选取4 2 4 1 2s p w m 控制的d c t l h b i 电流纹波计算4 4 4 2 半周期s p w m 控制d c t l h b i 双环控制环路的设计。4 4 4 2 1d c t l i - i b i 双环控制回路的建模4 4 4 2 2 平均电流控制模式中斜率匹配问题4 6 4 2 3 电流环控制对象4 7 4 2 4 电流环的设计4 8 4 2 5 电流环闭环等效模型5 0 4 2 6 电压环的设计5 2 4 3 输出滤波器设计5 5 4 3 1l c 滤波器5 6 4 3 2 输出滤波电感值的确定5 6 4 3 3 输出滤波电容的确定6 0 4 4 实验结果及仿真6 0 4 4 1 滞环控制仿真及实验6 0 4 4 2p w m 控制仿真及实验6 4 4 5 本章小结6 8 第五章全文的总结与展望。6 9 5 1 本文的主要工作6 9 5 2 后续的工作展望6 9 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 参考文献。7 0 致谢一7 4 在学期间发表的学术论文7 5 v 半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器 v i 图表目录 图1 1 二极管箝位型三电平及五电平半桥逆变器主电路拓扑2 图1 2 改进的二极管箝位型五电平桥臂单元3 图1 3 两种改进型五电平半桥臂拓扑单元4 图1 4p e n ge z 中点电位平衡五电平拓扑5 图1 5 改进型中点电位平衡五电平拓扑5 图1 6 阶梯波调制与开关点预置调制五电平波形6 图1 7 五电平多载波原理图及多调制波原理图7 图1 8 开关频率优化p w m 调制法7 图1 9 三相三电平s w m 7 图2 1 双降压式半桥逆变电路拓扑。l l 图2 2 双b u c k 半周期运行示意图11 图2 3 三电平双降压式半桥逆交器电路拓扑1 2 图2 4 传统d c t l h b i 主电路拓扑12 图2 5 半周期模式d c t l h b i 的理想波形示意图1 2 图2 6 半周期电流控制运行d c t l h b l 工作模态1 4 图2 7 滞环控制的工作模态切换示意图1 5 图2 8 有偏置双滞环控制策略l7 图2 9 无偏置双滞环控制策略l7 图2 1 0 半周期电流双滞环控制d c t l h b i 的控制框图。1 8 图2 1 1 大小环宽的选取对半桥输出电压影响的示意图1 9 图2 1 2 电流电压过零时工作模态切换示意图2 0 图2 1 3d c t l h b i 直通情况2 0 图2 1 4 电流过零模态切换原理示意图2 1 图2 1 5 单极性s p w m 控制的d c t l i - m i 工作原理示意图2 2 图2 1 6 单极性s p w m 控制死区时间对半桥输出电压的影响示意图( v 户0 ) 2 3 图2 1 7 断续工作时对半桥输出电压的影响示意图2 4 图2 18 半周期模式s p w m 控制d c t l h b i 的原理示意图2 5 图2 1 9s p w m 控制的d c t l h b i 的控制框图2 6 图2 2 0 一个周期内电流上升和下降的时间2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2 l 电流过零时波形原理示意图2 7 图2 2 2 电流由正过零变负模态分析示意图2 7 、 图2 2 3 电压过零分析原理示意图2 8 图2 2 4 半周期运行时驱动波形示意图2 9 图2 2 5 无死区实现策略2 9 图2 2 6 加入死区时间后的电流过零情况分析3 0 图3 id c t l h b i 内外管电压应力分析。3 l 图3 2 单相二极管箝位型三电平半桥逆变器中点电位分析图。3 2 图3 3 五电平时中点电位分析。3 3 图3 4 五电平c i 和c 2 电容在一个基波周期内充放电情况3 4 图3 5 输出可串并联逆变器结构图3 4 图3 6 输出可串并联的双b u c k 逆变器。3 5 图3 7d c t l h b i 组合的输出可串并联逆变器、3 6 图3 8 输出串联时的仿真波形3 6 图3 9 输出并联时的仿真波形3 7 图3 1 0 二极管箝位型三电平全桥逆变器主电路拓扑3 8 图3 1 l 五电平输出时工作区分区3 9 图3 1 2 两种负载情况下内管的驱动信号波形3 9 图3 1 3 输出电压电流及驱动仿真波形4 0 图3 1 4 、和桥臂间电压仿真波形4 0 图4 1 系统延迟对电流纹波的影响。4 3 图4 2d c t l h b i 平均电流控制模式的原理电路图一4 4 图4 3 电压环电流环的结构图4 4 图4 4 闭环控制框图4 5 图4 5 传递函数的计算。4 6 图4 6 平均电流控制模式中斜率匹配问题4 6 图4 7 电流环开环传函b o d e 图4 8 图4 8 单极点单零点补偿网络的频率特性。4 8 图4 9 加入单极单零补偿前后开环传函的b o d e 图4 9 图4 1 0 电流环闭环框图5 0 图4 1 l 等效模型i 与实际模型的比较。5 l 图4 1 2 f p - - 5 0 k h z 时f 的取值比较5 l v i i 半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器 v 图4 1 3 孝印8 时石的取值。5 2 图4 1 4 简化后的电压环5 2 图4 15 电压环未加补偿时的开环传函b o d e 图5 3 图4 1 6 单零点补偿网络频率特性5 3 图4 1 7 单零点补偿前后b o d e 图5 4 图4 1 8 双极点双零点补偿网络的频率特性5 4 图4 19 双极点双零点补偿前后b o d e 图5 5 图4 2 0l c 低通滤波器结构及幅频特性5 6 图4 2l 单极性s p w m 频谱分布5 8 图4 2 2 半周期电流滞环控制下d c t l h b i 半桥输出电压频谱分布图5 8 图4 2 3 单相逆变器中电压与电流的相位关系5 9 图4 2 4 空载时关键波形仿真6 l 图4 2 5 满载时关键波形仿真6 l 图4 2 6 电压电流过零分析6 2 图4 2 7 大小环宽比较6 2 图4 2 8 空载时屯、v o 、以波形。6 3 图4 2 9 满载时屯、v o 、畅波形。6 3 图4 3 0 空载时电压应力分析6 3 图4 3 1 满载时电压应力分析“ 图4 3 2 满载时电流和电压过零分析6 4 图4 3 4 空载时仿真关键波形6 5 图4 3 5 满载时仿真关键波形6 6 图4 3 6 电流电压过零仿真分析6 6 图4 3 7 空载实验波形。6 6 图4 3 8 满载实验波形6 7 图4 3 9 电流电压过零分析6 7 表1 1 五电平二极管箱位型逆变器输出桥臂电压电平及其开关状态3 表2 1 半周期运行时的工作模态分配表1 5 表2 2 单极性s p w m 开关模态及半桥输出电压表2 3 表3 1 输出三电平的全桥d c t l f b i 的开关模态表。3 8 表4 1 半周期滞环控制实验参数6 0 南京航空航天大学硕士学位论文 表4 2 半周期滞环控制d c t l h b i 实验数据6 4 表4 3 半周期载波交截p w m 控制实验参数6 5 表4 4 半周期载波交截p w m 控制d c t l h b i 实验数据6 7 i x 半周期控制的单相二极管筘位型三电平半桥逆变器 一、缩略词及其名称 略写 n p c f a c t s s v c s t a t c o m s p w m s v p w m d c t l h b i d c t l f b i t h d e 加 s h p w m s f o p 、m m 注释表 英文全称 n e u t r a l - p o i n t - c l a m p e d f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s s t a t i c v a r - c o m p e s a t o r s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s p a c ev e c t o rp u l s e 晰d mm o d u l a t i o n d i o d e - c l a m p e d3 一l e v e lh a l fb r i d g ei n v e r t e r d i o d e - c l a m p e d3 - l e v e lf u l lb r i d g ei n v e r t e r t o t a lh a r m o m cd i s t o r t i o n e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e s u b h a r m o n i cp w m s w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m a lp w m 二、基本符号及意义 基本符 蜀嘲 c h 矾嘲 玩 r l 如 u l - n 吃 办l p o 砀 厶 诈 4 i 号意义 开关管l 吲 电容1 吲 电容c i - c a 上的电压平均值 直流侧输入电压 桥臂输出电压 开关周期 电压环输出信号 电容c l 乜上的电压 输出电感电流 小环宽 输出功率 电压反馈系数 输出电压频率 载波 电流纹波 号 中文名称 中点箝位型 柔性交流输电系统 童 静止无功补偿器 静止同步补偿器 。 正弦脉宽调制 空间矢量脉宽调制 二极管箝位型三电平半桥逆变器 二极管箝位型三电平全桥逆变器 总谐波畸变度 电磁干扰 多电平消谐波脉宽调制 开关频率优化脉宽调制 意义 二极管1 吲 研，体二极管 电容c l 乜上的初始电压 输出电压 电流环输出信号 开关频率 截止频率 输出滤波电感 输出滤波电容 大环宽 输出电流 一 电流反馈系数 输出甩次谐波电压 开关频率的平均值 岛吲的驱动信号 格啼= ，： 基a凤研工石三c地厶巧届鼬 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 多电平逆变器的发展 近年来，工业应用中对大容量功率变换装置的需求日益增加，传统的两电平变换器在高压 大容量应用中，除了少数场合采用交交变频方式外，通常采用交直交变频方式将多个低压小容 量变换器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采 用变压器进行降压和升压，中间环节仍然采用低压变换器。很显然地，这两种方法均采用了笨 重、昂贵、耗能的变压器，且对于后者还会出现中间环节电流过大，系统效率下降，可靠性降 低，低频时能量传输困难等诸多问题【1 】1 2 1 。而且传统两电平逆变器为了得到高质量的输出波形 而提高开关频率的同时，造成了很大的开关损耗，以及很大的d v d t 和浪涌电压，对其它电子设 备产生频带很宽的e m i ( e l e e t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。为了克服这些缺点，人们希望采用直接的 高压变换器，这样就对开关管的耐压值要求较高，解决办法通常是采用多个功率管串联，这种 方法简单实用，成本较低，但存在着静态和动态均压问题，要确保其分布在元器件上的电压在 任何情况下都要均衡，否则会导致系统的不稳定。 德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年提出了三电平逆变器主电路及其控制方案，其中每相桥臂中加入了 一对开关管，以辅助中点箝位。在此基础上，1 9 8 0 年日本长冈科技大学的a n a b a e 等人在i a s 年 会上首次提出了三电平中点箝位型f n e u t r a l - p o i n t - c l a m p e d , n p c ) 逆变器【3 】。1 9 8 3 年，b h a g w a t 等 人又在此基础上将三电平电路推广到任意n 电平，对n p c 电路及其统一结构作了进一步的研究 1 4 1 。这些工作为以后多电平逆变器的发展奠定了基础，推动了高压大功率变换器的研究与应用。 在多电平变换器概念提出早期，由于其特殊的拓扑结构，无论是对功率器件还是对控制电 路要求都比较高，并没有受到太多的关注。9 0 年代开始，随着g t o 、i g b t 的成熟应用和i g c t 、 i e g t 等新型全控型器件的先后出现，多电平变换器的研究和应用有了迅猛的发展。集电力电子 技术、计算机控制技术、通讯技术和电机控制技术于一体，高压多电平逆变技术被公认为是电 力电子技术领域的一颗明珠。作为一种新型的高压大容量功率变换器，在得到高质量输出波形 的同时，克服了两电平变换器的诸多缺点【5 1 ，在高电压功率变换系统中，诸如高压交流调速1 6 l 以及电力系统静止无功发生器【7 1 、电力有源滤波器及新型直流输电等f a c t s 装置，多电平逆变 器因其显著的优点而成为了国内外专家的研究热点。高压电机调速方面，它通过将固定频率的 高压交流电源转换成电压频率可调的交流电来实现对交流电机的无级调整或其它设备的控制 s l ；无功补偿的研究在经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿( s v c ) 之后，随着现 代功率半导体器件的应用与新型功率变换电路及控制技术相结合，产生了新型无功补偿装置即 静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，而其核心就是电压源逆变器。目前应用于s t a t c o m 中的多电平 l 半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器 逆变器主要以三电平或五电平为主，也最为实际。丹麦r e j s b yh a d e 风力发电厂正在使用由 西门子公司制造的一台三电平s t a t c o m ，无功调节范围可达8 m v 龃，它由两个三电平逆变器通 过一个三绕组变压器连接到一条1 5 k v 母线上，采用额定功率为4 5 0 0 v 3 0 0 0 a 的逆导g t o 。前几 年，我国在工业新上项目中先后从欧洲引进了几套四电平电压源拓扑结构形式的高压变频器， 它们先后应用在我国的太原钢铁公司、宝新不锈钢厂、青岛钢铁有限公司和天津无缝钢铁总公 司，而其传动系统采用的就是a l s t o m 公司的多电平拓扑结构、i g b t 元器件的交流高压变频调 速装置。 l 多电平电路结构根据主开关器件的电压箝位方式，可将其分为二极管箝位型( d i o d e c l a m p e d ，又称中性点箝位型奎m c ) 、电容箝位型( c a p a e i t o r - c l a m p e d ) 和单元级联型( c a s c a d e d p m u l t i c e l l ) - - 类。其中二极管箝位型多电平逆变器出现的最早，应用也最为广泛。 1 2 二极管箝位型多电平逆变器拓扑发展 二极管箝位型多电平逆变器是研究最早和应用最多的一种多电平逆变器，特别是三电平和 五电平在工业中已有很多应用。其最大的优点是主电路和控制相对简单。便于能量的双向流动 和功率因素的控制。 ( a ) 三电平拓扑( b ) 五电平拓扑 图1 1 二极管箝位型三电平及五电平半桥逆变器主电路拓扑 图1 1 ( a ) 为a n a b a e 等人提出的传统的二极管箝位型三电平单桥臂拓扑，图1 1 ( b ) 为在三电平 2 南京航空航天大学硕士学位论文 的基础上发展而得到的一种五电平二极管箝位型逆交器单桥臂拓扑，在它的直流侧有g 、c 2 、 c 3 和c 4 四个电容，输入侧电压为，每个电容上的压降为圪4 。设图示o 点为输出桥臂电压的 参考点，则在桥臂处可以输出“+ 圪2 ”、“+ y 私”、“0 ”、“- 4 、“- 珞2 这五个电平。同时 表1 1 给出了对应的开关管导通情况。 表1 1 五电平二极管箱位型逆变器输出桥臂电压电平及其开关状态 虼 研岛& 晶 风 + 2 1 l llo00o + k ，4 0l1ll000 0001lll00 - v j 4 0ool11lo v 2 00o01lll 在五电平单桥臂中共有8 个开关器件串联，另有1 2 个箝位二极管，在任一时刻均有四个开关 器件同时处于导通或关断状态，其中( 最，岛) 、( 岛，& ) 、( 两，岛) 、( & ，风) 为互补开关对。 由图1 1 可知，为了使箝位二极管阻断多倍电平的电压，需要由多个相同的二极管串联，而由于 开关特性的不一致性及杂散参数的存在，可能会引起其中某一二极管两端过电压，而一般为了 避免这种情况，可以采用r c 吸收电路加均压电路来解决，但这样又会降低系统的可靠性及效率。 文献【9 】中，国外学者x i a o m m gy i l a n 对该传统五电平二极管箝位型拓扑进行了改进。如图1 2 ，可 以看出，这种改进的五电平拓扑功率管的数量与传统五电平的相同，但由于二极管位置的变化， 该电路不仅能实现功率开关管的电压箝位，而且还能通过直接和间接的方式将箝位二极管的电 压箝在直流侧电容电压之内，故这个改进的拓扑相比于传统的拓扑，具有很大的优越性。 图1 2 改进的二极管箝位型五电平桥臂单元 3 半周期控制的单相二极管箝位型三电平半桥逆变器 根据图1 1 和图1 2 的拓扑思路，对于咒电平的二极管箝位型逆变器拓扑，每个桥臂需要1 ) 个直流分压电容，2 ( n 1 ) 个功率开关管以及0 1 勋2 ) 个箝位二极管，随着电平数的增加，箝位二 极管的数量会以电平数二次方的规律来递增。可见，当电平数高于五电平时，功率开关管和箝 位二极管的数量巨大，而且，当更高电平的二极管箝位型多电平逆变器工作于p w m 方式下时， 其箝位二极管的反向恢复也将会成为高压大功率设计的一大难点【1 1 】。 为了进一步减少二极管的数目而同时保证输出电压的电平数，文献【1 2 】和【1 3 】等提出了两种 新的二极管箝位型五电平拓扑桥臂单元，通过改变箝位中点的电位来改变输出桥臂电压电平。 如图1 3 ( a ) 和图1 3 ( b ) 。在( a ) 图中，通过增加一个两电平的可控桥臂，使得中点电位可以浮动， 由此代替传统的三电平变换器的箝位中点。这种拓扑每个桥臂单元只需6 个功率开关管和2 个箝 位二极管，就可实现五电平电压输出。在m o o ) 中，由一个两电平桥臂代替传统的三电平变换器 的正母线而得到，这样使得正母线的电位可以浮动，这样每个桥臂也只需要2 个箝位二极管。很 明显地可以看出，这两种新拓扑开关管和箝位二极管数目大大地减少，节约了成本，提高了可 靠性。同时也应该看出，这两种拓扑中某些开关管或箝位二极管会承受两倍的直流侧电容电压， 它们虽然能够输出五电平，但管子电压应力却大于g m 4 ，并不能提高系统的电压等级。 + 圪 - 三电平单元 + 圪 _ ( a ) ( b ) 图1 3 两种改进型五电平半桥臂拓扑单元 对于五电平或更高电平逆变器，为了解决中点电位平衡问题，p e n g ez 在2 0 0 1 年提出了通 用型中点电位自平衡的胛电平逆交器桥臂拓扑单元【1 4 l ，五电平结构单元如图1 4 所示，为更好地 实现能量的双向流通，将箝位二极管用开关管代替，加入电容来实现对电压应力的箝位，通过 在一个基波周期内使每个箝位电容交替并联来达到每个电容上的电压平均值相等，从而维持中 点电位的平衡。该拓扑不受负载特性的影响，故可以应用于有功和无功场合，但是该拓扑需要 大量的电容和功率管，限制了其在实际中的应用。文献【1 5 】对该结构的五电平进行了改进，如 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 5 ，在满足原中点电位平衡五电平优点的同时，大大减少了有源和无源器件。由于引入了箝 位电容，这类拓扑称为混合筘位型多电平拓扑， 过简单的控制解决了多电平中点电位平衡问题， 虽然增加了有源箝位开关和箝位电容，但是通 具有较好的应用前景。 c l 图1 4p e n gf z 中点电位平衡五电平拓扑图1 5 改进型中点电位平衡五电平拓扑 1 3 二极管箝位型多电平逆变器控制策略 二极管箝位型多电平逆变器的控制策略是从成熟的两电平逆变器控制策略发展而来，随着 其拓扑的改进而不断提出新的控制策略，国内外专家学者的研究焦点主要集中在以下几个方面： i ) 控制中点电位，即每个电容的均压，进而使输出每个电平的幅值相等，提高输出波形质量， 同时每个功率管的电压应力也被确定。 2 ) 三相系统中广泛采用的s v p w m 方法中如何优化开关矢量，减小开关损耗以及共模电压对 电机寿命的影响1 1 0 1 。 3 ) 如何在高压大功率场合实现四象限运行，适合各种负载运行，提高功率因数，降低谐波对 电网的污染。 文献【l l 】按照开关频率的高低，将多电平的控制分为低频调制和高频调制，基频调制指的 是在一个工频周期中，每个功率管只开关一