（电力电子与电力传动专业论文）多电平变换器及其应用的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nm u l t i 。l e v e lc 彻v e r t e 侣i so n eo f t i 坞n e w e s td e v e l o p m e n t so f m o d a np o w 盯e l c e t r o m c ，w l 1 i e hi sm a i n l yu s e d - mt h es i t u a t i o no fi t i 曲- p e r f o 咖a 懈v o l t a g e l a r g ec a p i 够m 枷- l e y e l n v c r t c r sc 缸r c d t t e et h eo 唧l l th a r m o m cw a v e4 b e 咖鸭s m a l l e 嘲n 咖m t t e ri sn c e d e dc o m p a r i n gw i t h 曲t w o l e v e lr e v e r t e r t h ew h o l ee 丘i c 渤c yi sa l s o 1 l i g l l ，m e 锄w l l i l et h el l i g l l 巾酬 b n n c ev o l t a g el a r g ec a p a c i l yo u t p mc 趾b ei m p l c m 删b y t h el o wv o l t a g ea p p a r a t u s ni ss i 印i f i c a l l t 衙恤c h a n g i n go f l l j 鲫e 加n 舢v o l t a g el a r g e c 印i l yp c y w 盯a n d 既l h 觚t h ee f f i e i 髓e y ni so n eo f t h er e s e a r c hh o t s p o to f m o d c r np o w 盯 e l e e l a o m e t h ed i s s e 髓b w o r k s 彻t h ea p p l i e 啦j o no fm u l t i - l e v e lc o n y e 慨m 伍ep e r r n a n e i i t m a g n e ts y l l e h r o n o mm a c h i n e 1 1 l cd e v e l o p m e n ta n da c t u a l 竹o fm u m l e v e l c o n v e 慨t h er e s e a r c ha n da c t u a l 姆o ft h i 优l e v e li n v e r t e ri sa n a l y z 硝d 唧i y n el a wo f d i 妣l 锄p e df l l r e e d e v e l m v e r t e rv o l t a g ea n de u r r e l i ti sa l s od i s c 嘴s e de x a c t l y t h i s d i s s e r t a t i 册m t r o d u e e s 锄d 锄a l y 碣础p r i n e i p t e ，e a l e u l a t i o aa n ds 妇u l a t i o ap r 。c e 豁砸 d i o d e - c i 锄p c dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 咖仃o l l e db yt h cs p a c ev e c t o rp u l s e 谢甜im o d u l 鲥o n t e e l m i q u e ( s v p w m ) t h e a s o 珊o ft h eb a l a n c eo fn e u t r a lp o i n tp o t e m i a la l e d i s c u s d t h em e t h o do fs v p w m b ye x a m i n i n gt h en t r a lp o i n tc u r r e n ti sa i 脚o s e d f i n a l i y ，t h em a i nc i r c l l i ta n dc o n 廿o le i r c u i ta md e s i 印e db yc h a n g i n gt h e v o l t a g er e v e r t e rt oe u r r e n ti n v e f t s ot h es t a t o rc u r r e n tn n n t i - d i m e m i o n a lv e c t o ri n m a c h i n ec a n 加耄a ：t ec i r c m a l l y ( s t e a d ys t a t e ) t h e 呻i l tc u r r e n to fi n v e n e ri s c o n 仃o l l e db yc a i c l l l a t i l l gt h et u r no nt i m ea n dr u n - t h r o u g hm t e r v a io ft h em v e r t s w i t c h e sb 雏i n go nc u r r e n tv e c t o rs p 8 c ep o s i t i 饼lt h ec o n 缸o la d o p 惦v e c t o r n n 0 1 k e y r d s ：训廿- l e v e l ；s v p w m ；n e u l 谢p o i n tv o l t a g e ；p c r m a n 钮tm a g n e t s y n d i r o n o 砸m a c h i n e ；r e v e r t e r ；v e c t o rc o n h d l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：叠雌 日期：y 7 年月弓日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源短缺是人类当前面临的共同的世纪性难题。2 0 世纪7 0 年代以来两次 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，全球石油储量只够使用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占世界平均值的1 2 。 我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民 生活发展的需要。由于缺电，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失； 另一方面，在能源十分紧张的情况下，浪费现象却十分严重。我国国民生产 总值排在世界第七名左右，其中很重要的原因就是单位产值能耗太大。根据 国家有关部门的全面调查统计，我国发电量的6 0 一7 0 左右用于推动电动 机做功，其中9 0 的电机是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接 恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。再考虑到电力从发出到传输和使用中， 如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的浪费，全国总的数量加起来 十分惊人。如占工业用电3 0 以上的各种风机、泵类负载全国约4 7 0 0 万台， 总功率为1 3 亿千瓦( k 町。由于此类负载工况变化较大，如采用交流调速技 术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电2 0 计算，对于全国来说，相 当于一年节约电5 0 0 亿度( k w h ) ，相当于1 5 0 0 万k w 发电站的年发电量，还 可节约数百亿元的电力建设投资，同时可以减少2 0 0 0 万吨发电用煤，5 0 万吨 二氧化硫和1 2 0 0 万吨二氧化碳的污染排放。 近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用， 电压3 8 0 v 以下的低压变频器已大量使用。但是，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；钢铁工业的高炉鼓风机、 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厂的供水泵，等等。驱动电机 都是4 0 0 4 00 0 0 k w ，3 - l o k v 的大功率高压交流电动机。这些设备由于缺少调 哈尔滨工程大学硕士学位论文 速的手段，每天都在大量地浪费电能，俗称耗电的“电老虎”。因此，开发高 压多电平大容量交流电机变频调速节能装置并推广应用，对我国工业降低单 产能耗具有重大意义。 其次，在传统工业技术改造等场合，大容量交流调速技术也得到了迅速 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、铁路及船舶等工业领域中广泛使用大、中容量交流电机调速系统。此 时，交流调速系统的应用不但达到节能目的，还可以实现整个系统的性能最 佳，改善工艺条件，并能大大提高生产效率和产品质量。由于国内大容量交 流调速系统的研制工作起步较晚，仅有少量产品投入运行，目前很多必需的 场合均为国外产品所占领。而国外产品一般价格较高，很难为一般用户所接 受，这相应地限制了此类系统在我国的推广和应用。因此，研制出性能可靠、 价格便宜的大容量高性能交流电机变频调速系统并尽快投入批量生产，对于 打破西方国家在此领域的垄断地位，具有重要的现实意义。 随着电力电子装置等非线性设备在电力系统、。工业、交通( 电气化铁路) 及家电中大量应用，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，同时也降低了电气设 备运行的可靠性，严重时损坏设备、危及电网的安全。未来我国的电网将具 有如下特点：超大规模： 超长距离超大容量电力传输；超级水火电发 电中心与能源基地；超重负荷中心； 能源中心与负荷中心联系非常薄弱； 交直流混合输电：o 多种控制装置混合。这些特点决定了我国电网将面临 非常严重的安全稳定问题。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大幅度改善电力系统可控性及可靠性， 提高输电线路的传输能力及系统的安全稳定性。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。因此大容量电力电子 变换器的研究，对电力系统的发展具有重要意义。 因此对变频节能技术的研究与应用尤其是高压大功率变频技术在我国具 有非常重要的实际意义。而在高压大功率应用中，三电平中点箝位( n p c ) 式 电压型变换器相对于传统两电平电压型变换器表现出明显的优势m 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 多电平变换器的主要应用领域 多电平变换器与传统两电平变换器相比具有许多优势，可以用在各种高 压大容量领域，包括直流和交流之间的变换、直流和直流之间的变换。主要 应用领域有：高压大容量交流电机变频调速、交直流能量转换、电能质量综 合治理等。 1 2 1高压大容量交流电机变频调速 传统的两电平交换器在高压大容量电机调速应用中，存在以下几点问题： 输出电压和电流，除基波分量外，还含有一系列的谐波分量，这些谐波会使 电机产生转矩脉动，使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调 速范围；在中压场合，提高频率一定程度上可以克服上述某些缺点，但又容 易导致较高的d v d t 和浪涌电压，在电机的线圈中产生很大的共模电压，这 样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿，而且开关器件所产生的电 压应力和开关损耗将降低电机效率，同时产生很高的e m i ，将干扰周围电子设 备；高电压等级更是受到限制。而多电平变换器工作在工频时，便可在一定 程度上克服上述几个问题。将多电平变换器用于高压变频器领域，不但可以 提高变换器的电压等级，更主要是减少变换器出口端的谐波含量，降低了输 出电流的谐波含量和开关损耗，提高功率因数，动态性能好和效率高等，在 高压大容量交流调速领域日益受到重视。由于多电平变换器有诸多优点，近 年来各大公司争相开发出了多电平变换器。三电平变换器在我国的油田1 2 0 k w 潜油电泵上己有使用。上海高速磁悬浮列车地面v w f 供电系统中也采用了二 极管箝位型三电平变换器。 1 2 2 高压直流输电( h v d o ) 在远距离输电( 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) ，直流输电需要构造超大功率的整流和逆变装置。级联型多电平变流 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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l t v i ) c 工程运行电压最高为 6 0 0 k v ，输送功率为3 1 0 0 栅，线路长8 0 0 删，它代表当今h v d c t 水平。我国 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。 1 2 3 电能质量综合治理 电网中的谐波主要来自于电力电子装置及大容量非线性负载。随着电力 电子装置的广泛应用，电网的谐波问题日益严重，它们产生的谐波和无功电 流严重影响电网的供电质量。有源电力滤波器作为动态抑制电网谐波、补偿 无功功率的新型电力电子装置得到迅速发展，并开始应用于实际生产中。 在中高电压等级的电能质量综合治理中，要实现大容量的谐波补偿或实 现有源补偿功能的多样性，需要a p f 具有较大的装置容量。如果简单地采用 传统的主电路拓扑，则对所使用的电力电子器件在容量方面有比较高的要求。 由于电力电子器件随着容量的增大其所允许的开关频率却越来越低，而较低 的开关频率又直接影响a p f 的补偿效果，所以在将a p f 用于大容量谐波补偿 时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。 为解决这一矛盾，国内外学者提出了各种性能优越的有源滤波器主电路 拓扑结构。由于电网中的谐波源性质不尽相同，为了更好地达到抑制电网谐 波的效果，对不同的谐波源负载应该采用相应的拓扑结构来充当a p f 的主电 路。在电压等级不是很高的场合，为了提高a p f 的容量，通常采用箝位式多 电平结构。多电平结构缓冲电路等设计复杂，但是由于直流侧可以共用，因 此直流电容容量可以较小。级联式多电平结构，在变频领域应用多，而在a p f 中采用该结构的较少。如清华大学与澳门大学联合研制的三电平三桥臂中分 三相四线制的5 k v ad s u n i c o n a p f “1 。在高电压等级的a p f 中采用级联型变 换器作为主电路比较多，并且有不少相关研究。 电力系统中的无功补偿是多电平变换器应用的另外一个重要领域。在高 压大容量场合下，多电平变换器无功补偿装置与传统使用的补偿装置相比， 在价格、功耗、体积等方面优势更为明显。目前在多电平变换器应用于s t a t c o g 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中以三电平或五电平电压型变换器最受重视，由于采用自关断功率器件的多 电平变换器可以控制无功功率，当产生无功功率时，输出相电压与相电流相 差9 0 0 ，直流侧电容充电和放电能够达到平衡，不存在中点电压平衡的问题。 因此，多电平变换器无功补偿装置正成为无功补偿领域中的一个新亮点。在 国外，西门子公司研制的三电平s t a t c o m 己应用于风力发电”。国内清华大学、 浙江大学等单位都在开展多电平交换器s t a t c 伽的研究。 1 3 多电平变换器的概述及发展方向 p 踟控制是交流调速系统的控制核心，几乎任何控制算法的最终实现都是 以各种p w m 控制方式完成的，多电平变换器也不例外。就多电平变换器的控制 方式而言，研究目标是基于减小谐波畸变、开关损耗和提高暂态响应等。目前 三电平变换器的主要控制方法有阶梯波调制、正弦三角波调制、目标代价函数 最小p w m 、特定谐波消除p 咖法“”、优化开关频率p w m 法”。和电压空间矢量p w m 法等。1 9 9 0 年，g a r r a r a 等人在文献 9 中提出子谐波p 硼( s u b h a r m o n i cp 嘲， s h - p w m ) 方法，该法以其简单性和较好的鲁棒性而得到广泛应用，在n 电平变换 器中，需要n _ 1 个载波，由于载波相位关系的不同又产生各种不同的技术。几 乎同时发展起来的优化开关频率p 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 咖， s f o - p 删) 技术在文献 1 0 中得到了研究，它的基本原理是只用一个载波信号和 三个根据其符号相移而重新排列得到的参考信号，再从参考电压中减去三相参 考电压的最大最小值的瞬态平均值。这种调制法的优点在于不过调制的情况下 有较高的调制系数，且中点电压易于控制，它较s h - p w m 技术有更低的畸变系数。 在2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的基频调制( f u n d a m e n t a lf r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，f f 哪技术较之于前两种p w m 技术又取得了一些进步，随后英国学者 e k a n a y a k e ，j b 于1 9 9 6 年对三电平的f f m 技术和特定谐波消除脉宽调制 ( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nm o d u l a t i o n ，s h e m ) 技术进行了比较，s h 跚 技术使三电平变换器的总谐波含量从f 踟技术的1 6 8 6 降到1 0 4 9 “”s a n d o r h a l a s z 等人研究了三电平变换器的谐波损耗最小化最优p w m ( h a r m o n i c l o s s - m i n i m i z e d o p t i m a lp w m ) 技术，针对低、中、高速区域提出了不同的p w m 方法“”，与优化消谐两电平变换器或m l c 的其它传统p w m 技术相比，该方法能保 哈尔滨工程大学硕士学位论文 证电机谐波损耗的大量减少。这段时间发展起来的谐波消除p w m 、最优p 州及空 同矢量p w m “”等都各有优缺点，其中s v p 踟方法最受重视，它的优点在于： 1 在大范围调制比内有很好的性能； 2 无需存储大量角度数据，易于数字化实现； 3 具有很小的输出谐波含量和较高的电压利用率。 单就对多电平s v p w m 的研究也呈现出百花齐放的趋势，这也从一个侧面反 映了这一技术在多电平变换领域方兴未艾。然而通常的s v p w m 要判断空间矢量 所处的扇区和开关模式，实现起来非常复杂。当然，也有一些学者提出各种 改进，比如，参考文献 1 6 提出，先将空间矢量映射到口一p 坐标系，可省去 一些关于正余弦的计算；参考文献 1 7 提出判断扇区号的简便方法。对于一 个扇区内划分几个区域，也有不同的观点，参考文献 1 8 对7 区、6 区和4 区法 的优缺点进行了比较。为了抑制窄脉冲问题，参考文献 1 9 甚至提出1 4 区的 划分方法。但是，总体上讲，这些方法并未能从根本上摆脱原算法步骤的限 制，要进行大量计算。参考文献 2 0 有了质的飞跃，提出了虚时间的概念， 从而引出s v p v m 快速算法，并讨论了低开关损耗模式和过调制时使运算时间大 大缩短。遗憾的是，该算法只是针对两电平变换器，对于三电平和更高电平 的变换器无能为力。此外，还有为最大限度的逼近圆形磁通，而用几何方法 设计的三段逼近式方法“1 ，为降低开关损耗功率谱密度而将矢量作用顺序随 机化的随机s v p h t m ，此外还有比较判断式方法等等。 采用器件串联的方法，一般是传统的两电平电流型变换器，如a b 公司的 老产品g t o 电流型变换器和新产品对称g c t ( s g c t ) 电流型变换器。逆变单元串 联结构比二极管嵌位多电平变换器电路，多级电平易于实现，首先由美国 r o b i c o n ( 罗宾康) 公司推出产品，基于低压i g b t 的使用经验，i g b t 应用广泛， 价格较低，不同的电压等级产品易于组合，便于生产。浮动电容器多电平交 换器只有欧洲个别厂家应用，如法国某公司采用了g t o 器件研制成功四电平变 换器。二极管嵌位三电平交换器，国外厂家自八十年代以来应用就很广泛， 尤其在交流电力机车牵引领域占主导地位，a b b 公司、西门子公司、三菱公司 等都有三电平变换器产品。三电平变换器输出电压仍不能达到要求时，有时 采用器件串联和多电平电路复合结构，如西门子公司在三电平逆变电路中同 时采用两只i g b t 串联的方法，实现4 1 6 k v 电压输出。矧 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 多电平变换器的优点和现实意义 在低压变频调速完全成熟、并获得广泛应用之后，现在不少厂家对中、 高压电机采用变频调速正在跃跃欲试，犹如十多年前开始推广应用低压变频 调速的情势一样( 在电气传动领域，将2 。3 l o k v 习惯上称作高压，两与电网 电压相比，只能算作中压) 电压型低压变换器，无论哪种产品，它们的主电 路结构形式基本相同，丽中、高压变换器则到目前为止，还没有近乎统一的 拓扑结构。 近年来，由于交换器主回路中开关器件的开关动作，对电机和周边设备 的影响备受关注，多电平变换器的作用引起了人们的重视。多电平变换器具 有它独特的优势4 “”： ( 1 ) 适合高压大容量的场合。它不需要元件串联，无需经过中间环节，输 出电压及功率随着电平数的增加而增加。 ( 2 ) 谐波含量少。对于n 电平的变换器，可产生n 层的阶梯性输出电压，理 论上提高电平数可以使电压波形接近纯正弦波，所以谐波含量很小。 ( 3 ) 开关频率降低。开关器件一次动作的d r d r 只有二电平的l ( n - 1 ) ，所 以电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻。 ( 4 ) 效率高。消除同样的谐波，二电平采用p w m 控制法，开关频率高， 损耗大，而多电平变换器可用较低频率进行开关动作，损耗小，效率高。 ( 5 ) 能减小共模电压，降低电机绕组的电压力。 随着变换器传动应用范围的不断扩大，今后对变换器装置高性能化及节 能等要求会越来越高，多电平变换器在这些方面具有的优越特性，使其应用 前景广阔。所以，多电平变换器引起了各国学者的兴趣，并展开了深入地研 究，研制出了很多系列的变换器。在当前地球能源的日益紧张的大环境下， 变频技术起到了很好的节约能源的作用。目前我国正在大力提倡建设节约型 的社会，所以变频技术将做出巨大的贡献。 1 5 本课题研究的内容 基于高压大容量交流电机变频调速技术在电力拖动等领域中的重大节能 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 效果，以及多电平变换器技术在高压大功率交流电机变频调速中的意义，本 课题选择了多电平变换器应用于永磁同步电机调速系统这一课题来研究。而 为了便于开展原理方面的探究，选择了多电平变换器中最基础的一种拓扑一二 极管箝位式三电平变换器。研究的内容和所做的工作主要有： 1 本文的主要研究目的就是利用三电平变换器实现定子磁场定向的控 制，同时把中性点电压波动抑制在一定范围内； 2 研究基于三电平变换器磁场空间矢量控制技术的基本原理，对三电平 变换器空间矢量控制进行深入分析； 3 提出三电平矢量控帛9 的矢量组合方法，并通过仿真实验证明其可行性； 4 对三电平变换器中存在的中性点电压不平衡问题进行研究，深入分析 造成电压不平街的原因，并在此基础上提出如何抑制电压不平衡的方法； 5 。采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ad s p 芯片作为控割器，设计出基于d s p 芯片的三电平变换器控制系统。 本课题的主要任务就是设计一种用于永磁电机的三电平变换器，文中首 先讲述了多电平变换器的国内外研究和发展状况，研究的目的及意义研究 工作的具体内容和所要达到的目的。其次对三电平变换器主电路结构进行研 究，对不同的主电路拓扑结构进行分析、综合，同时对各电路的工作原理和 特点进行介绍，然后对三电平变换器p w m 控制技术进行研究，分别以载波法 帮空阗矢量法分析了三电平p 嘲控铡技术，并基于s v 册d 调制算法，提出了 一种便于编程的三电平变换器控制算法，用m a t l a b 仿真实现。第三章详细地 研究了三电平变换器s v p 讥! 控制策略，并讨论了各种控制策略原理、三电平 s v p 哪的具体实现步骤、以及各种控制策略在三电平变换器这种具体电路中实 现的一些具体问题( 平衡中点电位问题) 。在第四章分析了p m s m 控制系统，将 变换器和电机合成一个整体进行控制，研究永磁同步电机的各种控制策略。 在第五章中叙述了如何设计基于d s p 芯片的三电平变换器控制系统的组成及 控制系统中软件组成各部分设计及控制流程。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多电平变换器拓扑结构及控制策略 本章首先总结了目前多电平变换器中的拓扑结构，分析和比较各种拓扑 结构的特点；在第二节中详细地介绍多电平变换器中的各种控制策略，分析 和比较各种控制策略的特点；在第三节讨论了二极管箝位型三电平交换器的 数学建模闯题，为下面章节对于该拓扑结构控制策略的研究打下基础。 2 1 多电平变换器拓扑结构 国t n 夕i 学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从 目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有四种：( d - 极管中点箝位 型；飞跨电容型；具有独立直流电源级联型；混合的级联型多电平变 换器。 2 1 1 二级管箝位型多电平变换器 下面首先以常见的二极管箝位型三电平为例，来分析二极管箝位型多电 平变换器的工作原理，这种拓扑的结构简单，应用广泛，控制策略也比较简 单，是分析研究多电平变换器的基础。 1 二极管箝位型三电平变换器结构 在电压型变换器中，最广泛应用的是两电平逆变电路，所谓两电平逆变， 就是通过控制电力电子开关器件的导通和关断，在输出端把中间的直流回路 在正负端电压分别引出。当逆变电路输出电压较高时，开关器件的耐压不够， 这时有两种途径可能获得高的输出电压，其一是将电力电子的开关器件直接 串联，变频部分仍采用两电平拓扑，需要解决器件串联引起的动、静态均压 问题，同时需要加入输出滤波器以降低输出谐波和d u d t ；为避免上述技术 难题，可以采取第二种方式，即对电路拓扑结构进行改造，以使得在当前开 关器件耐压水平下，获得更高水平的电压输出，三电平电路就是最早提出的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一种拓扑，它的一相桥臂电路如图2 i 所示。 图2 1中性点箝位型变换器一相桥臂电路图 如图2 1 所示，每一相都需要4 个主开关器件、4 个续流二极管、两个箝 位二极管，当疋。和只，同时为导通时，输出端a 对0 点的电平为【么2 ；当配： 和& ，同为导遥时，输出端a 和0 点相连，茵此它的电平为o ；当配，和甓。同 为导通时，输出端a 对0 点的电平为一么2 ，所以每相桥臂能输出三个电平 状态，由三相这种桥臂组成的变换电路就叫做二极管籀位型三电平变换器。 一相桥臂电路的稳态工作情况具体叙述如下：开关管，和& ：同时导通时， s 0 和只同时关断，若电流从逆变电路流向负载即从p 点经r h s o 。和：到达 输出端a ，忽略开关器件的正向导通压降，输出端a 的电位等同于p 的电位， 即【丘2 ；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从a 分别经过续流二极管破， 髓流进p 点，这时输出点a 的电位仍等同于p 的电位。 开关管疋：和疋，同时导通时，和甓同时关断，同上分析类似：若电 流从逆变电路流向负载，那从中性点0 点经由箝位二极管皿和开关器件芝：到 达输出端a ，输出端a 的电位等同于0 点的电位，即0 电位 若电流从负载 流向逆变电路，这时电流从a 分别经过和箝位二极管d 6 流进0 点，这时 输出端a 的电位仍等同于0 点的电位。 开关管疋，和。同时导通时，和疋：同时关断，分析如下：若电流从 逆变电路流向负载，即从负电位n 点分别经过续流二极管d 4 、d ，到达输出端 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a ，输出端a 的电位等同于n 的电位，即一c 么2 ；若电流从负载流向逆变电路， 这是电流从a 分别经过主开关管和髭流进n 点，忽略开关器件的正向导 通压降，这时输出端a 的电位仍等用于n 的电位，即一【0 2 。 表2 1 中列出了上面分析的结果，可以看出三种稳态工作模式的开关状 态和输出端电压的对应关系，需要注意的是，主开关管罡。和号。不能同时导 通，且& 和咒，、咒：和疋。的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均 每个主开关管所承受的正向阻断电压为【么2 ，另外，从表中可以看出，每相 桥臂中间的两个i g b t 导通时间最长，导致发热量也多一些，因此系统的散热 设计应以这两个i g b t 为准。 表2 1 二极管箝位型结构i g b t 的开关状态和输出电平的关系( 以a 相为例) 输出电平 墨。 配，咒 po no no f f o f f oo f fo n o no f f no f fo f fo n o n 图2 2 三相三电平二极管箝位式变换器的电路结构 图2 2 就是三相三电平二极管箝位式变换器的电路结构。三电平变换器 的每一相都可以输出三个电平状态，因此可以形成3 3 = 2 7 个电压矢量，在对 其进行研究的时候，可以将这2 7 个矢量分为对称的六个扇区( 在第三节详细 介绍) ，比起两电平的8 个空间矢量来说，矢量的选择范围大，控制电机容易 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获得良好的性能。虽然这种变换器仍存在两个器件的阻态串联耐压问题，但 是由于控制上不存在两个器件同时导通或者同时关断的现象，对器件参数的 要求不是非常严格，系统的安全系数提高了。 在对三相三电平二极管箝位式变换器的电路分析之后，可以概括出三电 平变换器相对于两电平拓扑有以下优点： 1 n p c , 三电平变换器能够很好地解决电力电子开关器件耐压不够高的问 题； 2 三电平变换器输出的负载相电压为9 个电平，相对于两电平拓扑输出 的5 个电平，各级电平的幅值变化降低，低的d u d t 对外围电路的干扰小，对 电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小得多； 3 三电平阶梯波形状更接近正弦波，在同样的开关频率下，谐波比两电 平低很多。 但是这种三电平结构也有它固有的不足： 1 二极管可能需要承受不同的反压； 2 器件所需额定电流不同； 3 电容均压问题。这是制约这种三电平电路应用的最大障碍。引起中点 电压偏移的主要原因有：a t 三倍输出频率的大电流流过中性点；b 器件特性 的分散性；c 与负载性质及开关状态有关的原因( 在下章将详细叙述) 。 2 1 2 飞跨电容型多电平变换器 t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会上首先提出了飞跨电容型的 多电平变换器。图2 3 是飞跨电容型三电平变换器的结构。表2 2 是输出开 关电压和管子对应关系。比较表2 1 和表2 2 可以知，飞跨电容型三电平变 换器的升关组合更具灵活性。对于输出0 时候，飞跨电容型有两种开关组合， 丽二极管箝位的拓扑结构只有一种。而且当负载电流方向确定的时候，两种 不同组合对箝位电容电压的影响刚好相反，这也是许多资料研究箝位电容电 压平衡基本原理。飞跨电容型的拓扑结构也可以拓展到任意电平中，对于一 个n 电平变换器，每相需要2 ( n 一1 ) 个开关，( n - 1 ) 个分压电容，( n - 1 ) ( n 一2 ) 2 个箝位电容。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 飞跨电容型的拓扑结构通过引入悬浮的电容来替换箝位的二极管，但是 电容是一个可靠性差、寿命短的器件，而且体积也很大。在高压场合，电容 的寿命和体积的问题尤其突出，这也是这一结构在实际应用中较少的原因。 这种拓扑结构具有的独特优点：由于存在灵活的开关组合，因此可以利用这 些组合来平衡箝位电容电压平衡问题；可控制有功功率和无功功率。这种拓 扑结构的缺点也是很明显的：首先这种拓扑结构需要大量箝位电解电容，因 此系统的体积大，可靠性差；另外直流电解电容也不便于系统的集成。从以 上可以看出这种拓扑结构的优缺点是很明显的，虽然这一拓扑结构实际应用 的价值不大，但是由于它可以通过开关组合来平衡箝位电容电压问题，因此 研究这一拓扑结构对于我们解决有功调节和交流调速中的回馈能量引起的电 容电压的问题提供一种方法。 o 毒二引 i - 一 j 晤“j 晤“j j ； 图2 3 飞跨电容型三电平变换器的结构 表2 2 开关状态和输出电平对应关系( 以a 相为例) 输出电平 岛，咒2咒，s 。i po n o n o f fo f f o f f o n o f fo n o o no f fo no f f n o f f o f f o n o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 具有独立直流电源的级联型多电平变换器 图2 4 给出了5 电平三相级联变换器。从图上不难看出，这种变换器由6 个单相全桥的电路级联形成。每相有两个单项全桥的变换器构成，因而每相 需要2 个独立的直流电源。 、u 图2 4 五电平三相级联变换器 从图上不难看出，构成这种变换器不需要箝位电容和箝位二极管，因此 它需要的无源器件相对前两种拓扑结构要少，但是这种变换器需要两个独立 的直流电源。这种变换器扩展到m 电平的时候需要6 ( m - 1 ) 个主功率管，6 ( m _ 1 ) 个反并二极管和( m 1 ) z 个独立的直流电源。从上面的分析不难看出这种变换 器的优缺点：直流侧采用相互独立的直流电源，无须均压；具有模块化的 结构特点，设计、制造、安装方便，所基于的低压、小容量变换器技术成熟， 易于控制，系统的可靠性高； 对相同的电平数来说，级联结构所需的元器 件数目最少；由于没有电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较 大，因而可上更高电压，实现更低谐波。级联结构的缺点是需要多个独立的 直流电源，若用交流整流滤波的方法来实现，则变压器结构复杂。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 4 混合级联多电平变换器 当独立的直流电源的电压值相等，由m 个单相全桥逆变单元组成的单相 级联型多电平电路，输出的电平数为2 m + l ，也即上面讲到的具有独立直流电 源的级联型多电平变换器。但是当独立电源的电压分别取e 2 8 ，4 e , 、2 ”e ， 则其输出的电平数大幅度地增加到2 ”+ 2 1 ，这就是混合级联多电平变换器的 思想，从更严格的意义上讲，混合级联多电平转换器不是一种电路拓扑结构， 说是一种构成策略更为合适。由于电压以2 “倍数增加，而器件的耐压有限， 所以改进型级联多电平电路的串联级数不能无限增加，实际系统的级联数目 不会超过3 。文献 2 8 提出将级联多电平变换器中各独立的直流电源的电压值 分别取e ，3 e ，9 e 3 ”e ，则其输出的电平数将大幅度地增加到3 ”1 ；文献e 2 9 提出了将具有任意独立电源电压、任意电平数的多电平单元或两电平单元进 行级联，并提出了实现输出电平数最多、输出谐波最小的设计原则。显然混 合级联多电平变换器是三面三种拓扑结构的重新组合，因此它的优缺点也是 这些基本拓扑结构的组合。 2 2 多电平变换器控制策略 多电平脉宽调制( p 嘲) 控制技术是多电平变换器研究的核心技术。传统 两电平变换器的p 嘲控制方案有许多种，当微处理器应用于p 咖技术实现数 字化后，又不断涌现出新的p 删技术。目前，常用的两电平p 嘲算法有载波 调制法、电压空间矢量调制法、优化目标函数调制法等。 这些p 肼控制思想也可推广到多电平变换器的控制中，但多电平变换器 的p 删控制方法是与其拓扑紧密联系的，不同的拓扑具有不同的特点，其性 能要求亦不同。归纳起来，多电平变换器p 喇技术的主要控制目标为：输 出电压的控制，即变换器输出的脉冲序列在伏秒意义上与参考电压波形等效； 变换器本身运行状态的控制，包括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。 多电平变换器p 州控制方法主要有载波p 嘲方法和空间电压矢量( s v m ) 法这两种方法。与两电平一样，载波调制法和空间矢量调制法也具有内在联 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系和一致性。 2 2 1 多电平载波p 咖技术 多电平变换器载波p w m 控制策略，是两电平载波s p 咖技术在多电平中的直 接推广应用。由于多电平变频器需要多个载波，因此在调制生成多电平p 唧波 时有两类基本方法：首先将多个幅值相同的三角载波叠加，然后与同一个 调制波比较，得到多电平p 州波，即载波层叠法( c a r r i e rd i s p o s i t i o n 。c d ) p w m ，该方法可直接用于二极管箝位型多电平结构控制，对其他类型的多电平 结构也适用；用多个分别移相，幅值相同的三角载波与调制波比较，生成 p w m 波分别控制各组功率单元，然后再叠加，形成多电平p w m 波形，称为载波 移相法( p h a s es h i f tc a r r i e r ，p s d ) p w m ，一般用在h 桥级联型结构和电容箝 位型结构。 同时，多电平载波p w m 方法还需要实现其他的控制目标和性能指标，如中 性点电压的平衡、优化输出谐波、提高电压利用率、开关功率平衡等。解决 途径主要有；在多载波上想办法，即可以改变三角载波之间的相位关系， 如各载波周相位、交替相位、正反相位、以及载波移相；在调制波上加入 相应的零序分量； 对于某些特殊的结构，如h 桥级联型结构、电容箝位型结 构、以及层叠式多单元结构，当桥臂上输出相同的电压时，可以有多种不同 的开关状态组合对应，不同的开关状态组合就可以实现上述目标。 在c dp w m 中，根据三角载波之间的相位关系的排列不同，可有三种载波 层叠p 唧方式：同相层叠方式( p h a s ed i s p o s i t i o n ，p d ) ；正负反相层叠 式( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ，p o d ) ；o 交替反向层叠式( a l t e r n a t i v e p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n ，a p o d ) 。载波移相法p s 和a p o d 非常类似。图 2 5 示出4 种调制方式下五电平载波p w m 仿真波形。仿真参数为：调制波f = 5 0 h z ， 幅值为1 5 2 v ，三角载波f - - 9 0 0 h z ，幅值为l v ，每幅图横坐标为时间( s ) ，纵 坐标上半部分为幅值( v ) ，下半部分为每层对应比较的结果s 。这4 种载波p w m 方法在输出谐波方面有所不同。利用双边傅立叶变换分析。”，可得到这4 种载 波方法的各次谐波的值，从而得出它们在谐波消除方面的优劣。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 同相层叠方式( p d )( b ) 正负反相层叠式( p o d ) ( c ) 交替反向层叠式( a p o d )( d ) 载波移相法( p s ) 图2 5 各种五电平载波调制仿真波形 从图中可以分析得出： 1 p d 方式的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能，a p o d 次之，p o d 效果最差； 2 a p o d 和p s 有相同的谐波性能，前提是在一个基波周期内总的开关次 数相同； 3 在p s 方式下，通过不连续的控制波与移相载波的比较，可得类似p d 方式的谐波性能。 虽然通过一定的方式分解控制波，可在p s 方式下获得类似于p d 方式的谐 波消除效果，但这显然失去t p s 方式的模块化的优点。p s 方式已成为h 桥多电 平电路的标准p 删控制方法，与其它p 删控制方式相比，有以下的优点： 1 在任何调制比m ，即任何频率下保证各单元桥具有相同的输出电压、 功率和开关频率，而其它的载波方式在m 降低时，会出现部分单元桥没有p 删 电压输出，造成单元桥之间的输出功率不一样，输出电压的等效开关频率下 ，培孽 柏葵彬散 a ，坦馨 怕器状呔 ，掣馨 怡葵水索 之趔馨 怕葵水士e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 降，使得输出电压的谐波含量增加； 2 与主电路的模块化结构相一致，p s 载波与p 嘲方式中各单元的载波和 调制比呈现模块化的结构； 3 对于相同的载波频率，p s 方式下输出电压的频率是载波频率的倍 ( 当载波移相等于2 7 r n ，n 为串联单元数) 。 对于无中线三相对称系统，在三相电压中加入3 的倍数次谐波时，不会影 响负载电压波形。基于此，在正弦调制波中加入不同的零序分量可实现载波 调制的优化控制。优化目标包括平衡中点电压、提高电压利用率、降低开关 损耗等。以二极管箝位型结构、电容箝位型结构、以及层叠式多单元结构为 例，因开关特性的非理想性、负载波动以及电容参数的偏差，某一时刻变换 器输出的电流大小和方向会影响与之相关的中性点电压的大小，因此需考虑 中性点电压的乎衡控制问题。这样，在三楣正弦调制波中叠加零序分量，不 影响输出线电压的大小，且可以控制相应电容的充放电状态，实现中性点电 压的平衡控制。 在两电平p 删当中，还有特定谐波优化p w m 、电流滞环p w m 等基于另外一种 思路的优