（电力电子与电力传动专业论文）多电平变换器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 变换器的丌关模式作适当的切换，从而形成p w m 波。 本文建立了三电平变换器三角载波p w m 方法和s v p w m 方法之1 8 】的本 质联系，两者的本质联系体现的也是两类p w m 方法在控制自由度上的相关 性。 直流侧电容电压不平衡问题是多电平变换器中的一个内在问题，会使某 些开关器件因承受过高的电压应力而损坏。 以上的研究为多电平变换器的实用打下了良好的理论基础。最后，本文 以二极管钳位式三电平变换器为主回路，以i g b t 为功率管，以8 7 c 1 9 6 m c 为c p u ，采用s v p w m 控制算法设计了三电平变频器。电力电子系统是一个 以某种控制算法为基础的电子线路，仿真一般包括两个方面：系统级仿真和 电路级仿真。本文利用m a t l a b 平台对其输出波形进行了系统级仿真。 关键词：载波脉宽调制，电压空自j 矢量脉宽调制，多电平变换器 电压空间矢量，变频器 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r st h eu s eo fm u l t i l e v e li n v e r t e rh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d i np o w e re l e c t r o n i c s ，e s p e c i a l l yi nh i g hp o w e rs i t u a t i o n s m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v e m a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e w i t ht r a d i t i o n a l t w o l e v e lc o n v e r t e r s ，s u c ha so u t p u tw a v e f o r mf u r t h e r a p p r o a c h i n gs i n u s o i d ， r e g a r d i n g h a r m o n i c sa n d v o l t a g e a c r o s se a c hs w i t c hi s s m a l l ，b u tw i t ht h e i n c r e a s eo fl e v e la m o u n t s ，h a r d w a r ec i r c u i tw i l lb eh i g h e rd e m a n d e da n dc o n t r o l m e t h o dw i l lb e c o m em o r e i n t r i c a c y s ol o n g a st h e t e c h n i q u ed e m a n d sa r e s a t i s f i e d ，w ed o n fd a n g l ea f t e rt o om a n yl e v e l s 。a tp r e s e n t ，t h r e e l e v e la n d f i v e l e v e li n v e r t e r sa r em o s tw i d e l yu s e da n dt h et e c h n i q u ei sm o s tm a t u r i t y u pt on o w ，t h e r ea r em a i n l yt h r e et o p o l o g i e s 一d i o d e - c l a m p e dm u l t i l e v e l c o n v e r t e r ，f l y i n gc a p a c i t o r m u l t i l e v e lc o n v e r t e ra n dc a s c a d e d m u l t i l e v e l c o n v e r t e r t h ef l y i n gc a p a c i t o ra r el i m i t e di nu s eb e c a u s et h e yn e e dt os e p a r a t e d cs o u r c e ；t h e c o n t r o l l i n g o ft h ec a s c a d e da r e c o m p l i c a t e i nr e a l p o w e r t r a n s m i s s i o n ，s od 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 sc a nb ep o p u l a r l yu s e d t h ec o n c e p to ft h eb a s i cc i r c u i tc e l lo fm u l t i l e v e lc o n v e r t e r si s p r o p o s e db a s e o ft h eb a s i cm u l t i l e v e li n v e r t e r t o p o l o g ys t u d y f r o mi t ，t h e m e t h o dt of o r m m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sb yc o n n e c t i n gc i r c u i tc e l l si ns e r i e so r p a r a l l e li sp r o p o s e d b a s e do ns w i t c h i n gf u n c t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h r e e l e v e lc o n v e r t e r s h a v eb e e na n a l y z e di na b es t a t i o n a r yc o o r d i n a t ea n d d qr o t a t e dc o o r d i n a t eu n d e r r e c t i f i e r ，a c t i v ei n v e r s i o na n dp a s s i v ei n v e r s i o na t a t e s r e s p e c t i v e l y t h i sj o b o f f e r sr e l i a b l eg i s tf o rs y s t e mc o n t r 0 1 t h ec o n t r o lm e t h o di s v e r yi m p o r t a n t i nm u l t i l e v e li n v e r t e r s s t u d y t h e d i s s e r t a t i o nr e s e a r c hf o c u s e so nt h i s q u e s t i o n o n t h ew h o l e ，t h em u l t i l e v e l p w mm e t h o di sd i v i d e di n t oc a r r i e r b a s e dp w mm e t h o da n ds v p w m m e t h o d t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t e d s o m e d o m i n a t i n g c a r r i e r b a s e d p w m t h e ya r e s u b h a r m o n i c sp w m ，t r i a n g u l a rc a r r i e r p h a s es h i f t i n gp w m ，s w i t c h f r e q r e n l y o p t i o n a l p w m t h ed i s s e r t a t i o na l s od e t a i l e d p r e s e n t e d t h eb a s i c p r i n c i p l e 山东大学硕士学位论文 m a k et h et h r e e l e v e li n v e r t e ra sae x a m p l e ，id e d u c et h es v p w m f o r m u l a ，j u d g e r a n g eo f t h eg i v e nv o l t a g e - s p a c ev e c t o r ，s e l e c tr e d u n d a n c yv o l t a g e s p a c ev e c t o r ， c o m p u t e w o r k t i m e0 f t h eve e t o r s t h i sjo b ma k e st h ef o u n d a t i o nf o rs v p w m d i g i t a li m p l e m e n t s v p w m d o n tr e p r e s e n t a t i o na n ya c t u a lp h y s i c sd i m e n s i o n ，i t o n l y i sam a t h e m a t i c s d i s p o s a l f o rc o n v e n i e n c eo fc o n t r o la n d a n a l y z e ， m a t e r i a l l ys p e a k i n g ，s v p w mu s et h r e ep h a s e ss y m m e t r i c a le l e c t r o m o t o rs t a t o r i d e a lc i r c u l a rt r a c ko fm a g n a f l u xa sb e n c h m a r k i nt r a c ep r o c e s s ，i n v e r t e rs w i t c h m o d em a k e p r o p e rs w i t c ha n dt h e ns h a p ep w m w a v e f o r m ， t h ei n h e r e n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec a r r i e r - b a s e dp w m m e t h o da n ds v p w m m e t h o di nt h r e e l e v e li n v e r t e r si se s t a b l i s h e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h i s i n h e r e n tc o r r e l a t i o na l s oe m b o d i e st h es a i dt w op w mm e t h o d sr e l a t i v i t yi n c o n t r o lf r e e d o md e g r e e s d cl i n kv o l t a g eu n b a l a n c ei sa ni n h e r e n tq u e s t i o n ，w h i c hc a nr u i ns w i t c h d e v i c e se n d u r i n gt o oh i g hv o l t a g e t h et h e o r ys e tu pw e l lf o u n d a t i o n f o r a p p l i c a t i o no fm u l t i l e v e l i n v e r t e r s f i n a l l yt h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n st h et h r e e l e v e lt r a n s d u c e r ，w h i c hm a i nl o o pi s t h r e e 1 e v e li n v e r t e r ，p o w e rd e v i c e sa r ei g b t ，c p ui s8 7 c l9 6 m e ，a n dc o n t r o l m e t h o di ss v p w m p o w e re l e c t r o n i c ss y s t e mi s ae l e c t r o nc i r c u i tb a s e do n c e r t a i na r i t h m e t i c i t ss i m u l a t i o nm o d ei n v o l v e ss y s t e ms i m u l a t i o na n dc i r c u i t s i m u l a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nu s em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t et h i ss y s t e m k e y w o r d s ：c a r r i e r b a s e dp w m m u l t i l e v e lj n v e r t e r s v o l t a g e s p a c ev e c t o r s v p w mt r a n s d u c e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 圣玉孙攀。日期：2 立鸱臣) 墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本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和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王瑞垃导师签名：逸苤鱼日期：型竺! 竺 山东大学硕士学位论文 符号说明 s 。，s b ，s c 玎关符号 l ；整流器交流输入侧电感： r ；一一整流器交流输入侧等效电阻； v 。，”b ，v 。一一电网三相电压； i 。，i b ，i 。一三相输入电流： v ( s a , o ) ，v ( s b ，o ) ，v ( s c ，o ) 一一整流器三相交流输入端与直流中点之间电压差： v ( o ，n ) 一一直流侧中点与电网三相电压中点之间的电压差； r d c ，l d c 一一直流侧负载的等效电阻和等效电感值； v c l ，v 。2 一一直流分压电容上的电压； i d 。一一直流侧输出电流： i 。一中点电流： f m 一一正弦波频率 a 。一一正弦波幅值 f c 一三角波频率 a 。一一三角波峰一峰值 m 。一一幅值调制比 m 厂一频率调制比 k 。i 广一等效载波频率 v r 腽一参考电压矢量 v d 。一一直流侧电压 v 山东大学硕士学位论文 1绪论 电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科，其 终极目标是“随心所欲”的使用电能一一高效地提供任意形式和容量的电能。 与之相应的现代电力电子技术，作为一门集电子技术，功率集成，自动控制， 材料科学，计算机控制技术，电磁兼容，传感技术和热工等学科为一体的新 兴交叉学科，在上世纪8 0 年代以后，随着相关学科的迅速发展，取得了长足 的进步。多电平变换器是实现变换器高电压、大容量化的有效途径，多电平 变换器及其p w m 控制是近年来电力电子应用领域的研究热点“。 1 1 多电平变换器技术产生的背景 随着广泛应用于电力、船舶、化工、石油等领域的高压大容量泵类风机 在各种能耗中所占比例同益增大，为了节约能源、提高生产效率、降低生产 成本，采用高压大容量变频器成为人们的首选方案。但仍有一定技术困难阻 碍变频调速技术在高压大容量场合中的应用。主要因素如下：变换器主管耐 压不够高或与电力系统中高压范围不能直接匹配：因主管开关损耗，影响到 变换器开关频率与工作效率，并直接导致输出波形中谐波含量增高，且需要 额外增加附加装置( 滤波器等) ；如何更好地提高连接器耐压水平等都是困扰 人们的问题”。 在传统的两电平变换器的大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能、 昂贵的变压器：为了得到商质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开 关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态 均压电路。因此近年来，多电平变换器在高压、大功率领域得到越来越多的 关注。 1 2 多电平变换器的发展与现状 德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年首次提出三电平变换拓扑，其主电路采用常 规的两电平电路，仅在其每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行钳位。1 9 8 0 年，日本长冈科技大学a n a b a c 等人将辅助开关管换成一对钳位二极管。分 别和上、下桥臂串联的开关管相连以辅助中点钳位，称为二极管中点钳位式 ( n c u t r a lp o i n tc l a m p e d ，n p c ) 三电平变换器。这种变换器控制较容易，主 开关管关断时仅承受直流侧半的电压，因此更适合在大功率场合使用。1 9 8 3 年，b h a g w a t 和s t c f a n o v i c 将这种电路结构由三电平推广到多电平，进一步 山东大学硕士学位论文 奠定了n p c 结构的多电平模式。从此，人们在高压大功率逆变领域的研究 产生了一新的方向，那就是走多电平的道路”。“。 8 0 年代以来，以g t o ，i g b t 为代表的第3 代电力电子器件以及以d s p 为代表的智能控制芯片的迅速普及，为这种新型多f 乜平变换器的实际应用提 供了必要的物质基础。一时问，各种电路拓扑结构及控制方法纷纷被提出和 研究，其中有的已经应用到实际系统当中，应用范围涉及各种高压大功率场 合，从目的所见到的相关报道看，电力系统和高压大电机驱动成为多电平变 换器的主要应用领域”1 。 1 3 多电平变换器研究的重点 多电平变换器逆变电路的核心问题之一是电平钳位( v o l t a g ec l a m p e d ) 。 多电平电路的主要目的就是以尽量多的电平输出来逼进理想的正弦波形，从 而减弱输出波形中的谐波影响。为了逼近正弦波要解决的主要问题是如何准 确的对组成波形的每个电平进行钳位。这里的钳位有两个含义，一是在功率 器件开通时通过辅助器件的钳位作用将电路输出电平稳定在一固定值；二是 在功率器件关断时，通过钳位作用将器件两端承受的电压限定在一定值以内。 这样既可以事先设定电路输出电平的大小，又可以在电路工作过程中避免电 压损坏功率器件。有了稳定的电平钳位结构，就可以以耐压低的功率器件组 成电路的基本单元，并通过适当的拓扑结构组合出满足不同要求的输出波形， 或将其串联后应用到高压场合”。 除了电平钳位问题外，电路单元间的动、静态均压，简化开关控制逻辑， 在相同电平数输出下减少使用的功率器件数，功率能否双向流动等也是多电 平电路必须要考虑的问题。 如何简化控制算法也是多电平变换器研究的一个重点和难点。 如果电平数过多，将会遇到许多困难，如硬件电路过于复杂，为了保持 各个电容器的平衡充电，控制变得困难等。所以，在达到工艺要求的情况下 并不盲目追求过多的电平数。目前以三电平和五电平最受重视。 1 4 本文的主要研究内容和研究成果 1 ) 对多电平的几种基本拓扑结构进行了较为系统的研究。 2 ) 在研究现有多电平变换器拓扑结构的基础上，提出了多电平变换器 基本构成单元的概念，并从这一概念出发，提出了基f 基本构成单元串一并( 并 2 山东大学硕士学位论文 串) 生成多电平变换器拓扑的方法。 3 ) 基于丌关函数，建立了工作于整流，有源逆变，无源逆变三种工况 下三电平变换器三相静止坐标系和两相旋转坐标系的高频数学模型。 4 ) 基于载波的多电平变换器p w m 技术有着多个控制自山度，本文对几 种常见的载波多电平p w m 控制方法进行了讨论。 5 ) 深入分析了多电平变换器s v p w m 技术的基本原理和数字实现方法。 6 ) 在深入分析两大多电平变换器p w m 技术的基础上建立了三电平变换 器三角载波p w m 方法和s v p w m 方法之间的本质联系。 7 ) 电容电压平衡问题是多电平变换器中的一个内在问题，本文对此进 行了研究。 8 ) 三电平变换器是实际应用中最广的一种。本文以二极管钳位式三电 平变换器为主回路设计了变频器，并用m a t l a b 对其输出波形进行了仿真。 山东大学硕士学位论文 2 多电平变换器拓扑结构的研究 多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构 入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变换器的诸多缺点， 它无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，开关器件应力小，系统效 率高等。本章先从最简单的两电平变换器着手，逐渐过渡到多电平变换器。 并选择了有代表性的多电平拓扑结构进行了分析研究。 最话，本章对多电平基本拓扑结构进行了研究，对多电平变换器基本单 元的通用多电平电路拓扑生成方法进行了总结。 2 1 两电平变换器的研究 l l 一 【”上一( 事一嗒带 v d c , r 厂 in 一 i ir 一一 一一 v a l e 2 一件一件一濞 一 l 一l 一l 图2 1三相两电平变换器原理图 图2 1 为三相两电平变换器原理图，图2 2 所示为最简单的两电平变 换器模型。其中同一桥臂的上下两个开关元件是互补动作的，即在任何一个 时刻，它们总是一个断开，一个闭合。 图2 2 两电平变换器模型 三相开关s 。，s b ，s 。各有二值0 ，1 。其中“i ”表示相应支路的上部开 关元件导通输出电压为vd c ，“0 ”表示下部开关元件导通，输出电压为0 。共 山东大学硕士学位论文 有- 8 种离散状态如图2 3 所示”1 。 图2 3 变换器丌关元件及编码 2 2 多电平变换器拓扑结构的主要分类 最简单的多电平变换器为三电平变换器，其他多电平变换器是在三电平 变换器的基础上，按照类似的拓扑结构扩展而成。多电平变换器的思想提出 至今，出现了许多电路拓扑，但归纳起来主要有三种：二极管钳位型( n e u r a l p o i n tc l a m p e d ) 、飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 、以及具有独立直流电压 源的级联型( c a s c a d e d ) 变换器”1 。 2 2 ，1 。二极管钳位式多电平变换器 、对于二极管钳位式多电平变换器的i n 电平电路，需( m 1 ) 个分压电容 串联，每桥臂主丌关器件为2 ( m 1 ) 个，平均每个主开关器件j 下向耐压值为 v d 。( m 1 ) ，每桥臂的钳位二极管数量为2 ( m 一2 ) 个，每2 个串联后分别跨接 在币负半桥臂对应开关器件之间进行钳位“o 。“。下面以二极管钳位式3 电平 变换器为例分析主电路工作原理。以图2 4 所示的一相主电路来分析其工作 原理： ( 1 ) 当主管v t l 、v t 2 、触发导通，电流从f 端p 点流经v t l 、v t 2 、和该 相输出端流向负载，或负载电流经该端反向流过续流二极管v d 2 、v d l 注入 p 点，略去管压降，该相输出端电位等同于p 点电位。 ( 2 ) 当v t 2 、v t 3 、触发导通时，电流从0 点流过钳位二极管s i 、主管v t 2 、， 该相输出端电位等同于0 点电位；或电流流过主管v t 3 、钳位二极管s 2 注入 0 点，该相输出端电位仍等同于0 点电位。 ( 3 ) 当v t 3 、v t 4 触发导通时，电流从n 点流过续流二极管v d 4 、v d 3 ， 该相输出端电位等同于n 点电位；或电流反向流过主管v t ”v t 4 注入n 点， 该相输出端电位仍等同于n 点电位。 毋日翠珊毋曰!毋毋 山东大学硕士学位论文 图2 4 二极管钳位式3 电平变换器的主电路结构 由上面分析可以看出，对主开关器件控制脉冲是有严格要求的，以防止同 一轿臂贯穿短路，即：v t l 与v t 3 ，v t 2 与v t 4 的控制脉冲都要求是互反的， 同时每一对主开关器件要遵循先断后通的原则。并且一相电位在由p 电位跳到 n 电位对，要经过0 电位的过渡。即在控制过程中，每相电位只能向相邻电位 过渡，不允许输出电位的跳变。由上面分析得到开关模式和交流输出端电压的 关系如表1 所示。 由此，结合主电路图2 - 4 也可看出，各个主管在关断时所承受的正向电压值 为中间回路直流电压的二分之一，即v d 。2 。 二极管钳位式多电平变换器的特点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少；( 2 ) 器件在基频以下工 作，开关损耗小，效率高。( 3 ) 可控制无功功率流；( 4 ) 背对背式结构系统控 制简单。 缺点：( 1 ) 需大量锚位二极管；( 2 ) 存在电容电压不平衡问题。 表i二极管钳位式3 电平变换器主管开关状态 输出电压( 相开关状态 对于0 点) v t lv t 2v t 3 v t d l v d c 2 1100 oollo v d 。2 o011 山东大学硕士学位论文 2 2 。2 飞跨电容钳位式多电平变换器 图2 5 是三相飞跨电容式三电平变换器的电路原理图，这种电路是采用飞 跨在串联开关器件之间的串联电容进行钳位的。该电路的电压合成非常灵活， 即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。这种开关组合的可 选择性，为这种电路用于有功功率变换提供了可能性，但同时会带来控制上的 复杂性和器件开关频率高于基频的问题，州。对于m 电平，每相所需开关器件 2 ( m 一1 ) 个，直流分压电容( m 一1 ) 个以及钳位电容( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 个。 表2 是单相电容钳位三电平变换器开关状态，图2 6 是相对于中性点的单相电 容钳位三电平变换器输出电压波形。 飞跨电容多电平变换器的特点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少；( 2 ) 器件在基频下开通 关断，损耗小，效率高；( 3 ) 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输 电；( 4 ) 不同的开关组合，可得到电压平衡。 缺点：( 1 ) 需大量的钳位电容；( 2 ) 用于有功功率传输时，控制复杂，开 关频率高，开关损耗大；( 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 鼍d】 。鼋 “k 图2 5 飞跨电容式三电平变换器 表2单相电容钳位三电乎变换器开关状态 o u t p u ts w i t c hs t a t e v a nv t lv t 2v t 3 ， v t 4 v d c 2 l 10o o0101 0101o v d c ，2 0oi1 山东大学硕士学位论文 七 图2 6 单相电容钳位三电平变换器输出电压波形( 相对于中性点) 2 2 3 级联式多电平变换器 p e n g 等学者在1 9 9 5 年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式变换 器组合而成的新型多电平级联变流器的主电路拓扑结构，并陆续发表了多篇 该方向的文章”3 。 这种电路需要多个独立电源。对这种类型的单相n l 电平电路，需要 ( m 1 ) 2 个独立电源，2 ( m 1 ) 个开关器件。级联式多电平电压型变换器 是将多个两电平电压型变换器串联起来，组成一个功率模块。通过这种串联不 仅可使通过功率器件上的电压应力有显著的减小，而且由于引入了模块化的 概念，器件的维护也变得容易。级联式多电平电压型变换器的拓扑结构是将 进行了相对位移的复合两电平变换器模型连接起来，通过向量合成每个变换 器的输出电压，从而形成输出多电平波形，合成方法分为非直接方法和直接 方法：非直接方法通过一个电磁接口，通常为一个多绕组变压器；直接方法 是采用独立的直流电源( s d c s ) 。 图2 7 为一带独立直流电源的级联变换器，图中的独立直流电源可以 是电池、燃料电池、或太阳能电池。这种拓扑在交流电源与可调速驱动方面 应用比较广泛，其中每个独立直流电源和一个单相的全桥变换器相连，通过 4 个丌关器件v t l v t 4 的开关的组合，每个变换器都可以产生3 个电平的电 压，+ vd c ，一v d 。和0 。v t l 和v t 4 导通时输出+ v d 。，v t 2 和v t 3 导通时输出 一v v t l 和v t 2 导通或v t 3 和v t 4 导通时输出为0 。每个全桥变换器的输 出均串联在一起，从而合成了变换器的输出电压波形。在这个拓扑中，输出 电压的电平数为r n = 2s + 1 ，其中s 为独立直流电源的个数。比如一个七电平 的级联式电压型变换器，需要3 个独立的直流电源和3 个全桥单元，如图2 - 8 ( a ) 所示，并且可以通过控制不同电平变换的导通角来减小输出波形的谐波畸变。 级联式变换器的特点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少；( 2 ) 器件在基频f 丌通关 山东大学硕士学位论文 断损耗小，效率高：( 3 ) 易于封装：( 4 ) 基于低压小容量变换器级联的组成 方式技术成熟，易于模块化：( 5 ) 可采用软丌关技术，以避免笨重、耗能的 组容吸收电路。 缺点：需要多个独立直流电源。 v t ll v t 3 j 。_ 】【”1 _ k 】c d 3 。一 ： v “ 】【。弛 乏 j【v 阱 v n j v d 】 v t 3i 【v d l _ k j【v d 3 _ j i 一 ；i 一 i _ _ _ 。一 _ i “】 【啪 v 辎 】【v d 4 图2 7 单相具有独立直流电源的级联多电平变换器 ( a ) 单相级联式七电平变换器主回路结构 山东大学硕士学位论文 ( b ) 单相缴联式七电平变换器输出电压波形示意图 图2 8 单相级联式七电平变换器 2 3 多电平变换器基本拓扑结构的研究 从多电平变换器的概念被提出之初，研究者们就一直致力于其基本电路 拓扑结构的研究，希望能找到多电平变换器的统一拓扑，从而使多电平变换 器拓扑结构的研究更加系统化。研究者们在做了大量的工作之后发现试图找 到涵盖所有多电平变换器拓扑结构的统一电路拓扑是不切实际的，因而转变 研究思路，提出了基于基本构成单元的多电平变换器拓扑结构形成的新思路 和方法，从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴之 内。根据这一思路，不仅可以得到已有的三种基本多电平变换器拓扑，而且 可以推导得到一系列新的拓扑结构，从而为多电平变换器拓扑结构的研究提 供了一个新的指导原则“。 从电路原理的角度，为得到输出的多电平，至少必须满足以下两个基本条 件。第一、需要基本电平；第二、需要相应的由有源和无源器件组成的基本 单元将基本电平合成，实现多电平输出。对于前者，即基本电平的构成，只 能有以下几种方法实现：l 、直流母线电压进行电容分压：2 、悬浮电容构成 电压源；3 、独立电压源。很显然，这几种方法，已在现有的多电平变换器拓 扑中得到了应用，其中l 对应于二极管钳位型，2 对应于飞跨电容钳位型，3 对应于级联型。对于第二个条件，即能将基本电平合成，实现多电平输出的 电路单元，它的构成应该具备几个基本特性。首先，它必须是可控的，只有 这样才能在适当的时刻被触发导通，按要求合成输出电平，因此它必须包含 有源器件。其次，为了保证单元中能量流动的连续性和能量流动的双向性， 必须有无源器件和对应的有源器件成对出现，它们的导通方向应相反。将基 本电平和电路单元相结合，就可以构成多电平变换器的基本单元，从上述的 基本特性来看，似乎这一基本单元的要求并不高，如图2 1 0 所示的普通两 山东大学硕士学位论文 电平变换器的桥臂就能满足它的要求。但这样得到的基本单元只能实现两电 平的输出，为了得到多电平的输出电压，自然的思路就是将它1 f 串联或并联， 得到如图2 一1 1 和图2 一1 2 所示的单元。对于前者，在两个输出端之间，可 以得到四种电平的输出电压，v l v 2 ，v 1 - v 3 ，v2 一v 3 ，0 。对于后者，实际l 就是一个普通的全桥电路，如果采用单极性调制，在它的输出端，可以得到 三个电平，v 1 一v 2 ，0 ，v 2 一v l 。 图2 一1 0 多电平变换器基本单元图2 一1 1 基本单元的串联 为了得到更多的电平，可以采用以下两种方式进行扩展：第一种方式， 先将多电平变换器基本单元分别串联，得到若干个电平递减的部分，再将这 些部分并联，从而得到如图2 13 所示的多电平变换器拓扑；第二种方式 先将多电平变换器基本单元并联形成多个全桥电路单元，再将这些单元输出 端串联，从而得到如图2 1 4 所示的多电平变换器拓扑。 图2 1 3 给出的拓扑电路有诸多优点，例如：现有的二极管钳位型多电 平变换器，飞跨电容钳位型多电平变换器都可以从中推导得到；在该电路中 去除某些元件可以得到一些新的多电平变换器拓扑，这些新拓扑基本上仍属 于二极管钳位型和飞跨电容钳位型的变形电路：电容电压具有自平衡能力等。 所以这一拓扑被称为“通用的多电平变换器拓扑”，但是这一“通用”拓扑 有很多局限性，无法从中导出已存在的另一类多电平拓扑一一级联型多电平 变换器拓扑。所以将它视为图2 1 0 的多电平变换器基本构成单元的一个典 型拓展似乎更为确切。而图2 1 4 则是基本单元的另一个应用所得到的就 山东大学硕士学位论文 是常见的绒联型多电平变换器拓扑。 多电平变换器基本构成单元思想可进一步拓展，多电平变换器基本单元 可以用三( 或三以上) 电平桥臂构成，分别采用二极管钳位型和电容钳位型 j 三电平变换器桥臂作为基本单元，仍然采用先串后并和先并后串的方法，可 得到多种多电平变换器拓扑。更多的多电平变换器电路拓扑的生成还可以通 过组合两电平桥臂基本构成单元和三电平桥臂基本构成单元得到。多电平变 换器基本构成单元的应用拓展，还可以和所采用的功率器件类型相结合，例 如在以基本单元并一串方式所形成的级联型多电平变换器中不同模块采用不 同耐压和功率等级的功率器件，如i g b t 、g t o 。这样，一方面不同模块可 以根掘所采用器件的不同，每个模块设定不同的开关频率：另一方面，可以 根据器件不同的耐压等级，每个模块采用不同电压的独立电压源，从而可以 充分利用功率器件，并以较少的模块实现较多的电平输出。基于这一思想的 多电平变换器被称为混合型级联多电平变换器。 jj：； 】l l 一测j 【v 一 v 烈 】 = 爿 】k v l j 2 v 1 ) 1 图2 1 2 基本单元的并联 图2 13 基于两电平桥臂和基本单元串一并思想的多电平变换器拓扑 山东大学硕士学位论文 图2 1 4 基于两电平桥臂和基本单元并一串思想的多电平变换器拓扑 山东大学硕士学位论文 3多电平变换器的数学建模 建立研究对象的数学模型，是深入研究和分析对象的工作机理、特性、 以及提高系统控制性能的基础和必要手段。飞跨电容型多电平变换器由于自 身拓扑结构的原因实用性受到一定限制；而级联型多电平变换器由于电路结 构与两电平变换器的相似性，相应的建模问题已经得到深入的研究。所以本 章以最常用的三电平二极管钳位型多电平变换器作为研究对象建立了其工 作在整流状态、有源逆变状态和无源逆变状念下的三相静止坐标系、两相旋 转坐标系下的高频数学模型”。”1 。 基于能量守衡的多电平变换器的低频数学模型，反应的是变换器中各个 物理量，例如输入电压、电流和输出电压、电流等之间的物理关系，本质上 是一种忽略高次谐波的状态平均模型，适于作系统级的分析和设计。而基于 开关函数的多电平变换器高频数学模型，在基本不作简化假设的基础上考虑 了开关过程引入的高次谐波，是对多电平变换器实际的p w m 调制过程的更 为精确的描述。本章对三电平变换器的高频数学模型进行了研究。 3 1整流工作状态下三电平变换器高频数学模型 3 1 1 a b c 三相静止坐标下三电平变换器高频数学模型 图3 1 所示为工作于整流状态下的三电平变换器电路拓扑，其相应的 等效电路如图3 2 所示，定义开关函数如下。 s 。= 3 i a ，b ，c ， ( 3 一1 ) j p ，o ，n l r1 其中s fl lo 如果i 连接到j ( 3 2 ) 其它 为方便分析，将开关函数s l j 分为三类，s a p ，s 。，s 。；s b p ，s b 。，s b 。；s 。p ， s 。，s 。；分别对应a ，b ，c 三相，并且有如下关系成立： s a d + s a o + s a n = l s b o + s b o + s b n 2 1( 3 - 3 ) s c d + s c o + s c n = 1 山东大学硕士学位论文 、二善 “_ ( 1 【 “j j 犁 _ t n 1 、 耳。正 下n 幸i。、 ：。”一rj【本* - rj 【士 “_ _ ( j - j 。 一。0 j “。1 lj “。1 l i f c 2 “一i 3 “_ 1 i 厂- 、电x 肛弋夕 + l0 0l o o oo o o v v 。d 图3 4 三电平变换器整流工作状态下d q 两相旋转坐标系的高频数学模型 3 2 有源逆变工作状态下三电平变换器高频数学模型 3 2 1a b e 三相静止坐标下三电平变换器高频数学模型 在某些应用场合，例如风能发电、高压直流输电以及超导储能的放电过 程等，会用到有源逆变，即将直流电逆变成交流电向电网馈送，由于在向电 网馈电的过程中，同样需要保证交流侧输出电压与电网电压同相位。这一点 与整流工作状态是类似的，但此时有功功率流动的方向与后者相反，且直流 侧在理想情况下为一个恒定的直流电压源，其电路拓扑和等效电路分别如图 3 5 和图3 6 所示。 根据图3 6 的等效电路，采用与上节类似的方法，可以列出交流侧a ， lll卜jiiiu jj铀“。协 ，ijjjjiiijiiiiiiiiit 山东大学硕士学位论文 b ，c 三相的回路电压方程如下： 等= - v 。- r s i 。+ v ( s a , o ) + v ( 。，n ) 等- - - - - - v b - - r s l b + v ( s b ，0 ) + v ( 。，n ) 鲁一v 。一r s i 。+ v ( s 。，o ) + v ( 。n ) ( 3 2 4 ) 上式中，各符号定义同式( 3 4 ) 。同样图3 6 逆变器三相交流输入端电压 与直流侧中点之间的电压差v ( s 。，0 ) ，v ( s b ，0 ) ，v ( s 。，o ) 可由丌关函数表示， ：生 f 簧 l “i瑚 + = c i _ 一 二 = 0 _- lj 意峨叫宰姜i i i 4 轴一( 3 攀妒匹- _ 肇 ： 蛳一rj鲇一r ： lj 憎 驯一 j ”。#2 。毒 = c 2 l i m_ 图3 5工作于有源逆变状态下的三电平变换器电路拓扑 “ 、+ 1 鹾； 鲫 = !a _ ，s _ “ 一 弧 ，一鼬 妯 却 如 、d = + =n _ 也 1 _ l 图3 6 工作于有源逆变状态下的三电平变换器等效电路 与式( 3 5 ) 相同。根据i 。“b + i 。= 0 ，并将式2 5 代入式2 2 4 ，得到v ( o ，n ) 的表达式： v ( o ，n ) = - ( v ( s 。，o ) + v ( s b ，o ) + v ( s 。，o ) ) 3 + ( v 。，v b ，v 。) 3 ( 3 2 5 ) 山东大学硕士学位论文 从而得到， v ( s 。，n ) = ( s 。p 一( s 。+ s 坤+ s 叩) 3 ) v 。，+ ( - s 。+ ( s 。+ s h ，+ s 。) 3 ) v 。： + ( v j + v b + v 。) 3 v ( s b ，n ) = ( s b p ( s ，p + s b p + s 。p ) 3 ) v 。1 + ( - s b 。+ ( s 跏+ s b 。+ s 。) 3 ) v 。! + ( v 。+ v b + v 。) 3 v ( s 。，n ) = ( s 。p ( s 。p + s h p + s 。p ) 3 ) v 。1 + ( - s 。+ ( s ；。+ s b ，+ s 。) 3 ) v 。2 + ( v 。+ v b + v 。) 3 ( 3 2 6 ) 在电网电压平衡的情况下，即v 。+ ”b + v 。= 0 ，所以式( 3 2 6 ) 变为 v ( s 。，n ) = ( s 叩一( s a p + s b p + s 。p ) 3 ) v 。l + ( - s 扑+ ( s 。+ s b 。+ s 。) 3 ) v 。2 v ( s b ，n ) = ( s b p ( s a p + s b p + s c p ) 3 ) v 。l +