（电力电子与电力传动专业论文）多重化整流器供电的级联npch桥逆变电路.pdf

学位论文版权使用授权书 illflijirlllfrrl1r f i i l l l f l l f x i f l l i i l l i f f f f ( y 1 , 8 h , , i , 9 , i , i , , 4 , | e a j 5 l l l l lj6j j j j1j j | “ 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。团 学位论文作者签名： 导师躲印知 文，年p 钼吵日 cf 年6 月r 日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其它个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名： 辱孵 日期幽i 年0f 月町日 江苏大学硕士学位论文 摘要 由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备在电力系统、家庭、交通 和工业中应用同益广泛，同时伴随而来的是日益严重的谐波问题。由于传统大功 率电力电子装置体积大、性能差，并且对电网有较大谐波污染等原因，其应用受 到越来越多的限制。为了满足各国制定的谐波标准以及电力发展需要，多重化整 流技术、多电平逆变技术得到了迅速发展，在大功率传动设备中得到越来越广泛 的应用，并且取得了良好的效果。 多重化整流器可以突破整流器的容量限制，同时可以减小网侧电流谐波，解 决整流器的谐波污染问题。本文采用移相多重化整流技术来实现等效4 8 脉波二 极管整流器的拓扑结构。首先，介绍了多重化整流技术，并在此基础上分析了多 重化整流器的谐波消除原理；理论上等效4 8 脉波整流器网侧的最低次谐波为4 7 次，有效消除了整流电路的输入电流谐波，降低网侧电流的总谐波畸变率，减小 了对电网的污染。多重化整流器可以为逆变器提供高质量、波动小直流电源，本 文采用等效4 8 脉波整流器为级联n p c h 桥九电平逆变器提供直流电压；其次， 分析了级联n p c h 桥逆变器的工作原理，在对比几种常见p w m 调制技术的基 础上，研究了p s c op w m 调制技术。p s c op w m 调制技术综合了载波移相 p w m 和载波交叠p w m 调制的优点，利用载波移相技术实现对级联逆变器的控 制，在基于同相层叠p w m 调制方法基础上引入了载波交叠p w m 调制方法的思 想；它可以优化级联n p c h 桥逆变器的输出波形，特别是在低调制度下明显改 善了输出电压的畸变，同时能够保证逆变器在高调制下输出电压的性能。 本文通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对系统进行仿真，并搭建了相关实验样 机。仿真结果表明了本文方案的良好性能，实验结果进一步验证了多脉波整流器 的良好谐波消除特性；通过仿真对比验证了p s c op w m 技术的优越性，在高调 制度下保证了输出波形的质量，同时在低调制度下有效提高了输出电压的总谐波 畸变率。 关键词：多重化整流器，级联，n p c h ，多电平逆变器，谐波 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , av a r i e t y k i n do fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a da l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m s ， h o m e ，t r a n s p o r t a t i o n ，i n d u s t r ya n ds oo n ，h o w e v e ra c c o m p a n i e db y i t sg r e a tb e n e f i t s ， t h eh a r m o n i cp r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s l y b e c a u s eo ft h er e a s o n so f b u l k y , p o o rp e r f o r m a n c e ，g r e a t e rh a r m o n i cp o l l u t i o nt ot h eg r i da n do t h e rr e a s o n s ，t h e a p p l i c a t i o n so ft r a d i t i o n a lh i g hp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e si sg e t t i n gm o r ea n dm o r e l i m i t e d t ol i v eu pt ot h es t r i c th a r m o n i cc a n c e l l a t i o ns t a n d a r d s ，a n dm e tt h en e e do f t h ed e v e l o p m e n to fp o w e r , m u t i p l er e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i - l e v e li n v e r t e r t e c h n o l o g yh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nh i g hp o w e rd r i v ed e v i c e s ，a n da c h i e v e d g o o dr e s u l t s m u t i p u l s er e c t i f i e rc a l l b r e a kt h ec a p a c i t yc o n s t r a i n t so fr e c t i f i e r , i nt h e m e a n w h i l ei ta l s oc a nd e c r e a d et h ec u r r e n th a r m o n i ci nt h el i n es i d e ，a n ds o l v et h e h a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e mo ft h er e c t i f i e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m u l t i p l er e c t i f y i n g t e c h n o l o g yh a sb e e na d o p t e dt oa c h i e v et h ee q u i v a l e n t4 8 一p u l s er e c t i f i e r f i s t l y , w e i n t r o d u c e dt h em u t i p l er e c t i f y i n gt e c h n o l o g y , a n da n a l y z e dt h eh a r m o n i ce l i n i m a t i o n p r i n c i p l eo fm u t i p u l s er e c t i f i e r ；f o rt h ee q u i v a l e n t4 8 一p u l s er e c t i f i e r , t h el o w e s tc u r r e n t h a r m o n i ci nt h el i n es i d ei s4 7 t l l ，i th a se f f e c t i v e l ye l i m i n a t e dt h er e c t i f i e ri n p u tc u r r e n t h a r m o n i c sa n dr e d u c e dt h ec u r r e n tt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o na n dt h ep o l l u t i o nt ot h e g r i d ，m u t i u p l s er e c t i f i e rc a np r o v i d eh i g h - q u a l i t yd cp o w e rs u p p l yf o ri n v e r t e r i n t h i sd i s s e r t a t i o nt h ee q u i v a l e n t4 8 一p u l s er e c t i f i e ri sc h o o s e nt os u p p l yd cv o l t a g ef o r c a s c a d en p c hb r i d g en i n e - l e v e li n v e r t e r ；t h e n ，w ea n a l y z e dt h ew o r kp r i n c i p l eo f c a s c a d en p c hb r i d g en i n e - l e v e li n v e r t e r , b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lp w m m e t h o d s ，w ef o c u s e d o np s c op w mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y p s c op w m m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yu s e dc a r r i e rp h a s es h i f t e dm e t h o dt oc o n t r o lc a s c a d ei n v e r t e r , a n db a s e do nt h e d i s c u s s i o no fi n p h a s ed i s p o s i t i o np w mm e t h o d ，t h ec a r r i e r o v e r l a p p i n gp w m m e t h o dh a sb e e ni n t r o d u c e d ，i tc a no p t i m i z eo u t p u tw a v e f o r r no f t h ec a s c a d ei n v e r t e r , e s p e c i a l l y , i tc a na p p a r e n t l yi m p r o v et h ed i s t o r t i o no ft h eo u t p u t l i n ev o l t a g ew h e nu s e di nl o wm o d u l a t i o nr a t i o ；i nt h em e a n w h i l e ，i tc a ng u a r a n t e e 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 h i g hp e r f o r m a n c eo f r e c t i f i e r so u t p u tv o l t a g ei nh i g hm o d u l a t i o nr a t i o t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss e t u p t h es i m u l a t i o no ft h ew h o l e s y s t e mb y m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，a n dt h er e s u l t sh a v es h o w e nt h a tt h ep r o g r a mu s e d i nt h ep a p e rc a l la c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c e ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa l s op r o v e d t h a tm u l t i p u l s er e c t i f i e rc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ec u r r e n th a r m o n i c ；t h r o u g ht h e c o m p a r i n gs i m u l a t i o nv e r i f i e dt a h t ，p s - c op w mt e c h n o l o g yh a sg o o ds u p e r i o r i t y , i t c a ne n s u r et h eq u a l i t yo ft h e o u t p u tw a v e f o r mi nh i g hm o d u l a t i o nr a t i o ，i nt h e m e a n w h i l ei tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no ft h eo u t p u tv o l t a g e i nl o wm o d u l a t i o nr a t i o k e yw o r d s ：m u t i p l er e c t i f i e r , c a s c a d e ，n p c h ，m u l t i 1 e v e li n v e r t e r , h a r m o n i c i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 多重化整流器的研究现状2 1 2 1 六脉波二极管整流器2 1 2 2 多重化整流器的发展4 1 3 多电平逆变器的研究现状5 1 3 1 多电平逆变器的发展5 1 3 2p w m 控制技术6 1 4 本文的主要研究内容和结构7 第二章移相多重化整流器9 2 1 多重化整流技术9 2 。2 多重化整流器1 1 2 2 1 移相变压器工作原理一l1 2 2 2 移相变压器性能对谐波的影响1 4 2 2 3 多重化整流器电流移相分析15 2 3 等效4 8 脉波二极管整流器17 2 3 1 等效4 8 脉波二极管整流器拓扑结构一1 7 2 3 2 对称及非对称式2 4 脉波整流器性能比较l9 2 3 3 谐波电流分析2 0 2 4 本章小结2 3 第三章级联型n p c h 桥逆变器的研究2 4 3 1 多电平逆变器的常用拓扑结构2 4 3 1 1 多重叠加式多电平逆变器2 4 v 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 钳位式多电平逆变器：一2 6 3 1 3 级联型多电平逆变器2 8 3 2 级联型n p c h 桥逆变器拓扑分析3 0 3 2 1n p c h 桥逆变器的输出电压3l 3 2 2 级联型n p c h 桥逆变器的输出电压3 3 3 3 级联型n p c h 桥逆变器的p w m 调制策略3 4 3 3 1 多电平逆变器的常用p w m 调制技术3 4 3 3 2p s c op w m 调制技术一3 7 3 4 本章小结4 0 第四章仿真与实验结果分析4 1 4 1 等效4 8 脉波整流器仿真和实验分析4 l 4 1 1 仿真研究4 1 4 1 2 实验分析4 6 4 1 3 结论4 9 4 2 级联n p c h 桥九电平逆变器仿真研究f 4 9 4 2 1 仿真模型的建立4 9 4 2 2p s c op w m 调制仿真分析一5 0 4 2 3 结论5 5 4 3 本章小结一5 5 第五章总结与展望5 6 5 1 研究工作总结5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 2 攻读硕士期间发表的论文6 3 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 电力是现代社会生产生活主要和必不可缺的直接能源，电能已经占据了人们 生产和生活中所直接使用能源的核心地位。随着半导体集成技术的发展和半导体 器件加工工艺的不断完善，电力电子技术已经成为现代科学技术的重要组成部 分，从普通家用电器到高压直流输电，无一例外都需要要采用电力电子技术对电 能进行控制和转换。 电力电子装置给我们的生产和生活带来巨大利益和方便，但同时伴随而来的 是潜在的谐波污染问题。传统供电系统被设计成按正弦波形运行，并且以恒定的 工业频率和规定的电压水平向用户供电。但实际情况下电力系统往往无法在这样 的理想情况下运行，特别是电力系统中非线性负载的接入将导致电力系统波形发 生畸变，影响电力系统的安全稳定运行i l 】。谐波问题不仅己经成为电力系统安全 稳定运行的一大威胁，而且大大降低了用电设备的工作性能和安全可靠性。我们 在提高电力电子装置容量的同时，迫切希望同时减小电力电子装置输出的谐波， 减小装置对电网的污染；电力电子装置中低次谐波对接入同一电网的其它电气和 电子设备造成谐波干扰，增加了电网中元件的附加损耗，引起继电保护和自动装 置的误动作，甚至会危险设备及系统的安全造成设备损坏和系统事故，电力电子 装置所产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍1 2 j 。谐波问题 的研究已经成为电力电子领域研究人员的迫切问题，对电力电子装置的谐波治理 已刻不容缓。 多重化技术可以有效地解决中高压传动系统的容量等级、谐波抑制等方面的 制约因素。为了满足严格的谐波标准，采用多重化技术的多脉波整流器正被越来 越多的电力设备生产厂家所采用，将多重化整流器装置应用用大功率传动系统 中，可以有效提高装置的容量，同时具有消除网侧谐波电流的优越性能，而且具 有提高功率因数的优点。 在传统的工业应用场合，两电平逆变器由于具有固有的缺点，女h d u d t 过大， e m i 大，开关频率高，效率低等，因此不适合于中高压大容量的传动系统，多电 江苏大学硕士学位论文 平逆变器具有如控制方式灵活、输出电压相位和幅值便于控制、输出电压谐波含 量低等优点，因此在中高压大功率领域的a c d c 变换、d c d c 变换、和d c a c 变换中得到应用；众所周知，我国能源已经处于十分紧张的情况下，现如今的交 流传统系统能源利用率低，浪费现象十分严重。采用交流电动机的调速技术实现 变速运行，节能效果非常明显。要实现交流电动机的变频调速运行，就必须采用 多电平逆变器；为了满足节能需要而开发大功率多电平逆变器，并由此组成交流 电动机的变频调速装置用于大功率风机、水泵等，将会对我国的工业降低单产能 耗具有重大意义【3 ，4 l ；同时多电平逆变器在直流输电、电能质量综合治理、超导 储能、感应加热、大功率不间断电源等领域以及在清洁能源的利用上也起到了重 要的作用，如风力发电和太阳能发电可以通过高压多电平逆变器入网。总之，在 我国国民经济高速发展的今天，多电平逆变器已经渗透到了各个领域，有着广阔 的应用前景【4 】。 多电平逆变器的实质是开关管和多个直流电源电压按照特定的组合方式形 成的主逆变电路，与传统两电平逆变器相比具有诸多优点： ( 1 ) 可以用低压器件实现高压大功率输出，从而可以降低逆变器造价； ( 2 ) 电平数的增加改善了输出电压波形，减小了输出电压波形总谐波畸变 率( t h d ) ； ( 3 ) 可以在较低的开关频率下获得和高开关频率下两电平变换器相同的输 出电压波形，因而开关损耗小，效率高； ( 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换 器，d u d t 应力大为减少，在高压电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿， 同时改变了装置的电磁干扰特性。 1 2 多重化整流器的研究现状 1 2 1 六脉波二极管整流器 电力电子装置是重要的谐波污染源，而整流装置已经成为最大的谐波源。现 如今广泛使用的工业用逆变器、直流斩波和间接d c d c 变换器这些装置所需的直 流电源主要来自整流电路，广泛使用的各种工业用逆变器一般都是采用二极管或 2 江苏大学硕士学位论文 者晶闸管整流器作为直流电源。 如图1 1 所示为三相桥式二极管整流，我们通常称之为6 脉波二极管整流器， 表1 1 为6 脉波二极管整流器带理想电源的部分电路性质。其直流侧输出电压屹为 6 个波头，每个电压脉冲宽度为m 3 ，可以表示为： 屹= 等啪+ 南c o s 6 耐一志c o s t 2 纠+ 志c 吲8 d 圪为相电压的峰值； j j 乞l d l 么d 3 么 d 5 i a 、 一 b r _ c - 么d 4 么d 6 么d 2 1 0 玛 图1 1 带电阻负载的6 脉波二极管整流器简化电路 表1 16 脉波二极管整流器带理想电源的部分电路性质嘲 电路性质电阻性负载大电感负载 平均负载电流堑矿堑矿 n r ” n r 。” 负载方均根电流 压f 2 万+ 3 压圪 3 , 5 矿 v2 2 n r 万尺7 册 位移因数 1 o1 0 畸变因数 0 9 5 60 9 5 5 功率因数 0 9 5 60 9 5 5 6 脉波二极管整流器网侧电流波形半波对称，所以网侧电流t 不含任何偶次 谐波，并且在三相对称系统中不含有3 的整数倍次谐波。电流主要含有6 k + l ( k 为正整数) 次谐波，其主要谐波为5 次和7 次谐波，且幅值比其他谐波而言要大的 多，6 脉波二极管整流器其网侧电流总谐波畸变率较大。采用电容滤波的6 脉波二 极管整流直流电源装置具有以下缺点： ( 1 ) 单个整流器装置容量小，在中高压大功率系统中应用受到限制； 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 输入功率因数低； ( 3 ) 输入电流产生畸变，谐波含量高；因为畸变使得整流器输入电流增加， 降低了整流器效率，同时造成电网污染，引起电网电压产生畸变； 对于整流器的谐波抑制方法，基本思路有两条：一条是增加谐波补偿装置来 对谐波进行补偿，适用于各种类型的谐波源；第二条是改造电力电子装置，使之 不产生谐波，且功率因数为l 【6 1 。 增加谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器，而采用有源电力滤波 器( a c t i v ep o w e rf i l t e 卜a p f ) 的基本思想在2 0 世纪6 0 年代已经形成l 引，而对于 主要谐波源的大容量整流器，减小谐波的重要方法是采用多重化整流器装置，从 电力电子装置本身着手，即第二条方法抑制谐波的途径。 1 2 2 多重化整流器的发展 a c d c 变换电路俗称整流电路，它是将交流电能变换为直流电能的电路。 整流电路可以直接为电力电子装置提供直流电能，如电解用整流器的发展初期多 采用硅二极管整流器。整流电路也可以作为市电电网与电力电子装置的接口电 路，与控制电路一起为电力电子装置提供高稳定和高精度的稳压电源。直流电源 的应用在如今的电力系统以及工业生产中占据着重要角色，并迅速发展。整流技 术的经由最早的电子管、离子管整流器到早期的不可控二极管6 脉波整流器，已 经发生了很大变革，现如今中小功率整流器已经普遍采用p w m 控制技术。 电力电子器件一直是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的重要支 撑。最早期的不可控整流器利用二极管的单向导电性来完成整流功能，但是电路 简单、可靠性高，但电流谐波含量高，谐波畸变率大，给电网带来了巨大谐波污 染，同时严重影响了电力电子设备本身的性能。因此，其应用受到了极大限制。 8 0 年代初期p m o s f e t 、b j t 、g t o 、i g b t 等各种全控型电力电子器件相继出 现，新的变换器拓扑电路和控制方案层出不穷，对d c d c 变换器、d c a c 变换 器、功率因数校正技术( p f c ) 、软开关技术( s o f t s w i t c h i n g ) 的研究更加广泛和 深入。对中小功率的电力电子整流装置而言，改善谐波的最好方法是采用高频脉 宽p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术【7 j 。但对于大功率装置而言，由于目前 电力电子器件的耐压低、电流容量小，并且大功率电力电子器件开关频率低，要 达到相应电压和容量要求必须采用低压器件的串联叠加来提高电压的承受能力， 4 江苏大学硕士学位论文 但是存在静态均压和动态均压问题。均压将会导致系统的复杂化、效率下降、损 耗增加1 3 1 。因此，p w m 整流器的应用受到很大限制，利用多重化技术的多重化 整流电路是目前大功率整流装置中广泛应用的较好方法。 采用移相多重化技术的整流器改变了整流器的容量限制，显著的提高了装置 的容量，方便了中高压大功率传动系统的实现。同时，多重化整流器具有谐波优 化的优点，通过移相变压网侧谐波电流得以消除，减小了输入电流畸变，解决了 对电网的污染问题。此外，多重化整流器可以为逆变器提供脉动小直流电压，不 需要附加专用滤波器和源功率因数校正电路等优剧6 j 。 目前世界各国的大功率传动设备制造厂商都越来越多的采用多脉波二极管 整流器【8 ，9 】，如1 2 、1 8 、2 4 甚至更多脉波数的二极管整流器。在轧机、直流输电、 中高压变频及牵引供电等变流设备中很多都是采用多脉波整流电路，常用的是 1 2 脉波整流，一些先进的电力电子设备已经采用了2 4 或3 0 脉波数的多脉波整 流器。在很多金属冶炼行业很多采用的1 2 脉波二极管来提供直流电源，a b b 曾 为不少铝厂提供1 2 脉波整流电源。城市轨道交通中，由于需要较大功率整流器 且对电网干扰严重，普遍采用1 2 和2 4 脉波整流器，例如，广东地铁二号线采用 的就是2 4 脉波整流器供电。然而，通过单个移相变压器来实现3 6 脉波、4 8 脉 波或正以上的多脉波整流器并不多见，实际中也未获得应用。这是因为若采用单 台变压器来实现4 8 脉波，那么次级绕组数目将达到8 个，为了保证移相变压器 的移相角度、变压比精度和漏抗的均衡，此时变压器的设计变得相当困难，移相 变压器的生产将会非常复杂，制造成本也会大幅增加【1 0 , 1 1 1 。 1 3 多电平逆变器的研究现状 1 3 1 多电平逆变器的发展 所谓多电平逆变器是指逆变器输出电压的电平数大于或等于三电平的逆变 器；多电平逆变器技术的出发点是通过对主逆变器主电路结构的改变，使所有逆 变开关都工作在基频或者低频状态下，以达到减小开关应力、改善输出电压或电 流波形的目的【”。多电平逆变器主要有两种结构形式：第一种是在传统两电平逆 变器的基础上，将直流电压分成多种直流电压，通过加入钳位电路和开关管的串 江苏大学硕士学位论文 联数，从而获得多电平输出；第二种是利用单相全桥逆变电路，通过级联或者串 联叠加获得多电平输出；级联型多电平逆变器能够采用低压低频器件实现高频大 功率输出，具有诸多优点，例如：易于实现模块化设计、安装；直流侧相互独立， 易于实现均衡；变流单元工作对称，开关负荷均衡等【1 2 1 。 使电压输出电平数等于或大于三电平的逆变器技术，早在1 9 6 2 年就在阿波 罗登月指令舱逆变器中得到了应用；1 9 7 7 年，德囝学者h o l t z 提出了一种三电平 逆变器1 9 8 0 年日本长冈科技大学的n a b a e 等人，提出“二极管钳位( n p c n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ) 三电平逆变器”的概念，19 8 3 年p m b h a g w a t 等人在此基础上将 之扩展到多电平逆变器 1 3 , 1 4 】；1 9 8 8 年，m m a c h e s o n i 等人提出了具有独立直流电 源的级联多电平逆变器；1 9 9 2 年，法国t a m e y n a r d 等学者提出了飞跨电容钳 位式多电平逆变器的概念；2 0 0 0 年f a n g z p e n g 提出了通用式多电平逆变器的主 电路结构：与此同时，m d m a n j r e k a n 等人在同年提出了单相全桥逆变单元( f b i 或h ) 串联式多电平逆变器的思想【1 5 , 1 6 j 。多电平变换器主要有二极管钳位式 ( d i o d ec l a m p e d ) 、飞跨电容式( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 和单元级联式( h - b d i d g e c a s c a d e d ) b 3 】。 多电平逆变器在电力行业中扮演着越来越总要的角色。目前，国外a b b 、 西门子、阿尔斯通等世界知名公司已经开发出了成熟的多电平逆变器产品，大庆 新华电厂采用了美国罗宾公司的“电平高压变频装置，宝钢和太钢曾引进了法 国阿尔斯通的四电平系统，这些方案都取得了良好效果。国内多电平逆变器技术 也得到了显著发展，例如1 9 9 9 年我国第一台工业化s t a t c o m 在河南省洛阳市 朝阳变电站投运，其主电路核心即是采用多重化技术的多电平逆变器，2 0 0 4 年 上海西郊投运的5 0 k v a rs t a t c o m 采用的是级联h 桥多电平逆变器结构。在国 民经济高速发展的今天，多电平逆变器技术已经渗透到了各个领域，有着广阔的 应用前景。 1 3 2p w m 控制技术 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。 通过对脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需的波形( 含波形和幅值) 1 7 l 。 p w m 控制技术已经成为逆变器、变频调速等系统的核心。 德国人a s h n o u n g 和h s t e m m l e r 在1 9 6 4 年把脉宽调制( p w m ) 技术从通 6 江苏大学硕士学位论文 信技术领域引入交流传动系统中，产生了正弦脉宽调制技术，后由英国b r i s t o l 大学的s r b o w e s 于1 9 7 5 年进行推广和使用，使s p w m 技术成为两电平逆变器 的核心控制技术之一【3 】；1 9 9 0 年，g c a r r a r a 等人在文献【l8 】中提出子谐波 ( s u b h a r m o n i cp w m ，s h p w m ) 法，该法以其简单性较好的鲁棒性获得较好应 用；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 c a lp w m ， s f o p w m ) 方法在文献【1 9 】中得到了研究，此方法优点在于较高的调制系数和 良好的中点控制能力；p w m 技术对后来的逆变器的发展起到了极大的促进作用， 经过几十年的不断创新和不断完善的过程已派生出了多种成熟的p w m 技术。 两电平p w m 控制法也可以推广到多电平逆变器的p w m 控制中。多电平逆 变器的p w m 控制法必须和其电路结构密切联系，不同的电路有不同的特点，具 有不同的性质要求，需要结合不同的p w m 控制。多电平逆变器p w m 控制目标 多，性能指标要求也高。但其主要的控制目标有两个：第一为输出电压的控制， 即为变换器输出的脉冲矩形波序列在伏秒意义上与目标参考波形等效；第：二为变 换器本身运行状态的控制，其中包括直流分压电容上的电压平衡控制、输出谐波 的控制、所有功率开关管的输出功率平衡控制、器件的开关损耗控制等f 2 们。常见 的多电平逆变器的p w m 控制中包括：载波移相法、载波层叠法、优化p w m 法、 消除特定谐波p w m 法及空间相量p w m 法等。 本质上，各种类型的p w m 控制方法都是要求控制变频器的各逆变单元的 电力电子开关的开通、关断时间和次序，输出可调宽度的脉冲列来拟合正弦波作 为输出。当然，不同的p w m 控制方法在实现的难易程度，对输出端和电网的 谐波污染，以及系统的稳定可靠运行等着重点不同。由于p w m 技术的应用，相 对于传统装置具有体积小、重量轻、可靠性高等优点，同时由于p w m 控制具有 良好的控制性能，可以较好的把输出电压和电流波形拟合成正弦波，有效的抑制 了谐波【3 2 1 1 。 1 4 本文的主要研究内容和结构 如图1 2 所示总系统结构图，方案原型是由美国的罗宾康公司提的完美无谐 波变频器计划，a c d c 部分采用了移相多重化整流技术来实现多脉波整流器， 本文采用2 个2 4 脉波二极管整流器来实现等效4 8 脉波输出；d c a c 部分采用 7 江苏大学硕士学位论文 了级联多电平逆变器，2 单元n p c h 桥级联实现了逆变器的九电平输出。等效 4 8 脉波整流器为级联n p c h 桥九电平逆变器提供直流侧电压，本方案即实现了 良好的电压输出，同时又保证了输入电流的良好谐波特性。 首先，探讨了多脉波整流器谐波消除原理，通过仿真和实验证实了其良好的 谐波消除的功效。其次，在对级联n p c h 桥逆变器进行相关分析基础上，提出 了载波移相交叠p w m ( p s c op w m ) 调制技术，p s c op w m 方法能够实现 对级联n p c h 桥九电平逆变器的优化控制。最后，通过仿真研究和实验分析验 证了方案的正确性、可行性。 a + b +c 对称式 2 l 脉波 整流器 非埘称 式1 4 脉 渡粒漉器 、f 屯，i 桥逆 堑器 p c ，f 诉逆 ，殳器 对称l = ? l 脉波 靛流器 l 广 | l | 时称式 | l | 二j 1 4 波 | l l 整流嚣 、；p c i 桥逆 也器c 、p c 川 所逆 ，盘器c 2 图1 2 总系统结构图 本文分为五个部分，章节安排如下： 第一章为本文绪论，介绍本文的研究背景和意义，论述多重化整流器和多电 平逆变器的研究现状； 第二章介绍多重化技术和移相变压器的工作原理，并在此基础上分析等效 4 8 脉波整流器的拓扑结构及其优越性，研究其网侧谐波电流消除情况； 第三章介绍电平逆变器的常见结构，分析级联n p c h 桥逆变器的拓扑结构， 结合载波移相p w m 方法和载波交叠p w m 方法，提出本文的p s c op w m 调制 技术，并对其在级联n p c h 桥九电平逆变器中的应用做了深入研究； 第四章为仿真实和结果分析，过仿真和实验数据验证方案正确性、可行性： 第五章为结论与展望，对本问所做的工作进行总结，并对下一阶段工作做出 展望。 圜二囡 江苏大学硕士学位论文 第二章移相多重化整流器 2 1 多重化整流技术 多重化整流电路，即按照一定的规律将两个或者多个相同结构的整流电路 ( 如三相桥) 进行组合，通过对整流电路的移相多重连接，从而得到接近正弦波 的阶梯波，通过提高整流器的脉波数进而达到消除网侧谐波电流的目的1 2 2 1 。 整流电路的多重化连接有并联和串联两种形式，重数越多，波形越接近i 日玄 波，但是电路也越复杂。例如，采用三相变压器使交流线电压相移3 0 0 可以实现 1 2 脉波整流器，将两个移相3 0 0 的三相桥式整流电路并联或者串联起来，输入电 流中的5 次、7 次等次谐波可以相互抵消，使最低次谐波为1 1 次，和6 脉波二极管 整流器相比，1 2 脉波整流器网侧电流的t h d 可大为降低，网侧线电流t h d 可以控 制在1 0 以内；1 2 脉波整流器的线电流t h d 通常不能满足i e e e5 1 9 1 9 9 2 的标准， 此时可以采用1 8 或者2 4 脉波整流器。1 8 脉波时，没有1 8 k + l 以外的谐波存在，当 为2 4 脉波时，没有2 4 k + 1 以外的谐波存在，此时整流器具有更好的谐波性能，2 4 脉波整流器可以是网侧线电流的t h d 控制在3 以内【2 3 j 。 使用多重化整流技术不仅可以电力电子装置的等效脉波数，减小谐波，还可 以使电力电子系统的耐压、流通能力成倍提高。多重化技术就有以下特点：器 件的丌关频率是基波，开关损耗小，但这种频率下器件的通态损耗是主要损耗； 输出功率大，运行效率高；为了减小谐波个装置输入输出波形需要错丌一定 相位，这将影响输出的基波迭加，造成基波损失；变压器直接参与谐波抑制与 谐波消除工作，在多重化整流电路中必须精心设计变压器的变比和链接方式，以 达到消除谐波的目的。 移相多重化整流电路主要有4 种形式：阀侧串联移相多重化；阀侧分离 型移相多重化；网侧移相多重化；复合型多重化f 2 4 j 。 如图2 1 所示，采用阀侧串联移相多重化的1 2 脉波整流器简化结构图。阀侧 移相串联型多重化整流器，就是所有6 脉波整流器在直流侧采用串联方式连接， 其典型应用是为中压传动中仅需要一个直流电源系统供电；如二极管钳位( n p c ) 三电平逆变器以及电容悬浮多电平逆变器 8 , 2 3 】。 9 江苏大学硕士学位论文 = 乞+ 乞 c 懈_ 哪y ( 卜沁叫) 、一y 图2 1 阀侧移相串联型1 2 脉波二极管整流器简化结构图 图2 2 为采用阀侧分离型移相多重化技术的阀侧移相分离型1 2 脉波整流器的 简化结构图。对于阀侧移相分离型多脉波整流器，每一个6 脉波整流器独立，可 以为多个负载单独供电，其典型应用是级联型逆变器，如本文中的级联型多电平 逆变器。 2 乇+ 乞 ( 卜* | hv ) 、-、y 图2 2 阀侧移相分离型1 2 脉波二极管整流器简化结构图 网侧移相多重化电路，即将多个网侧移相整流变压器的网侧串并联连接，统 一由交流电网供电，实现移相多重化整流的技术。复合型移相多重化整流技术即 同时采用网侧移相多重化和阀侧移相重化移相技术。如图2 3 所示，采用网侧移 相多重化技术的并联型1 2 脉波二极管整流器简化结构图。 图2 3 网侧移相并联型1 2 脉波二极管整流器简化结构图 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 多重化整流器 目前，世界各国的大功率传动设备制造商都越来越多的采用多脉波二极管整 流器1 2 3 2 外。常用到的多重化整流器是阀侧串联型多重化整流器和阀侧分离型多重 化整流器，相对于串联型的多脉波二极管整流器，分离型的t h d 稍好一些，主要 是直流负载的连接方式影响从供电电源侧看的等效电感的大小。6 脉波整流器是 多重化整流器的基本组成单元，利用移相多重化技术，7 个6 脉波整流器经由二 次侧依次相差万= 3 6 0 0 6 m 的移相变压器供电，便可以构成一个6 m 脉波整流器。 2 2 1 移相变压器工作原理 利用移相多重化技术的