（电力电子与电力传动专业论文）电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究.pdf

电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 本文分类研究了电流型多电平变流器的自均流特性。通过建立分流电感电压 的数学表达式，对i 类和i i 类变流器的稳态自均流特性进行了详细的理论分析， 并得出了相对应的结论，为实现均流控制提供了理论基础。本文利用双重傅立叶 变换及其线性性质，在中间电平电流不平衡条件下，对三逻辑载波相移s p w m 以 及多载波垂直分布s p w m 输出波形的谐波特性进行了数学分析，从理论上说明了 由于中间电平电流不平衡而对多电平变流器输出性能所产生的影响。 终合i 类和i i 类变流器的p w m 调制策略，分别提出了相对应的均流控制方 法。对于i 类变流器，本文提出了一种基于直流侧电流反馈的均流方法，弥补了 基于载波旋转方法所存在的动态均流特性差，稳态特性易受负载性质影响等不足。 为解决i i 类变流器的电流不平衡问题，在实现载波相移s p w m 的基础上，提出了 一种基于直流侧电流反馈、利用跨相冗余开关组合自动切换的均流方法。针对该 种均嵛方法在更高电平变流器中不容易实现的问题，提出了一种基于调节脉冲宽 度的均流方法，由于各个模块单元间采用相对独立的均流控制方式，因此不受变 流器输出电平数增加的影响，可扩展应用于更高电平数输出的变流器，实现方法 具有普遍性。 本文根据电流型多电平s p w m 变流器可逆的思想，结合载波相移s p w m 整 流技术和模块并联扩容技术，研究了一种三相电流型多电平p w m 整流器。通过 建立平均等效电路模型对多电平整流器的工作原理进行了分析，为满足电流型 p w m 整流器的控制要求，研究了三逻辑p w m 技术的数字化实现方法，并通过建 立7 电平整流器的实验样机对控制原理和实现方法进行了实验验证。与多脉波电 流型稆控整流器的基本性能进行了对比分析，三相电流型多电平p w m 整流器无 需复杂的网侧移相变压器，在网侧电流谐波特性、功率因数等方面都具有明显的 优势 论文最后对全文工作进行了总结，并对电流型多电平变流器今后的研究方向 进行了展望。 关键司：电流型多电平变流器；超导储能；拓扑：自均流；中间电平；功率因数； p w m 整流器 儿 浙江大学博十学位论文 a b s t r a c t m u l t i l e v e lc o n v e a e r so f f e rb e n e f i t so fi n c r e a s e dp o w e rr a t i n g s ，l o ws w i t c h i n g f r e q u e n c y , r e d u c e do u t p u th a r m o n i c s ，f a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dg o o de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，w h i c hw i l lm a k ei tp o s s i b l et oe n l a r g et h ep o w e rr a t i n ga n d i m p r o v e t h e o u t p u tp e r f o r m a n c es i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e s ( s m e s ) a n dt h es e m i c o n d u c t o r d e v i c e sw i t hh i g hb l o c k i n gv o l t a g e ( s u c ha sm c ta n di g c t ) ，t h ee f f i c i e n c yo ft h e c o n v e n t i o n a lc s i sw i l lb eo v e r c o m ea n dh e n c et h e i ru s ei sb e c o m i n gam o r ea t t r a c t i v e p r o p o s i t i o n ，p a r t i c u l a r l yf o rh i g h e rp o w e ra p p l i c a t i o n s ，t h et o p o l o g yc o n s t r u c t i o n ， p w ms t r a t e g y , s e l fc u r r e n t - b a l a n c i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc u r r e n t - - b a l a n c i n gc o n t r o l m e t h o d so fm u l t i l e v e lc s i sa r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d ，a l s oah i g hp o w e r - f a c t o r t h r e e p h a s em u l t i l e v e lp w m c u r r e n t - s o u r c er e c t i f i e ri sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a f t e rr e a d i n gal o to fr e l e v a n tp u b l i s h e dp a p e r s ，t h et o p o l o g ye v o l u t i o n so f m u l t i l e v e lc s i s t o g e t h e rw i mt h e i ro p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sh a v eb e e nr e v i e w e da n d s u m m a r i z e d t h e n ，t h em o d u l a t i o np e r f o r m a n c e so ft h em u l t i l e v e lp w ms t r a t e g i e si n c o m m o nu s ea n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nm u l t i l e v e lc s i sa r ei n t r o d u c e d b a s e do n r e v i e w i n gt h em o s tr e c e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fc s i si nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n f i e l d s ，t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dr e s e a r c hv a l u ef o rm u l t i l e v e lc s i sa r ed i s c u s s e d s e v e r a lk i n d so fm u l t i l e v e lc s i st o p o l o g i e sa r ec o n s t r u c t e di nt h et h e s i s ，w h i c h p r o v i d e ss t e a d yb a s i sf o rt h ew h o l er e s e a r c hj o b b yu s i n gd u a lt r a n s f o r m ，ak i n do f g e n e r a l i z e ds i n g l e - p h a s e5 - l e v e lc s it o p o l o g yi sd e d u c e d ，w i t hp r o p e rs i m p l i f i c a t i o n ，a s i n g l e - p h a s e6 - s w i t c h5 - l e v e lc s it o p o l o g yi sp r o p o s e d h o w e v e r , h o wt oc o n s t r u c t t h r e e p h a s em u l t i l e v e lc s i st o p o l o g yi s am o r ed i f f i c u l tt o p i cc o m p a r i n gt ob u i l d s i n g l e p h a s em u l t i l e v e lc s i st o p o l o g y i no r d e rt oa p p l yd u a lt h e o r y , t h ei c h n o g r a p h y o ft h et h r e e p h a s em u l t i l e v e lv s it o p o l o g yi so b t a i n e dw i mc o m p l a n a t i o n t h e n t h r e e p h a s e5 - l e v e lc s it o p o l o g yli so b t a i n e db yu s i n gd u a lt r a n s f o r m b ym o d i f y i n g t h ei n p u tp o w e rs u p p l y sc o n n e c t i o nm o d ea n dm a k i n gs o m ef u r t h e ri m p r o v e m e n t s ， t h r e e - p h a s e5 - l e v e lc s it o p o l o g y2i sb u i l tf r o ma c a cm a t r i xc o n v e r t e r a c c o r d i n gt o t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mf o rm u l t i l e v e lc u r r e n ta n dw i t l lt h ei d e ao fc o n n e c t i n gt h e i n d u c t o r si n p a r a l l e l t os h a r et h et o t a ld c - l i n kc u r r e n t ，t h r e e - p h a s e5 - l e v e lc s i t o p o l o g y3i sd e d u c e d t a k i n gt h es i n g l e p h a s e6 - s w i t c h5 - l e v e lc s ia st h eb a s i cc e l l ， t h r e e - p h a s e 5 - l e v e lc s it o p o l o g y4a n dt o p o l o g y5a r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l yb y a p p r o p r i a t ec o m b i n a t i o n s i n 电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 1 kp w mc o n t r o ls t r a t e g i e so fm u l t i l e v e lc s i sa r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h e m u l t i l e v e lp w mt e c h n i q u e sw h i c ho r ec o m m o n l yu s e di nv s i sa r ee x t e n d e da n d a p p l i e dt ot h es i n g l e - p h a s em u l t i l e v e lc s i sa n dt h r e e p h a s ec s i so fc l a s sa ，t h e o u t p u th a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e di nt h e o r y , a n dt h ep e r f o r m a n c ei sa ss a m e a st h a to ft h em u l t i l e v e lv s i s a sf o rt h r e e p h a s ec s i so fc l a s sb ，t h et h r e e - p h a s e m u l t i l e v e lp w mm e t h o di si m p l e m e n t e db ys h i f t i n gt h r e em o d u l a t i o ns i g n a l s1 2 0 d e g r e er e s p e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h es i n g l e - p h a s e6 - s w i t c h5 - l e v e lc s i d u et ot h e c o u p l i n gr e l a t i o na m o n gt h r e ep h a s e s ，3 - l o g i cp w mt e c h n i q u ei sr e s e a r c h e di nt h e t h r e e - p h a s e c s i so fc l a s sc b e c a u s et h e3 - l o g i cc a r r i e rp h a s e - s h i f t e ds p w m t e c h n i q u eh a st h ed i s a d v a n t a g eo ff u n d m e n t a lm a g n i t u d el o s si nt h el i n e a rm o d u l a t i o n r e g i o n , i no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i t yo ft h ed c - l i n kc u r r e n t ，t h eo u t p u th a r m o n i c c h a r a a e r i s t i c so f3 - l o g i cc a r t i e rp h a s e s h i f t e ds p w mm e t h o di nt h eo v e r m o d u l a t i o n r e g i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n i t u d er a t i oa n d f u n d m e n t a lm a g n i t u d e ，h a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fo u t p u tc u r r e n ti so b t a i n e d ，w h i c h w i l lc o n t r i b u t et os e l e c tam o d e r a t em a g n i t u d er a t i oi nt h eo v e r m o d u l a t i o nr e g i o n t h es e l f - c u r r e n tb a l a n c i n gp e r f o r m a n c e so f d i f f e r e n tk i n d so f m u l t i l e v e lc s i sa r e r e s e a r c h e di nt h et h e s i s b ys e t t i n gu pm a t h e m a t i ce x p r e s s i o n so fi n d u c t o rv o l t a g e ，t h e s e l f - c u r r e n t b a l a n c i n gp e r f o r m a n c e so fm u l f i l e v e lc s i s o fc l a s sia n di io r e a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h er e l e v a n tr e s u l t sa r eo b t a i n e d ，w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c b a s i sf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fc u r r e n t b a l a n c i n gc o n t r 0 1 b yu s i n gd o u b l ef o u r i e r t r a n s f o r m ，t h eh a r m o n i cp e r f o r m a n c e so f3 - l o g i cc a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w ma n d m u l t i - c a r r i e rd i s p o s i t i o np w ma r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l yw h e nt h ei n t e r m e d i a t e d c - l i n kc u r r e n ti su n b a l a n c e d a n dt h er e s u l t si u u s t r a t et h a tc u r r e n t u n b a l a n c ew i l l i n f l u n e et h eo u t p u tp e r f o r m a n c e so f t h em u l t i l e v e lc s sw i t hd i f f e r e n tp w m s t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h ep w ms t r a t e g i e so fm u l t i l e v e lc s i so fc l a s sia n d i i t h e c u r r e n t b a l a n c i n gc o n t r o lm e t h o d so f t h e s et w ok i n d so f m u l t i l e v e lc s i sa f ep r o p o s e d f o rt b em u l t i l e v e lc s l so fc l a s si ，埘t l lt h ec a r r i e r - r o t a t i o nc o n t r o lm e t h o d t h e c u r r e n t b a l a n c i n gp e r f o r m a n c ew i l lb ea f f e c t e db yl o a dc h a r a c t e r i s t i c sv a r i a t i o na n d c i r c u i tp a r a m e t e r sa s y m m e t r y , i no r d e rt oo v e r c o m et h e s e d i s a d v a n t a g e s ，an e w c u r r e n t - b a l a n c i n gm e t h o db a s e do nd c l i n kc u r r e n tf e e d b a c ki si n t r o d u c e di nt h et l l e s i s t os o l v et h ec u r r e n t u n b a l a l i c ep r o b l e mf o rt h em u l f i l e v e lc s i so fc l a s si i ，o nt h e b a s i so fc a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e ，ac u r r e n t - b a l a n c i n gm e t h o db a s e do n a u t o m a t i c a l l yc h a n g i n gt h er e d u n d a n ts w i t c h i n gc o m b i n a t i o n si sd e v e l o p e d b e c a u s ei t i sh a r dt ob ei m p l e m e n t e di nh i g ho u t p u t l e v e lc o n v e n e r s ，a n o t h e rc u r r e n t b a l a n c i n g i v 浙江大学博士学位论文 m e m o dw h i c hi sb a s e do nm o d i f y i n gp u l s ew i d t hi sp r e s e n t e di nt h et h e s i s ，b e c a u s et h e c o n t r o lm o d ea td i f f e r e n tm o d u l e si sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t ，t h i sm e t h o dw i l ln o tb e r e s t r i c t e db yt h en u m b e r so fo u p n t - l e v e la n dt h u sc a nb e 印p l i e dt ot h ec o n v e r t e r sw i t h h i g ho u t p u t - l e v e l a c c o r d i n gt ot h er e v e r s i b i l i t yo f m u l t i l e v e ls p w mc s i s ，b yu t i l i z i n gt h ec a r d e r p h a s e s h i f t e ds p w m r e c t i f i c a t i o nt e c h n i q u ea n dm o d u l ep a r a l l e lc o n n e c t i o nt e c h n i q u e ， ak i n do ft h r e e - p h a s em u l t i l e v e lp w mc u r r e n t - s o u r c er e c t i f i e ri sr e s e a r c h e di nt h e t h e s i s t h eo p e r a t i o n a lp r i n 6 # eo f u n i tp o w e r - f a c t o rp w mr e c t i f i c a t i o ni sa n a l y z e db y s e t t i n gu pt h ea v e r a g em o d e lo ft h i sm u l t i l e v e lc u r r e n t s o u r c er e c t i f i e r t oc o n t r o lt h e c u r r e n t s o u r c ep w mr e c t i f i e rp r o p e r l y , as i m p l ed i g i t a li m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o r 3 - l o g i cs p w mi sp r e s e n t e di nt h et h e s i s a ne x p e r i m e n t a lp m t o t y p eo f7 - l e v e lp w m r e c t i f i e rh a sb e e ns e t 叩t ov e r i f yt h ep r o p o s i t i o n c o m p a r i n gw i t ht h em u l t i - p u l s e p h a s e - c o n t r o l l e dr e c t i f i e r , t h et h r e e - p h a s em u l t i l e v e lp w m c u r r e n t s o u r c er e c t i f i e rh a s n ou s ef o rt h ec o m p l i c a t e dp h a s e - s h i f t i n gt r a n s f o r m e r , a n dh a st h ed o m i n a n ta d v a n t a g e i nt h ei n p u th a r m o m cp e r f o r m a n c ea n dt h el i n ep o w e rf a c t o r f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yf o rt h ew h o l ew o r k ，a n dg i v e sa n e x p e c t a t i o nf o rf u t u r es t u d yd i r e c t i o na b o u tm u l t i l e v e lc u r r e n t - s o u r c ei n v e r t e r s k e y w o r d s ： m u l t i l e v e le u r r g n t - s o u r g e i n v e r t e r s ： s m e s ；t o p o l o g y ； s e l f c u r r e n t - b a l a n c i n g ；i n t e r m e d i a t el e v e l ；p o w e rf a c t o r p w mr e c t i f i e r v 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着功率半导体器件工艺水平的不断提高，如m c t 、i g c t 等新型功率器件 1 1 1 1 2 3 4 1 的相继出现，使得越来越多的电力电子装置适用于大功率应用场合成为可 能，同时也对电力电子装置本身的系统性能提出了更高的要求，如在输出高电压 或大电流的同时还要能够保证较低的开关器件应力、快速的动态响应能力、以及 良好的输出谐波性能等等。即便是这样，对于高压、大电流应用场合，传统的两 电平电压型变流器或三电平电流型变流器仍然不能解决功率处理能力与开关频率 之间的矛盾。而多电平变流器技术的出现则可有效解决这两者之间的矛盾，它是 一种通过改进自身拓扑结构来实现大功率输出的变流技术，随着输出电平数的增 加，输出波形更接近正弦、谐波特性好，每个开关器件所承受的电压或电流应力 小。也就是说，采用多电平变流器技术，在较低的开关频率下，既可提高变流器 的功率处理能力，又可获得好的输出谐波特性。 1 1 1 研究背景 电压型变流器作为最常用的一种电力电子拓扑，具有拓扑结构简单、电容器 储能效率高、动态响应速度快、控制简单等优点。为适用于高压大功率应用场合， 近2 0 多年来，电压型多电平变流器已经在拓扑构造、调制方法、均压措施、以及 实际应用方面取得了丰硕的研究成果。而电流型多电平变流器作为多电平变流器 的另外一种拓扑形式，相比于电压型多电平变流器的研究，仍是一个崭新的研究 课题，在研究的深度、广度以及实际应用场合的适应性等方面仍不及电压型多电 平变流器，可能有以下几个主要原因： ( 1 ) 功率主电路和控制电路都相对比较复杂；对于三相电流型变流器，不能 直接采用传统的二逻辑开关调制方案进行调制。 ( 2 ) 除非采用具有足够反向电压阻断能力的半导体器件，否则就要在每个开 关器件上再串联一个二极管以增加开关器件的反向电压承受能力。与电压型交流 器相比，其开关导通损耗几乎增加了一倍。 ( 3 ) 电流型变流器直流侧的储能元件是电感，而电压型变流器则是电容，通 常电感上的能量损耗要比电容大的多，因此电流型变流器的工作效率要低于电压 型变流器。 电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 然而，最近几年，功率半导体开关器件的容量在不断提高、以及电流型变流 器的控制方法也在不断完善，综合以下这几方面原因，电流型变流器本身所存在 的一些缺点有望得到一定的改善。 ( 1 ) 三逻辑p w m 技术已经成为三相电流型变流器一种标准的调制技术，因 此早期所遇到的有关三相电流型变流器开关调制方案实现困难的问题都可以通过 采用三逻辑p w m 技术得以解决。 ( 2 ) 针对g t o 和i g b t 的性能特点，a b b 半导体公司对g t o 的结构设计进 行了重大改进，首先研制出了门极换向晶闸管g c t ，然后将门极驱动电路与g c t 集成在一起，开发出一种新型的功率半导体器件一一集成门极换向晶闸管i g c t 。 它同时具有g t o 的导通特性和i g b t 的开关特性，特点是大电流、高电压、开关 频率高、高可靠性、结构紧凑和低损耗等，性能明显优于当前广泛使用的g t o 和i g b t 等器件。因此，若在电流型交流器中使用这些高性能的半导体器件，将 不再需要串联二极管。 ( 3 ) 随着超导技术 1 0 - 1 8 1 的发展，特别是8 0 年代以来在交流超导线材以及高 温超导技术上的突破，使得超导应用技术取得了长足的进步。因此，若采用超导 体就可以获得体积小、损耗低的电感，电能可以无损耗地直接存储在超导线圈中； 其次超导体不用借助于检测和控制技术就能自动地对短路电流进行限制。 正因为具备以上这些优点，电流型变流器已经越来越引起人们的重视，尤其 是在某些大功率应用场合，可以直接控制输出电流、电路本身限流能力强等特点， 也使其逐渐成为一种非常有竞争性的变流器拓扑。 1 1 2 研究意义 目前，在高功率的应用场合中，如柔性交流输电系统( f a c t s ) 【5 1 和电力能 量储存系统等，通常需要具有高电压、大电流、低输出谐波以及快速动态响应能 力的功率变流器来提供支持。而在传统的三电平电流型变流器中，通常采用功率 半导体器件串联或者并联来提高开关器件的电压容量和电流容量，这就需要采取 复杂的均压或者均流措施来保证串并联连接后各个开关器件的正常工作，同时还 要考虑单个器件的降额使用。此外，由于受开关导通损耗的限制，半导体器件的 开关频率通常都选得比较低，这就导致变流器输出电压或电流的谐波含量相对较 高、动态响应速度慢等问题。为了将谐波含量限制在国际标准之内，通常又需要 增加额外的滤波器，但滤波器的引入反过来又进一步降低了系统的动态响应速度。 因此，通常是采用交流器之间的并联连接而不是半导体器件之间的并联连接作为 大功率应用场合的首选。 相比于变流器并联技术或多重化技术，电压型多电平变流器技术已经体现出 2 浙江大学博士学位论文 了明显的优势，并且已逐渐成为大功率电力电子应用装置的一种发展趋势。基于 这样的研究背景，为了进一步增加电流型变流器装置的功率容量并降低谐波含量， 本文借鉴电压型多电平变流器的拓扑构造思想及其开关调制策略，对电流型多电 平变流器的拓扑构造进行探索、多电平电流的产生机理进行分析，并对其p w m 调制策略以及均流控制方法等相关内容进行研究，将为电流型多电平变流器的研 究工作提供一定的理论基础，同时也将有助于促进电流型多电平变流器在大电流 高功率场合的应用。因此，对电流型多电平变流器的相关技术进行研究将具有一 定的实际意义。 1 2 电流型多电平变流器的研究现状 多电平变流器拓扑按照其直流侧供电电源类型的不同，通常可以分为电压型 多电平变流器和电流型多电平交流器。电压型多电平变流器在文献 2 0 1 2 1 】( 2 4 1 1 2 5 1 1 2 8 1 已有详细的介绍，本节主要针对电流型多电平变流器的研究现状进行介绍。 1 2 1 主电路拓扑发展概况 目前，直接针对电流型多电平变流器拓扑本身而进行的研究工作，远不如电 压型多电平变流器拓扑的研究工作活跃，基本上还是根据多重化或者多个变流器 单元并联连接的思想来实现多电平阶梯波电流的输出。然而，近几年，国内外一 些学者借鉴电压型多电平变流器的拓扑构造思想，在构造电流型多电平变流器拓 扑方面也进行了一些有益的尝试并取得了一定的研究成果。以下将按照单相直接 式、单相组合式、三相直接式和三相组合式这四种分类方式对电流型多电平变流 器的拓扑进行归纳与分析。 1 2 1 1 单相组合式电流型多电平变流器拓扑 图1 1 单相组合式电流型5 电平变流器 电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 文献【48 】介绍了一种单相组合式电流型5 电平变流器拓扑，如图1 1 所示。将 两个具有独立电流源的单相4 开关电流型变流器在交流输出端进行并联连接，从 而构成一种组合式的单相电流型5 电平变流器。 由于每个变流器单元可以输出3 电平电流( + i d 、0 、- l d ) ，叠加后整个变流器 则可以输出5 电平电流，分别为+ 2 1 n 、+ 厶、0 、一，d 、2 k 。该类多电平变流器的主 要优点是各个变流器单元的控制相对独立，可以采用许多优秀的p w m 调制策略， 控制简单。主要缺点在于需要多个独立直流电流源，增加了系统的复杂程度和硬 件成本。 1 2 1 2 单相直接式电流型多电平变流器拓扑 所谓直接式多电平变流器，是相对于组合式多电平变流器而言，其基本思想 是通过合理控制开关器件的导通状态，变流器就可以直接产生不同电平的输出电 流，而不是通过在输出侧进行叠加的方式来获得多电平电流。对于单相直接式电 流型多电平变流器拓扑，目前主要有两种基本类型。 1 单相直接式电流型多电平变流器拓扑1 文献【5 1 】提出了一种单相直接式电流型多电平变流器拓扑，图1 2 所示的是单 相电流型5 电平变流器拓扑，为便于区分，此处称其为拓扑l 。以该5 电平变流 器拓扑1 作为基本单元进行扩展，可以获得更高输出电平的变流器拓扑。图1 2 中，开关器件均由可控开关串联二极管所组成；i 、厶为分流电感，稳态时起恒 流源作用并分别流过1 2 k 电流。与分流电感连接在同一端点的两个开关工作在互 补状态，通过选择适当的导通开关状态组合，变流器拓扑l 就可以输出5 电平电 流，其具体的开关组合方式如表1 1 所示。 4 图1 - 2 单相直接式电流型5 电平变流器拓扑i 根据文献【5 l 】的分析可知，该类单相电流型多电平变流器的主要优点在于电路 浙江大学博士学位论文 结构比较对称，与分流电感连接在同一端点的两个开关工作在互补状态，因此可 以直接采用传统的二逻辑开关调制方案，控制比较简单：另外，各个开关器件的 电流应力比较均衡，流过的电流都为电流源电流的二分之一。主要缺点在于分流 电感电流的均衡控制较难，尤其是在电流开环条件下，若要保证流过每个开关器 件的电流都相等，则对开关器件的要求比较苛刻，如各开关器件的导通内阻必须 尽量相同，分流电感的内阻也要尽可能的小。针对这个问题，本文提出了一种基 于直流侧电流反馈的均流方法，解决了由于电路参数不对称所引起的分流电感电 流不均衡问题，具体的均流控制方法将在第5 章详细讨论。 表1 - l5 电平输出电流与开关状态的对应关系 f s is 2s 3 s d s 5s 6 s s 8 厶 010ll0l0 o1o1o 11o i 2 0101lool lo 0 l 1 0lo ol10lolo 01 0 l o 1o1 ollo0l1o o 0l l0l o0l 1oo10l1o lo 0 l l 0o1 lo10lolo ol l o o 1o1 一加 l001o10l 1o 1o0 1lo lo1o l 0o1 一厶 l o1oolo l 2 单相直接式电流型多电平变流器拓扑2 文献1 4 6 1 1 5 2 1 在文献1 5 1 1 的基础上提出了另外一种单相直接式电流型5 电平变流 器拓扑，称为拓扑2 ，如图1 3 所示。在本文的前期研究工作中，曾通过建立数 学模型对该类单相电流型5 电平交流器的多电平电流产生机理进行了理论分析， 有关具体内容文中将不再展开。该拓扑其主要由直流母线电流分配电路和逆变电 路组成，分流电感工1 和开关岛两组成直流母线电流分配电路，开关& 以及 电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 负载组成逆变电路。假设稳态时，流过分流电感三- 的电流为电流源电流的1 2 ， 则变萱 c 器输出电流与导通开关状态组合之间的对应关系如表1 2 所示。 图l - 3 单相直接式电流型5 电平变流器拓扑2 表1 - 2 单相电流型5 电平变流器拓扑2 的开关组合方式 输出电流i导通开关组合方式 + ，ds i s 4 s 6 s s s ts 4 s s s s + l 2 1 ds t s 4 s 6 s 1 o s 、s 4 s s s l 0 s 2 s 3 s ss 1 岛岛岛& 1 ，2 厶 s 2 s 3 s 6 一i t s 2 s 3 s 6 s g 可以看出，该类电流型多电平变流器拓扑的一个主要特点是：随着输出电平 数的增加，与拓扑l ( 图1 2 ) 所构成的多电平变流器相比，以拓扑2 为基本单元所 构成的多电平变流器可以减少所用开关器件和分流电感的数目。以输出n ( n 三5 ) 电平电流为例，拓扑l 所用开关器件数为2 ( n 1 ) ，分流电感数为( n - 3 ) ；而拓扑2 所用开关器件数为( n + 3 ) ，分流电感数为( n - 3 ) 2 。不足之处在于开关两仅仅 起到改变输出电流方向的作用，其所承受的电流应力与开关岛岛不一致，开关 s 。盂要流过全部电流源电流，而开关岛岛所承受的电流应力仅为电流源电流 的l | | 2 。 1 2 1 3 三相组合式电流型多电平变流器拓扑 三相组合式电流型多电平变流器拓扑的基本构成方式有两种，一种是由三相 电流型3 电平变流器组合而成，另一种则是由单相5 电平或更高电平电流型变流 器组合而成。根据电流源的连接方式，又可细分为独立电流源型( 所有变流器单元 由独立电流源供电) 和共用电流源型( 所有变流器单元共享一个独立电流源1 。 6 浙江大学博士学位论文 图1 - 4 三相组合式电流型5 电平变流器( 独立电流源型) i 。争 7 7 8 7 7 8 1 37 7 8 1 5 - + 0 _ + ，d k m s 1 4 ；s 1 6 s 1 2 l l 。一 一一 一一一 c ic bc 一k ；$ 2 i 聿驼，知 y、，裁，4，。：。，。： 一k 争 争 7 7 8 。1 7 7 8 “3 7 7 嘶 li l 占占争 乞s n 4 名s n 6 名s a , 7 r v v xl 1i 图1 - 5 三相组合式电流型多电平变流器( 共享电流源型) 文献【5 4 1 1 5 5 1 提出了两种三相组合式电流型多电平变流器拓扑，两者的主要区别 在于电流源的连接方式，假如并联连接的变流器单元数为n 个，则整个变流器就 可以输出( 2 n + 1 ) 电平的电流。若采用载波相移s p w m 技术进行调制，该类多电平 变流器可以获得较好的输出电流波形，输出电流谐波含量小、传输频带宽、同时 还具有总的开关损耗少、系统动态响应速度快等特点。图l - 4 中，每个变流器单 7 电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究 元都由独立的电流源供电，称之为独立电流源型，由于无须考虑直流侧的电流均 衡问题，因而控制相对比较简单；但是。随着电流源数目的不断增加，整个系统 也将变得越来越复杂。图1 5 中，所有的变流器单元共用一个独立电流源，称之 为共用电流源型，虽然可以克服在输出更高电平电流时电流源数目增加的问题， 但是随之带来的却是如何维持直流侧电流均衡的问题，即保证流入每个变流器单 元的直流电流都相等。这意味着需要增加额外的电流均衡措施，从而增加了整个 控制系统的复杂程度。 图l _ 6 一种三相分相式电流型5 电平变流器 文献【5 0 1 在图1 3 所示的单相5 电平电流型变流器拓扑基础上，提出了另外一 种三相组合式5 电平变流器，称之为三相分相式电流型5 电平变流器，如图1 - 6