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

浙江大学博士学位论文 摘要 逆变器中的应用，研究了s v p w m 技术在三相组合型5 电平c s i 中应用的一些 基本问题。 关键词：电流型变流器；多电平；电路拓扑：控制技术：超导技术 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es 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 e ( s m e s ) t e c h n o l o g y , s u p e r c o n d u c t i n gi n d u c t o r s c a nb eu s e da sh i g h e r e f f i c i e n c ye n e r g ys t o r a g e e l e m e n t s ，t h em u l t i l e v e lc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r s ( c s i s ) w i l lb ev e r ya t t r a c t i v ei nh i 曲 p o w e ra p p l i c a t i o n sd u e t ot h e i ra d v a n t a g e ss u c ha s c o n t r o l l i n gt h eo u t p u t c u r r e n tm o r e d i r e c t l ya n dc o n v e n i e n t l y , f a s t e rd y n a m i cr e s p o n s e ，e a s yr e g e n e r a t i o nc a p a b i l i t y ，a n d i m p l i c i ts h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t ss o m e n e w t o p o l o g i e sa n d c 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 s ，i n c l u d i n gf o l l o w i n g a s p e c t s 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 s ia n dt h e c o m b i n a t i o n a lm u l t i l e v e lc s ih 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 q r o t a t e dc o o r d i n a t e ，w h i c ha p et h eb a s i so fc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h ea p p l i c a t i o no f t h ed u a l i t y p r i n c i p l ei nd e r i v i n gm u l t i l e v e lc s it o p o l o g l 。e sa r ed i s c u s s e d an e wk i n do f d i r e c tt y p e s i n g l e p h a s em 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 rt o p o l o g y i s p r o p o s e di n t h i sp a p e r t h et o p o l o g yi sm a d eu po fad c - b u sc u r r e n tc h a n g i n g c i r c u i ta n das i n g l e p h a s ei n v e r t e r i n c l u d i n gv e r yf e ws w i t c h i n gv a l v e sa n dc u r r e n t s h a r i n gi n d u c t o r s ，t h es t r u c t u r eo ft h i st y p eo fi n v e r t e ri sv e r ys i m p l e a 5 - l e v e lc s i a n da7 - l e v e lc s iu s i n gt h en e wt o p o l o g ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e s w i t c h i n g s t r a t e g yt h a tc a l le n s u r ee q u a lc u r r e n td i v i s i o na m o n g t h eb r a n c h e si sp r e s e n t e d t h e w a v e f o r l n so f o u t p u tc u r r e n to ft h et w o i n v e r t e r su n d e r c a p a c i t i v el o a da n d i n d u c t i v e 1 0 a da r ep r o v i d e d t h em e t h o do fl o w o r d e rh a r m o n i cr e d u c t i o n b yv a r y i n g t h eo u t p u t l e v e lw i d t h si sp r o p o s e d t h i si n v e r t e ri sv e r i f i e db yt h es i m n i a t l o na n d e x p e r i m e n t m r e s u l t s an e w t y p eo ft h r e e - p h a s ed i r e c tt y p em u l t i l e v e lc s it o p o l o g yi sp r e s e n t e d t h e n e wm u l t i l e v e lc s i s s y n t h e s i z et h es t a i r c a s e c u r r e n tw a v ef r o ms e v e r a ll e v e l so f b a l a n c ei n d u c t o rc u r r e n t s t h es t r u c t u r eo ft h en e wi n v e r t e ri s v e r ys i m p l e t h e c u r r e n tb a l a n c eo fs h a r i n gi n d u c t o r sc a l lb ea c h i e v e dw i t h o u tc l o s e l o o pc o n t r 0 1 a t h r e e - p h a s e 6 - l e v e li n v e r t e ra n da t h r e e - p h a s e 1 2 l e v e li n v e r t e r u s i n g t h en e w t o p o l o g y a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ew a v e f o r m so fo u l p u tc u r r e n ta n d c u r r e n t - s h a r i n g i n d u c t o r sc u r r e n to ft h et w oi n v e r t e r su n d e rc a p a c i t i v el o a da n di n d u c t i v el o a da p r o v i d e d t h ep r o p o s i t i o ni s v e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l m u l t i p l ec s i s ，t h e n e wt o p o l o g i e sh a v e m a n y a d v a n t a g e s an e w t y p e o f s p l i t - c o n t r o lt h r e e - p h a s e 5 - l e v e lc s ii s p r o p o s e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ei n v e r t e ri sd e c o u p l e db yt h en e u t r a ll i n eo ft h el o a d s e a c hp h a s eo f t h ei n v e r t e r o p e r a t e ss e p a r a t e l ys ot h a tm u l t i l e v e lp w mt e c h n i q u ec a n b e a p p l i e d t h e d i 班a lc u r r e n ts o u r c em u l t i c a r r i e rp 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 ) p w ms i g n a l g e n e r a t i n gt e c h n i q u e i sd e v e l o p e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h et h r e e p h a s e5 一l e v e l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t c s iu s i n gt h en e w t o p o l o g y i si n 垃o d u c e d b ya n a l y z i n g o n ep h a s ec e l l a n e x p e n m e a t a lp r o t o t y p eo fa 也f e e p h a s e5 - 1 e v e lc s i h a sb e e nb u i rt op r a c t i s et h e p r o p o s i t i o n i nt h e p a p e r s e v e r np w m t e c h n i q u e sa p p l i c a b l et oc o m b i n a t i o n a lm u l t i l e v e lc s i a r es t u d i e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n c 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 e i si n t r o d u c e d m u l t i c a r r i e r p w mm e t h o di sd i s c u s s e da n da p p l i e dt ot h en e ws i n g l e p h s e5 - l e v e lc s i s o m e b a s i cp o i n t sa b o u ts v p w mm e t h o da p p l i e dt oat h r e e - p h a s ec o m b i n a t i o n a l5 - l e v e l a r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：c u r r e n t s o u r c ei n v e r t e r s ；m u l t i l e v e l ；t o p o l o g i e s ；c o n t r o ls t r a t e g i e s ； s m e st e c h n o l o g y 浙江大学博士学位论文第一章 第一章绪论 电力电子学是- - i 研究电能的控制和变换的交叉边缘学科，其研究的目的是 高效率、高质量地提供所需形式和所需容量的电能。尽管它作为一个专门学科仅 有半个世纪的历史，但由于其对国民经济的发展发挥着越来越重要的作用，得到 国内外的普遍重视，使得相应的现代电力电子技术，无论在功率器件、电路拓扑、 控制策略和装置性能方面都取得了迅猛的进展o ”。特别是在上世纪8 0 年代以 后，随着计算机技术和功率半导体制造技术的发展，开关器件的功率处理能力和 开关速度有了显著提高，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大。为 了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的，越来越多的电气设备对电能的品 质出了新的要求。世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量 的科研成果。 大功率变流装置在国民经济中有着广泛的应用，如大容量变频器、大功率电 力有源滤波器( a p f ) 、静止无功补偿装置( s v c ) 等，而对于大功率变流器场 合，大功率开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在着矛盾，通常功率 越大开关频率越低。由于开关频率的限制难以应用p w m 技术来改善传统大容量 变流器的性能，因此在功率器件未有本质突破的前提下，人们力图通过对大功 率变流器的电路拓扑和控制策略两方面进行研究以提高电力电子变流装置容量 的同时改善其性能。 多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电 磁兼容性好等特点。电压型多电平变流器是当前研究热点，并已经取得丰硕的研 究成果【4 】叫1 1 】，但目前几乎还没有将多电平技术应用到电流型变流器中去的研究 报道。随着科学技术的进步，尤其是高温超导技术突破性的发展并进入实用化， 超导技术解决了电流型变流器中的储能电感储能效率问题，同时电力超导储能系 统中储能线圈具有电流源特性，因此电流型变流器将成为应用最佳选择之一，对 电流型多电平变流器的研究工作具有重要的理论意义和应用前景。本文的研究目 标是从多电平技术的角度来研究电流型逆变器的拓扑及控制策略，以期获得创新 性成果。 本章首先对大功率变流器在电路拓扑、控制策略方面的研究现状进行了综 述，然后对电流型多电平变流器的研究背景及应用前景傲了介绍，最后简述了本 文的研究内容和主要的研究成果。 浙江大学博士学位论文第一章 1 1 大功率变流器研究的发展与现状 大功率变流装置在国民经济中有着广泛的应用，而对于大功率变流器场合， 大功率开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在着矛盾。由于开关频率 的限制难以应用p w m 技术来改善传统大容量变流器的性能，因此在功率器件 未有本质突破的前提下，人们力图通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策略两 方面进行研究以提高电力电子变流装置容量的同时改善其性能。一个好的电路拓 扑再配合优秀的控制策略往往能提高大功率变流器系统的性价比。因此研究大功 率变流器的拓扑结构及控制技术具有理论价值和实用意义。 大功率变流装置应满足功率容量大，运行效率高，输出谐波小，控制性能好 等要求，对此人们进行了大量的探索，在电路拓扑方面提出了各种解决方案，归 纳起来大致分为以下几类。 1 1 1 大功率变流器的拓扑结构 1 1 1 1 普通的交流器 通常也称为两电平变流器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率，一般 依靠开关器件串联以承受高压，将开关器件并联以承受大电流，但由于功率器件 参数的离散性，这将带来静、动态均压和均流等一系列问题，技术上的不确定因 素影响很大，可靠性不高：且由于输出只有两电平，电压波动大，产生较大谐波。 因此这种结构应用范围非常有限。 1 1 1 2 多重化结构n 2 】 早期提高大容量的方法是常采用多重化技术。在电压型变流器中，输出的交 流电压为矩形波，为了减小谐波，常常把几个矩形波输出叠加成正弦波形。对于 l 个三相变流电路，将其输出波形的相位各错开n ( 3 l ) 运行，连同抵消它们之间 相位差的移相变压器，可以构成脉波数为6 l 的变流器系统，其输出波形中包含 6 忌- l 1 ( k 为整数) 次的谐波含量。 多重化系统具有提供大功率输出、运行效率高、可改善单台装置输出谐波等 优点，但同时存在以下不足：控制采用脉幅调制( p a i d ) ，系统动态响应差，必 须使用特殊设计的变压器，这将会使系统成本和损耗大大增加，且由于磁饱和以 及冲击电流等原因增加了控制的难度。 1 1 1 3 多电平变流器 上述传统的变流电路在实现大功率的同时，在性能上并未有太多突破，且以 系统的复杂性和高成本为代价。近年来，多电平( m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 变换器越 2 浙江大学| 尊士学位论文第一章 来越多受到关注。它一般是由几个电平台阶( 典型情况是电容电压) 合成阶梯波以 逼近正弦输出电压。这种变换器的输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件 所承受的电压应力较小，开关损耗小，因而这种变换器已成为研究的热点。常见 的多电平变换器有以下几种。 ( 1 ) 二极管箝位型多电平变流器 1 3 1 “【1 6 】 一个m 电平的二极管箝位型变流器在直流侧由( m 一1 ) 个电容串联产生m 电平 的相电压。图1 1 为一个五电平单相全桥二极管筘位型变流器。直流侧由c l 、 c 2 、c 3 、c 4 四个电容组成，若直流电压为v d c 每个电容上的电压为v d 。，4 。通 过开关器件的不同组合使输出电压产生不同的电平，如表1 1 所示。 表1 1 五电平二极管箝位型变流器的输出与开关状态 输出电压开关状态 ( v 勘s a ls 蛇s 心s 甜s r js r 2s f 3s r 4 v 5 = v a l e 11110000 v 4 = 3 v d c 4 ol1llo00 v ，_ v d c ，2 oo111l00 、f n 0 4 oo01111o v 1 = o 00o0l11l 图1 1 二极管箝位型5 电平变换器拓扑 3 n 浙江大学博士学位论文第一章 二极管筘位型变流器具有如下优点：输出功率大，器件开关频率低，等效 开关频率高，交流侧在级联输出时不需要变压器，动态响应好，传输带宽较宽 等优点同时，二极管箝位型变流器存在以下不足：箝位二极管的耐压要求较高。 每相所需要的二极管数量为( m - 1 ) ( m 2 ) ，二极管的数量与电平数的平方成正比 ( 目前研究中的电平数一般不超过7 ) 。开关器件的导通负荷不一致。在变流器 交换有功功率时，二极管箝位型变流器的直流侧各个电容的充放电时间不 致，使得动态下的均压控制较复杂。 ( 2 ) 电容箝位型多电平变流器哪! 4 】1 1 5 】 电容筘位型变流器每一相有相同的结构。假设每个电容有相同的电压等级， 图1 2 所示为单相五电平电容箝位型变流器。图中所示电容的串联联接表明了箝 位点的电压电平，a 相三个内环电容c 。l 、c 小c a 3 独立于b 相。a 相与b 相都与 直流电容c l c 4 并联。i l l 电平变流器的相电压有i n 电平，线电压有( 2 m 一1 ) 电 平。若电容的电压等级相同，直流侧需要( m 1 ) 个电容。通过开关器件的不同 组合使输出电压产生不同的电平，如表1 2 所示。 电容箝位型变流器具有电平开关方式组成灵活、对开关器件保护能力较强等 优点，r f l 电平的变流器每一相需要( m - d ( m 一2 ) 2 个辅助电容。这样，电容筘位型 变流器可通过适当选取开关组合方式来处理有功功率的流动，但是，开关组合方 式的选择较复杂，而且开关频率较高。和二极管钳位型变流器相类似，电容箝位 图1 2 电容箝位型5 电平变流器 4 浙江大学博士学位论文第一章 型变流器的开关器件的导通时间不同，负荷不一致。需要大量的筘位电容，体积 庞大，可靠性差。存在直流分压电容电压不平衡问题。因此，对电容箝位型变流 器的应用性研究比二极管箝位型多电平变流器要少。 v 日f ls a ls 叠2s 们s a 4 s 1 ，s r 2s a 3s 。4 v | c 111100o0 11 lol0o0 3 v d , j 40l1l0 001 ( 4 ) l0ll0010 11010100 1100l 100 001l0o11 v 水lo10lol0 ( 6 ) 10010 1l0 0l0l0101 0ll01001 1o001110 v o a on0101l1 ( 4 ) oo101011 0l0011o1 0oo001ll1 ( 3 ) 级联型变流器【2 “1 7 1 级联型变流器是近几年才出现的变流器结构。独立直流源的级联型变流器如 图1 3 所示。级联型变流器的每个变流器模块都是普通的单相全桥电路。相电压 的输出是n 个变流器模块输出的叠加，即v 。= v l + v 2 + v n 。目前，级联型变流 图1 3 级联型变流器 5 2 n 浙江大学博士学位论文第一章 器的调制方式为基波频率控制，不同变流器模块采用不同的开关角控制，由于每 个交流模块的输出都是三电平，1 1 1 个变流器模块的级联型变流器的输出为( 2 m 一1 ) 电平。 级联型变流器具有如下特点：与前面两种多电平变流器相比，级联型变流器 所需要的元件数较少，容易实现较高电平。各变流器模块结构相同，装置布局容 易，直流侧均压控制容易。其缺点是采用基波频率控制的级联型变流器通过控制 直流侧的电压调功，系统动态响应较慢，需要独立的直流电源。 1 1 1 4 组合望变流器【1 8 【1 9 】 本文的组合变流器指的是采用载波相移s p w m 技术( 本章后面部分将介绍) 和多重化技术相结合的变流器。该类拓扑具有等效开关频率高、开关损耗小、动 态响应快以及通频带宽等优点，其实质是多重化技术和s p w m 技术的有机结合， 因而便于采用不同的控制策略。电压型组合相移s p w m 交流器的拓扑结构如图 1 4 所示。图中各变流器单元指普通的三相六开关的电压型变流器。在组合变流 ( a ) 串联型结构( b ) 并联型结构 ( c ) 有中线回路的并联型( c ) 混联型结构 图1 4 组合变流器的各种拓扑结构 ， 器中，变压器只起到隔离和模块间联结的作用，所有变压器的交比和联结方式都 是统一的，不需要特殊设计。各变流单元的电路结构和器件的工作负荷一致，各 6 浙江大学博士学位论文第一章 变流器单元的电路结构完全相同，易于模块化实现。该类拓扑的缺点是仍需要工 频变压器，功率器件的电压应力并未得到减少。 1 1 1 5 大功率变流器的应用综述 综上所述，传统大功率变流器由于体积大、性能差以及对电网产生较多谐波， 因此应用领域越来越多地受到限制。多电平变流器具有输出功率大，器件开关 频率低，变流器等效开关频率高，输出谐波小，动态响应快，传输频带宽，电 磁兼容性好等优点而得到人们的普遍关注。目前多电平变流器的应用主要体现在 大功率电机驱动 2 0 1 “【2 2 l 和电力系统中的无功补偿 1 7 1 1 2 3 1 2 4 】两大方面，另外在高压直 流变换、有源电力滤波等领域也有应用。二极管箝位式和电容箝位式由于存在均 压问题，在无功调节中应用较好。而级联型结构由于其独特的结构和显著的优点， 较适合于调速驱动系统。组合相移s p w m 变流器由于能在大功率场合实现 s p w m 技术2 5 】1 2 6 】，可以引入各种先进的控制策略，优化整个系统的性能指标， 可以极大地改善输出波形，减小输出谐波，从而相应减小滤波器的容量，降低成 本，可以满足有源电力滤波、无功补偿以及大电机调速等多种应用场合。 1 1 2 大功率变流器的控制策略 大功率变流器要获得良好的输出性能，不仅要有适当的拓扑结构作为基础， 还要有相应的控制策略作为保障。衡量控制策略的标准有：变流器输出的谐波、 开关器件的开关频率、动态传输特性、传输带宽等。传统的s p w m 方法能够准 确地再现调制波信息，具有优良的传输特性和优化的频谱分布，但它也具有器件 开关频率高，开关损耗大和装置效率低等缺点，不适合特大功率的场合。针对大 功率变流器，尤其是多电平变流器，人们在两电平s p w m 技术的基础上，提出 了许多p w m 方法。常见的控制方法有以下几类：阶梯波脉宽调制、基于载波的 p w m 技术、空间矢量p w m 调制、其他控制方式等。 1 1 2 1 阶梯波脉宽调制咖【1 7 1 1 2 7 1 阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波。输出量多电平台阶的产生，实 际上是对模拟参考输入的的一个薰化逼近过程。该调制方法的优点是控制简单、 工作可靠，对功率器件的开关频率要求低，因而可以使用低开关频率的大功率器 件。该调制方法可以通过一定的优化算法离线计算出特定的开关角来消除指定次 的低阶谐波。主要缺点是动态性能不高，输出量大小的调节依靠直流侧电量或各 阶电平宽度的改变来实现。因此这种调制策略主要应用在一些对控制性能要求不 是太高的场合，如电力系统的无功补偿等。 7 浙江大学博士学位论文 第一童 1 1 2 2 基于载波的p w m 技术 对于多电平逆变器而言，由于其载波或调制波的数量不止一个，而调制波和 载波又有多个控制自由度( 如频率、相位、幅值、形状等等) ，研究者们利用这些 控制控制自由度的不同组合，提出了许多种p w m 控制方法。 ( 1 ) 多电平消谐波p w m 方法( s u b h a r m o n i c s h p w m ) m 2 9 1 3 0 n 电平变流器中，n - 1 个具有相同的频率和相同的幅值的三角载波并排放置， 形成载波组，以载波组的水平中线作为参考零线。在每瞬时，每个载波都与共 同的调制波进行比较，针对每一次比较，根据对应多电平拓扑的工作原理，使得 相应的开关组合导通。根据三角载波的相位，p w m 控制可有如下三种形式。 a 各个三角载波相位致，如图1 5 所示，记为i 型，相应的输出波形见图1 6 。 b 参考零线以上，三角载波相位一致；参考零线以下，三角载波相位与前者 相反，如图1 7 所示，记为型。 c 各个三角载波从上至下依次相反，如图1 8 所示，记为型。 图1 6i 型p w m 调制输出波形 图1 7 型p w m 调制原理图1 8 型p w m 调制原理 多载波p w m 方法的优点是交流器的输出特性良好，单个器件的开关频率低， 等效开关频率较高，具有一定的传输带宽，输入输出成线性关系，但缺点是器件 的导通负荷不一致( 在深调制的情况下更严重) 。这种调制方法主要适用于二极 8 浙江大学博士学位论文第一章 管箝位型多电平逆变器拓扑。 ( 2 ) 载波相移s p w m 方法( c p s - s p w m ) 1 1 8 1 9 】t 2 5 】陶【3 1 】【3 2 j 载波相移s p w m 方法的基本思想是：在多重化为k 的组合装置中使用共同 的调制波( 周期为2 n ) ，将各变流器单元的三角载波( 频率为k ) 的相位相互错 开2 r j ( kk c ) ，利用s p w m 技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结 构产生相移s p w m 波形。图1 9 所示为载波相移s p w m 原理图，其中k = 5 。 载波相移s p w m 技术主要适用于组合变流器或级联型多电平逆变器，它具 有如下特点：相移s p w m 组合变流器各变流器单元的开关频率低，可以采用特 大功率的电力电子器件如g t o 等组成电力变流器装置，等效开关频率高，降低 开关损耗，大大减小所需要的无源滤波装置的尺寸和容量，同时相移s p w m 组 合变流器传输线性好，传输频带宽，容易引入一些优秀的控制方法。 眦、m 刑n r j 图1 9 载波相移s p w m 原理 ( 3 ) 开关频率优化p w m 法( s f o p 、v m ) f 3 3 】湖【瑚 这种调制方法与前面的s h p w m 方法的载波情况相同，只是在正弦调制波中 注入了零序分量。对于三相系统而言，该零序分量是三相正弦波瞬态最大值最小 值的平均值，因此s f o p w m 法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所 得到的波形。该方法的优点是在于在不过调制的情况下，电压利用率可以得到提 高，器件的开关频率可以得到优化。 1 1 2 3 空间矢量p w m 方法( s v p w m ) 幽h 3 9 】 空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制方法是一种比较优秀的控制方法，目前已成为 研究的热点。它是根据变流器空间电压( 电流) 矢量切换来控制变流器的一种较 新颖的控制策略。常规的二电平s v m 技术是针对三相六开关变流器，其开关状 态有8 种不同的组合，根据不同的开关组合方式，生成8 个电压空间矢量，其中 6 个非零矢量，2 个为零矢量；在空闻旋转坐标系下，对于任意时刻的矢量由相 邻扇区的两个非零矢量合成。图l t l o 为两电平电压空间矢量图。 9 浙江大学博士学位论文 第一章 多电平s v p w m 方法是二电平s v p w m 在多电平变流器上的扩展。对于多电 平s v m 技术，其基本原理与二电平s v m 技术相似，只是开关组合的方式随着 电平数的增加而有所增加。图1 1 1 所示为三电平电压空间矢量图。三相三电平 变流器的每一相可以输出正( p ) 、零( z ) 、负( n ) 三种电平，因而共有2 7 种空间矢量，其中2 4 个非零矢量( 有6 种空间矢量位置重合) ，3 个零矢量。从图 1 1 0 与图1 1 l 可以看到，三电平空间电压矢量的模己由两电平的1 个变为三电 平的3 个。与两电平s v p w m 法类似，三电平s v p w m 的在空间旋转坐标系下， 对于任意时刻的矢量由相邻的三个非零矢量合成，在个开关调制周期内对三个 非零矢量与零矢量的作用时间进行优化安排，得到p w m 输出波形。 p 1 1 顼痊 l ! 棚) 貂v 撕i n v , l n l ) o 泓7v v 华5 ( 1 0 1 ) v l ( o o l 滓s d 图1 1 0 两电平电压空间矢量图图1 1 1三电平电压空间矢量图 s v p w m 法具有以下优点：( 1 ) 直流电压的利用率较高。针对两电平、三电 平交流器，相比s p w m 方法，最大幅度调制比可达为1 1 5 ；( 2 ) 与传统的s p w m 方法相比，在相同的波形品质下，s v p w m 法有较低的开关损耗。两电平变流器 采用s v p w m 法开关频率可以降低1 ，3 ；( 3 ) 与s p w m 相比，s v p w m 控制具有 更好的动态性能：( 4 ) 易于数字化实现。由于电平数与电压空间矢量的数目之间 是立方关系，当s v p w m 方法用于5 电平以上场合时存在控制算法过于复杂的 问题，因此目前多电平s v m 技术的研究一般只限于五电平以下。 i i 2 4 其他控翩方式 除此之外，其它的一些调制策略，如滞环电流控制 4 0 1 4 、单周控制1 4 3 、 滑模变结构控制卅等，也可应用于大功率变流器的控制中。采用现代控制理论或 智能控制( 神经网络、模糊控制等) ，以及用“整合”的思想的综合几种控制方 法优点的控制策略，如相移s v m 技术吲、相移开关频率优化s p w m 方法 3 3 1 等， 都将对改善大功率变流器的性能起着重要作用。 l o 浙江大学博士学位论文第一章 1 2 电流型多电平变流器的研究背景 1 2 1 电流型多电平变流器是一个新的研究课题 广义的说，从输出电压波形看，多重化结构、二极管筘位型多电平变流器、 电容筘位型多电平变流器、级联型多电平变流器、相移s p w m 组合变流器等五 种变流器实际上都可看成是多电平变流器，其中多重化结构、级联型和相移p w m 组合型等变流器输出的多电平波形都是由多个单元变流器的输出经过叠加而得 到的，本文中称为组合式多电平交流器，而二极管箝位型和电容箝位型则是出单 个变流器直接获得多电平的输出，因而更具特色，近年来成为人们研究的热点之 一，并且已经取得一系列的成果，本文中称为直接式多电平变流器。 已有的关于多电平变流器的研究工作主要是针对电压型变流器，因为目前大 功率变流器应用是以电压型变流器为主，这不仅是因为通常的电力能源例如发 电机，电网，电池等均属电压源，而且电压型变流器中的储能元件电容器与电 流型变流器中的储能元件电感器相比，储能效率和储能器件的体积，价格都具 有明显的优势。 但随着超导技术的发展和应用4 5 】【5 鄂，这种情况将发生改变。随着科学技术 的进步，尤其是高温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导技术将解决电流 型交流器中的储能电感储能效率问题，同时电力超导储能系统中储能线圈具有电 流源特性，因而c s i 将具有广泛的应用前景 众所周知，电压型变流器和电流型变流器是互为对偶的二种变流器结构，各 具自己的特点，例如，电流型变流器用于电机驱动具有动态响应快，便于实现再 生制动和四象限运行，限流能力强，短路保护可靠性高，能在宽范围内精确控制 转矩和速度等优点。电流型逆变器用来作为感应加热电源时工作更稳定，应用更 加普遍等。 电流型多电平变流器是一个很新的研究课题。尽管国内外学者对于电压型多 电平变流器已经进行了比较系统的研究并获得了较好的成果，而且至今仍是电力 电子领域研究热点之一，但鉴于前面所说的电感储能效率低等原因，电流型变流 器应用范围相对于电压型来说还是要小得多，对其的研究工作也相对较少，对电 流型多电平变流器的研究工作更少，尤其是针对三相直接式电流型多电乎变流器 的研究更是未见报道，因此这是一个新的研究方向，新的研究课题。 1 2 2 电流型多电平变流器的应用前景 近年来国际和国内超导技术都取得了突破性的进展，二十一世纪初超导技 术将获得广泛应用已成为人们的共识。超导储能系统( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i c e n e r g ys t o r a g e 。简称s m e s ) 在电力工业有着广泛的商业应用前j 聂t 4 9 1 州。近年来 国外的研究机构，已经开发出了商用小型s m e s 系统( 储能范围为1 - 6m j ) ，并 浙江大学博士学位论文第一章 在电力、军事领域得到应用。近年来，随着电力工业市场化的潮流和电力电子技 术的发展，s m e s 在电力系统的应用前景非常广阔。 图1 1 2 为s m e s 工作原理示意图。在正常工作情况下，系统交流电流经大 功率整流器转换成直流注入超导线圈以电磁能的形式存储起来( 永久电流开关 s 3 闭合，直流断路器s l 和保护开关s 2 断开) ，当电网系统发生需要信号时，存 贮在s m e s 线圈的能量在极短的时间内经变流器转换成交流电输出以满足系统 的需求( s 1 闭合，s 2 和s 3 断开) ，当s m e s 系统发生故障时，保护电路工作( s 2 闭合，s l 和s 3 断开) 。 图1 1 2s v i e s 系统原理示意 相对于其他储能方式( 如抽水储能、飞轮储能、蓄电池储能等) ，s m e s 具 有如下优点瞄l 】： 1 )转换效率高。大型低温s m e s 装置的充，放电效率为9 0 9 3 。高 温s m e s 的效率可达9 5 以上。 2 )响应速度快。s m e s 的响应速度可以达到毫秒级。 3 )控制方式灵活。s m e s 既可进行有功功率的调节，又可以进行无功功 率的调节，还可进行无功、有功的综合控制。 4 )储能密度高。可传输的平均电流密度比一般线圈高1 2 个数量级， 可以达到很高的储能密度，约为1 0 8 j i m 3 。储存能量可以无损耗长期 保存。 5 )对环境无污染。 大容量s m e s ( 1 g w h 等级) 可以用来平衡电网日高蜂负载和夜低谷负载和 用于电力系统大块能量的管理。中小容量s m e s ( 储能容量小于1 0 m w h ) 可以 用于消除电力系统中低频振荡，用于稳定系统的频率和电压、可以用于电网无功 功率控制，谐波电流补偿和功率因数的调节，提高输电系统的稳定性和功率传输 能力、超导储能可迅速向电网输入或吸收有功功率，是灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 的理想组件，此外，超导储能可以用于太阳能发电，风力发电系统中 用于平衡脉动的输出功率，可以用于补偿高速磁悬浮列车，大型电动机、大型 l f 浙江大学博士学位论文第一章 轧机、电弧炉等波动负载，所有这些超导技术的应用都需要用电力电子变流器实 现超导储能线圈和电网，负载之间的连接。 可控s m e s 的变流装置有电流型和电压型两种主电路拓扑结构。与v s i 相比， c s i 能提供无功功率的能力更强，使s m e s 线圈承受的电压波动更小，交流功率 损失更小，而且在大功率的应用场合更易实现多桥并联。储能线圈具有电流源特 性，采用电流型变流器的s m e s 系统用于电力系统有功电流，无功电流和谐波电 流补偿时，补偿是以连接超导储能线圈的交流器向电网注入有功电流，无功电流 和谐波电流的形式实现的，电力电子交流器等效为可控的电流源。它能根据电力 系统的形势需要( 在电网发电自动控制、电网负荷峰值时间的电能供应以及改善 电力系统稳定性的方面) 发生快速响应以产生或吸收相应的有功功率、无功功率。 以s m e s 线圈为储能元件的c s i 在电力系统中的应用更为合理。因此，多电平 c s i 将具有广泛的应用前景。 综上所述，电流型变流器作为一种变流器的基本结构，与电压型变流器一样 可以用于国民经济各部门尤其是超导技术在电力系统中的应用等方面，电流型 多电平交流器更具优越性。因此，开展对电流型多电平变流器的研究工作具有重 要的学术意义和广泛的商业应用前景。 1 2 3 电流型多电平交流器研究现状 电压型多电平变流器经过多年来的研究和发展，在拓扑结构，调制方式， 谐波特性，控制性能，直流电压平衡等方面取得了丰硕的研究成果，但对电流型 多电平变流器的研究工作相对较少，直接式的( 尤其是三相直接式拓扑) 更是很少 有研究成果报道。 传统的大功率电流型逆变器往往采用多重化技术5 6 】【58 1 ，通过将电流型逆变 器单元的并联连接以获取多电平的电流输出，这不仅需要体积庞大的变压器，而 且不便于运用p w m 技术来改善输出电流波形。从结构上分，电流型多电平变流 器可以分为单相直接型、单相组合型、三相直接型( 本文后面章节将作介绍) 和三 相组合型结构。 1 - 2 。3 1 单相直接型多电平c s l l 5 卿删 图1 1 3 为一种电单相直接型5 电平c s i 拓扑。图中的l 1 、k 为分流电感， 图中所有的开关器件均由可控开关( m 0 s 管或i g b t ) 串联快恢复二极管 组成。若忽略所有的开关器件和均流电感上的内阻，在稳态时两个分流电感将 承担电流源电流的1 2 。通过适当的开关组合，在输出端可以获得+ i 、+ 1 陀、0 、 耽、一i 等5 个电平。该拓扑的工作原理见表1 3 。该拓扑可以拓展到更高电 平( 如7 、9 、1 l ) 的结构。该拓扑的优点是开关器件的工作频率不赢，控制简单， 浙江大学博士学位论文 第一章 图1 1 3 单相直接型5 电平c s i 在开环控制下就能实现均流电感的电流平衡，缺点是所用的开关器件和电感较 多。 表1 3 单相5 电平c s i 的开关组合 输出电平导通的开关组合 is 2s 4s 5s 7 s 2s 4 s 6s 7 抛 s 2s 4s 5s 8 s ls 4s 5s 7 s 2s 3s 5 s 7 s 2s 4s 6s 8 s 2s 3s 6s 7 0 s 2s 3 s 5s 8 s ls 4s 6 s 7 s ls 4s 5s 8 s ls 3s 5 s 7 s 2s 3s 6s 8 i ，2 s 1s 4s 6s 8 s 1s 3s 6 s 7 s 1s 3s 5s 8 is is 3s 6 s 8 1 2 3 2 单相组合型多电平c s i 【1 2 1 图1 1 4 为单相组合型5 电平c s i 拓扑。该拓扑由两个单相c s i 单元组合而 成。若每个c s i 单元输出3 个电平( + i 、0 、- i ) ，则组合逆变器输出5 个电平( + 2 i 、 + i 、0 、一i 、一2 i ) 。每个单元的控制相对独立，便于采用许多优秀的控制方法， 缺点是需要较多的独立电流源，单相组合型5 电平c s i 的直流侧也可以采用公 共电流源结构。 1 4 浙江大学博士学位论文第一章 图1 1 4 单相组合型5 电平c s i 1 2 3 3三相组合型多电平c s l l l 8 i 【1 9 1 1 2 6 1 1 6 1 i 图1 1 5 为三相电流型组合式多电平逆变器拓扑。电流源变流器的n 个模块 在交流侧并联，每个基本模块都包含一个电流源和一个三榴桥变换器。整个逆变 器可以获得三相2 n + 1 个电流电平的输出波形。