（电力电子与电力传动专业论文）级联型多电平逆变器的新型拓扑结构与控制方法研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i l e v e lp o w e rc o n v e r s i o nh a st h ea b i l i t yt om a k el o w e rv o l t a g es e m i c o n d u c t o r sb e s t a b l yu s e dt om e d i u m v o l t a g ea n dl a r g e - c a p a c i t ya p p l i c a t i o n sw h i l er e d u c i n gt h eh i g ho r d e r h a r m o n i c sp r o d u c e db yp w mc o n t r o le f f i c i e n t l y b u ti t s t o p o l o g ya n dc o n t r o l i sr a t h e r c o m p l i c a t e d d u et oe x p a n d i n gt om e d i u m - v o l t a g ef i e l d se a s i l y , c a s c a d e dm u l t i l e v e lp o w e r i n v e r t e r sh a v e b e e nu t i l i z e di n m e d i u m - v o l t a g e m o t o rd r i v e sa n dr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n so fp o w e rs y s t e m ，1 1 1 i s d i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt or e s e a r c ht h et o p o l o g i c a l s t r u c t u r e ，p w mc o n t r o lm e t h o da n da p p l i c a t i o ni nm o t o rd r i v e so fc a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r s ，s ot h a ts o m ee f f e c t i v em e t h o d sf o ro p t i m i z i n gt o p o l o g ya n di m p r o v i n gc o n t r o l p e r f o r m a n c ec o u l db ep r o p o s e d f i r s to fa 1 1 b a s e do nf u r t h e ra n a l y s i so ft h ea l r e a d yp r e s e n t e dc a s c a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r s t h i s p a p e r f o c u s e so n r e s e a r c h i n g t h e h y b r i d s e v e n l e v e li n v e r t e r , n l c m u l t i - c o n n e c t e dr e c t i f i e rt o p o l o g ya n d3 - 1 0 k vh y b r i dm u l t i l e v e la d j u s t a b l e s p e e d d r i v e t o p o l o g y i s p r o p o s e d a n di to p t i m i z e st h et r a d i t i o n a l c a s c a d e dc o n v e r t e n1 1 1 em a t h e m a t i c m o d e lo ft h r e e - l e v e l h - b r i d g e c a s c a d e di n v e r t e r s r e f l e c t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u t v o l t a g ea n dd r i v i n gs i g n a li s e s t a b l i s h e d n l i sm o d e li sa l s os u i t a b l ef o rt h eh y b r i dc a s c a d e d c o n v e n e r i nt h en e x tp a r t t h r o u g ht h ef u a h e ri n v e s t i g a t i o no fv a r i o u sm u l t i l e v e lp w mc o n t r o l m e t h o d sa n dt h e i ro u t p u tv o l t a g eh a r m o n i cc h a r a c t e r s ，h y b r i d 丹e q u e n c yc a g i e r - b a s e dp w m c o n t r o lm e t h o ds u i t a b l ef o rh y b r i ds e v e n l e v e lc a s c a d e di n v e r t e r si sp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，a s p a c ev e c t o rp w m c o n t r o lm e t h o da p p l i e di ne q u a lv o i 协g et h r e e l e v e lh b r i d g ec a s c a d e d i n v e r t e r si s p r o p o s e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h eh a r m o n i cc h a r a c t e r s o fv a r i o u sm u l t i l e v e l p w m m e t h o d s ，am u l t i l e v e lc o n v e r t e ro u t p u tf i l t e rd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e d a t l a s t ，t h r o u g hc o m b i n i n gs p a c e v e c t o rm o d u l a t i o nw i t hd i r e c t t o r q u e c o n t r o li n c a s c a d e di n v e r t e r s ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do np o w e rc e l ls p a c ev e c t o rp h a s e s h i f t i n gs y n t h e s i sp r i n c i p l e f o rc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r si sp r o p o s e d ，a n di t ss p e e dc o n t r o l p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h i sm e t h o dc a nb ee a s i l yr e a t i z e dhi n d u s w , a n di m p r o v et h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo f m e d i u m v o l t a g em o t o rd r i v e s i to f f e r sa ne f f e c t i v ew a y t ot r a n s p l a n t h i g hp e r f o r m a n c e c o n t r o ls t r a t e g yo f t w o l e v e li n v e r t e r si n t om u l t i l e v e li n v e r t e r s a l a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o nw a v e sa r ea c c o m p a n i e dw i t ht h ep r i n c i p l ea n a l y s i s t o p r o v et h ea c c u r a c ya n dv a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d s ，t h ee x p e r i m e n t so fv a r i o u s c o n t r o lp r i n c i p l e sa r ef i n i s h e di nt h et h r e e c e l lc a s c a d e dm o t o rd r i v el a b o r a t o r ys y s t e m k e yw o r d s ：c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ，t o p o l o g y , p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名： - 1 - 数 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： j 数 超：! ：! 华北电力大学博士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 近年来基于全控型电力电子器件的p w m 变换器正在向高压大功率应用领域拓 展，多电平功率变换技术是其研究的核心和热点问题。多电平p w m 变换器最早 应用于高压大功率异步电动机调速领域，因为其电压和功率等级较为合适 ( i k v 1 0 k v ，2 0 0 k w 2 0 m w ) 。高压变频调速技术的不断发展，将会促进多电平 p w m 变换器在更高电压和功率等级的电力系统中的应用。本文主要研究级联型多 电平功率变换电路的拓扑结构和p w m 控制方法，及其在高压异步电动机变频调速 领域中的应用。 在电力系统f a c t s 技术、高压电机变频驱动和超导储能等领域，需要实现高 玎关频率且低e m i 的高压大功率变换。但在电力电子器件尚未有本质突破的情况 f , - ，只能从拓扑结构和控制方法上寻求解决方案。多电平功率变换技术作为一种较 为理想的解决方案，近2 0 年来得到了广泛关注、研究和应用，并且已成为电力电 子技术中以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域j 。 p w m 变换器克服了晶闸管相控电路功率因数低和低次谐波含量大的缺点，但 琏e m i 问题比较，“重。图1 1 为p w m 变换器输出电压波形及其频谱( 载波频率为 ! k t t z ) ，从时域上看在抉流时输出电压具有较高的d v d t ，从频域上看则具有较高幅 缸的高次电压谐波，这是p w m 变换技术所固有的问题。高压变频调速装置输出波 形中存在的大量谐波会使电机过热、产生振动和噪声，尤其是电机绝缘过早损坏问 题变得更加突出【3 - 4 】。采用多电平技术不仅避免了工作在高频开关状态的全控型电力 乜子器件的直接串联，同时随着电平数的增加可以使高次谐波含量大幅削减图1 2 为j 图1 1 载波频率相同的七电平p w m 变换器输出线电压波形及其频谱。诈是由 f 这一原因，多电平直接高压变频器驳代了基于两电平通用变频器的高低高方案， 并且发展十分迅速。在电力系统无功补偿领域，多电平变换器也丌始进入实用化阶 段。在己提出的多电平电路结构中，革元级联( h 桥级联) 型结构囡易于向更高电 压等级扩展，应用最为广泛。目前基于这种结构的高压变频器主要应用于j x l 机、水 采等对调速精度要求不高的场合，节能效果明显。这对解决我国能源紧张但电机系 统运行效率低的矛盾有着十分重要的意义1 5 】。 级联型多电平电路是多电平电路拓扑结构的一种，目前仍在不断发展之中，很 多问题尚未解决，在理论和技术上都存在很大的研究空间。如拓扑结构较为复杂 导致变频装置体积庞大、造价昂贵，该问题己成为制约其进一步推广的主要因素； 1 华北电力大学博士学位论文 控制方法主要是基于载波调制的p w m 方法，高动态性能的控制策略还远不如两电 平电路成熟。因此对绒联型多电平高压变频调速技术进一步深入研究具有重要的理 论意义和实用价值。 图1 两电平p w m 变换器输出线电压波形及其频谱 嚣 s 簧 f r e q u e n c y ( h z ) 图1 2 七电平p w m 变换器输出线电压波形及其频谱 1 2 多电平功率变换技术的研究现状及存在问题 1 2 1 多电平逆变器的电路拓扑结构 多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1 9 8 0 年的i e e e i a s 年会上，同本长 冈科技大学的a n a b a e 等人提出了中性点钳位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d n p c ) 的 三电平电路结构引。其基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输 出柬等效正弦波。由于多电平变换器对功率器件和控制电路要求都很高，最初并未 受到太多关注。直到9 0 年代，随着g t o 、i o b t 的成熟应用和i g c t 、i e g t 等新型 2 第一章引言 全控型器件的先后出现，以及以d s p 为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平 变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开 关器件的电压钳位方式，可将其分为二极管钳位型( d i o d ec l a m p e d ，又称中性点钳 位型一n p c ) 、电容钳位型( c a p a c i t o r c l a m p e d ) 和单元级联型( c a s c a d e d m u l t i c e l l ) 三类【1 1 ，其发展过程和结构特点简述如下。 1 2 1 t 二极管钳位型 a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会所提出的电路结构为采用二极管钳位的三电 平逆变器。在1 9 8 3 年的i a s 年会上，p b h a g w a t 等人进一步将三电平推广到任意多 电平结构1 7 】，建立了n p c 结构的多电平模式。二极管钳位型七电平电路如图l 一3 所 示。二极管钳位型多电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用多个二极管对相应的全控器件进行钳位来解决器件的均压问题。m 电 平电路每相桥臂需全控型器件2 ( m - 1 ) 个，相应钳位二极管为2 ( m - 2 ) 个。三电平以上 n p c 电路钳位二极管承受电压不均匀，若采用耐压相同的二极管串联等效，则需钳 位二极管( m 1 ) ( m - 2 ) 个。大量钳位二极管的使用，使七电平以上的n p c 电路失去了 实用价值。 ( 2 ) 直流侧采用电容分压形成多级电平，不需要结构较复杂的曲折联结变压器。 m 电平电路需肛1 个分压电容，在控制上需解决电容电压不平衡问题。 ( 3 ) 每相桥臂丌关管的工作频率不同，中间开关管的导通时间远远大于外侧丌 天管，负荷较重。 由于多于七电平的n p c 电路结构和p w m 控制极为复杂，考虑到实现难度，一 般将电平数限制到七。 蹦i 3二极管钳位型七电平电路 3 华北电力犬学博士学位论文 2 1 2 电容钳位型 电容钳位的飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平电路是由ta m e y n a r d 等 人在1 9 9 2 年的p e s c 年会上提出的8 1 。电容钳位型七电平电路如图1 4 所示。飞跨 电容型多电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用跨接在丌关器件之间的串联电容进行钳位，肘电平电路每相桥臂需 ( 弘1 ) ( m - 2 ) 2 个钳位电容，直流侧分压电容与二极管钳位型电路相同。 ( 2 ) 丌关状态的选择比二极管钳位型电路具有更大的灵活性，有利于平衡丌关 器件导通时间和电容电压。 ( 3 ) 由于直流滤波电容体积大、成本高、使用寿命较短，其实用价值不如二极 管钳位型电路。 图1 4电容钳位型七电平电路 最近又有几种基于上述两种结构的改进电路被提出【9 - l “，其中具有代表性的是 i ：z p e n g 等人在i e e ei a s 2 0 0 0 会议上提出的钳位型多电平电路的统一拓扑结构 ”，图卜5 为其单相电路图。二极管钳位型和电容钳位型电路都可以从这一电路拓 扑推导得出，并且该电路可以实现直流电容电压的自动平衡。 i 2 1 3 单元级联型 为了增加电平数以提高输出电压等级、进一步减小高次谐波含量，m m a r c h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的p e s c 年会上提出了h 桥级联的多电平逆变电路【t 2 , i3 1 。 三单元级联的七电平电路如图1 - 6 。该电路因结构和控制方法都易于向更多电平数 扩展，己成为目前最受关注的多电平电路形式。其主要特点是： ( 1 ) 每相出个h 桥单元级联而成，逆变电路输出相电压电平数m = 2 n + 1 。由 4 第一章引言 于各功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某一单元出现故障，可将其旁 路，其余单元可继续运行，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 直流侧采用独立电源供电，不需要钳位器件，不存在电压均衡问题。著直 流侧由三相不控整流电路供电时，整流侧需多绕组曲折联结变压器，增大了装置体 积但多重化整流减小了输入侧电流谐波。 f 3 ) 按某一特定规律分别对每一单元进行p w m 控制，各单元输出波形叠加即 可得到多电平输出，控制方法比钳位型电路对各桥臂的整体控制简单，并且易于扩 展。 v a e v d 面瓦蒜 剀1 5钳位型多电甲电路统一拓扑结构的单相电路图 n 图l 一6 三单元级联的七电平电路 5 c 瑶i瑶 华北电力大学博士学位论文 为在输出相同电平数的情况下减少级联的功率单元，在1 9 9 8 年的a p e c 会议 上m d m a n j r e k a r 等人提出了基于不同电压等级的单元级联型混合多电平逆变电 路结构，并给出了电压为l ：2 的两单元级联混合七电平电路( 如图1 7 ) 的p w m 控 制方法1 1 4 q 6 1 。但m d m a n j r e k a r 等人提出的只用低压单元的i g b t 进行p w m 调制 的控制方法存在功率倒送问题，低压单元整流侧也要求可控，使装置控制的复杂程 度和成本大为增加，在不需能量回馈的风机、泵类电动机节能调速领域的应用并无 优势。这也是制约该电路实用化的一个关键因素。 n 图l 一7电压为l ：2 的两单元级联混台七电平电路 e n 图1 8级联型多电平电路的统一拓扑结构 k e i t hc o r z i n e 等人提出了级联型多电平电路的统一拓扑结构，如图1 8 。各 6 第一章引言 级联单元的电压等级和电平数均可不同。在保证输出电压电平不跳变的情况f ，i i 同电压等级的单元级联可以分为鼹种情况，即电压比为1 ：2 2 ：2 。和 i ：3 ：3 ：。3 ”( n 为每相单元数) ，可形象称之为二进制混合单元和三进制混合单元。 若级联单元输出电平正负极性不同时，存在功率倒送问题，即有的功率单元吸收功 率。二进制混合电路通过适当的控制，可以避免功率倒送问题。而三进制混合电路 则无法克服这一问题须采用全控型可逆整流电路或增加直流侧滤波电容的容量。 图1 9 为三电平单元和五电平单元级联的电路结构。当两单元直流侧总电压比 为l ：2 ，即两单元直流侧电容电压相同时，该混合单元输出电压为七电平，与三个 三电平单元缴联的七电平电路所用主开关器件数相同，对主电路并未做出优化，只 是一种新的组合形式。并且不同电平单元的级联电路的p w m 协调控制比较困难， 因此这种扩展方法只具有理论上的意义。当直流侧总电压比为1 ：4 和l ：6 时低压 单元的功率倒送问题在控制上难以解决。 a n 图l - 9三电甲单元和五电平单元级联的电路结构 出上述分析可以看出，多电平电路的主电路拓扑结构在理论上已经基本完备， 哪种电路结构更具有实用价值与器件的发展水平及相应控制方法的难易程度密切 相关。目前己获得实际应用的是二极管钳位型三电平电路和等电压三电平h 桥级联 型多电平电路。采用二极管钳位型三电平电路的代表产品有：a b b 公司的a c s l 0 0 0 系列高压变频器l ”】和g e 公司的i n n o v a t i o n 系列高压变频器f ”】，它们都是由 i g c t 的三电平电路构成，但电压最高能应用于4 k v 等级，并且商次谐波含量仍然 较大。级联型多电平电路的代表产品为美国罗宾康公司的完美无谐波高压变频器1 2 0 1 和北京利德华福公司的h a r s v e r t a 系列高压交频器，使用的器件是i g b t ，最高可 以应用于1 0 k v 电压等级的电机驱动。在电力系统无功补偿领域也已经有实际应用， a l s t o m 公司于2 0 0 0 年研制了世界上酋台基于级联型结构的士7 5 m v a rs t a t c o m ， 用于提高英国北部向南部输电线的传输功率【2 ”。我国清华大学_ 手上海电力公司f 在 合作研制基于i g c t 级联型结构的+ 5 0 m v a rs t a t c o m t 22 1 。 华北电力大学博士学位论文 电压为1 ：2 的混合七电平单元级联电路符合目前电力电子器件发展的趋势，在 简化逆变电路结构的同时，仍具有传统级联型电路的谐波小、易扩展等优点，在新 型多电平电路拓扑结构中最具实用前景。如高压单元使用i g c t 、i e g t 或h vi g b t ， 低压单元使用i o b t ，根据目前器件的耐压水平，混合七电平电路可用于3 k v 电压 等级，而由两级混合七电平单元级联的十三电平电路可应用于6 k v 电压等级，三级 混合单元级联可应用于1 0k v 电压等级。这三种电路相对于传统等电压单元级联电 路，在电平数相同的情况下基本功率单元数可分别减少3 个、6 个和9 个，光纤通 讯和多重化整流变压器等亦可得到简化。 1 2 2 多电平逆变器的p w m 控制方法 多电平逆变电路可以有效抑制p w m 控制所造成的高次谐波，p w m 控制可以减 少多电平逆变电路输出的阶梯形电压中含有的低次谐波，因此二者结合才能获得最 佳的频谱特性。多电平p w m 控制方法是由两电平发展而来，和具体多电平电路的 拓扑结构有直接关系。目前应用于多电平的p w m 控制方法主要有：载波调制p w m 法( c a r r i e r b a s e dp w m ) 、空间矢量p w m 法( s p a c ev e c t o r p w m s v p w m 或s v m ) 和特定谐波削去p w m 法( s e l e c t i v eh a r m o n i c se l i m i n a t i o np w m s h e p w m ) 等 1 23 - 2 5 1 。目盼载波调制p w m 方法和空间矢量p w m 方法研究及应用较多，因此主要 i 、论这两种方法。 1 ! 二l 基于载波调制的p w m 方法 根据载波分布特点，载波调制法又可分为消谐波p w m ( s u b h a r m o n i cp w m - - s h p w m ) 1 2 6 j 和载波移相p w m ( t r i a n g u l a r c a r r i e rp h a s es h i f t i n gp w m - - p s p w m ) ”。为提高直流电压利用率，在参考波中注入零序分量的方法称为开关频率优化 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 w m - - s f o p w m ) 1 2 8 1o 这三种调制方法的参考 波_ = l 】载波分布如图l - 1 0 ( 以七电平为例) 。这三种方法所用载波的数量相同肘电 f 电路每相需采用肛1 个三角载波。 载波移相p w m 法是针对等电压的单元级联型逆变电路特点提出的。每个单元 的驱动信号由一个正弦波和相位互差1 8 0 0 的两个三角载波比较生成，同一相的级联 尊元之间萨弦参考波相同，丽三角载波互差r f f n ( 为每相单元数) 。通过载波移相 使器单元输出电压脉冲在相位上相互错丌，并刚好可以叠加出多电平波形。由于各 单元的调制方法相同，只是载波或参考波相位不同，因而控制算法容易实现，也便 于向奠i ! 多电平数扩展。但对于电压不等的单元级联，仅通过载波移相不能叠加出多 f 乜平波形，因而该方法并不适用于混合单元内部各基本单元的p w m 调制。但对于 相同结构的混合单元之间的级联，如两个混合七电平单元级联，则可采用r 0 谐波和 我波移相相结合的调制方法。 r 第一章引害 j 厶 一 = 盘 一 = o = 一 u = o 舍 e 彗 弓 ( a ) s h p w m 的载波和调制波 ( b ) p s p w m 的载波和调制波 t i m e fs l ( c ) s f o p w m 的载波和调制波 图1 1 0 载波调制法原理图 t i m e ( s ) ( a ) 高压单元 蚓i 一1 1 混合七电平电路的基本单元输出电压波形 混合七电平单元p w m 控制的关键在于如何协调两个输出电压不等的基本功率 单元的p w m 控制来获得多电平输出。m a n j r e k a r 等人提出的两个基本单元电平分配 9 一rid一如量o 华北电力大学博士学位论文 疗法可用图1 1 1 和表1 一l 来描述f ”1 “。图1 1 1 为高压i g c t 单元和低压i g b t 单元 输出电压波形，合成后的波形即为七电平p w m 波形。对于这种方法i g c t 只工作 在参考波频率，而i g b t 单元工作在载波频率完成对电压的p w m 调制，因而控制 算法主要集中在i g b t 单元。 表1 1混合七电平单元的电平分配原理 由图1 1 1 和表卜1 可以看出，i g c t 单元和i g b t 单元的输出电平有时是f 负 相反的，这种情况下i g b t 单元从i g c t 单元吸收功率，导致i g b t 单元直流侧电流 倒灌。为防止倒灌电流给电容充电引起直流侧过电压，i g b t 单元整流侧采用可逆 整流。在m a n j r e k a r 提出的混合七电平变换电路中，采用的是单相p w m 整流。虽 然在实现了i g b t 单元直流侧电流双向流动的同时，还可以改善电网侧的功率因数， 减小电流谐波，但由于电路复杂程度及装置成本的增加。将会限制其在节能调速领 域的实用化。 11 二2 基于空间矢量调制的p w m 方法 空间矢量p w m 法( s v p w m 或简称s v m ) 以三相瞬时电压合成的空间电压矢 量为控制对象，根据系统控制要求选择的电压矢量由所在区实际存在的电压矢最和 零矢量相互切换来合成。实际存在的电压矢量由其丌关状态决定，多电平电路的丌 关状态数量为电平数的三次方( m 3 ) 。对于七电平电路，共有3 4 3 个开关状态，其 空剐电压矢量分布如图l - 1 2 ，s v m 控制将极其复杂。因此，s v m 虽然在两电平通 用变频器中获得了广泛应用，却难以向多电平扩展，目前只在二极管钳位型三电平 电路中获得了实际应用 2 9 - 3 3 】。 在各种p w m 方法中由于s v m 以瞬时空阃电压矢量为控制对象。最适合用于 高动念性能的控制方法如矢量控制、直接转矩控制等。因此基于多电平变换器的 s v m 方法研究是不可回避的一个问题。单元级联型多电平电路输出电压般为七电 、f 以上，虽然已有简化s v m 控制算法提出 3 4 , 3 5 1 ，但对于实时控制仍然很复杂而难 以实现。 0 第一章引言 第一章引言 华北电力大学博十学位论文 达0 1 0 5 l 4 0 a i i 。但受三电平电路结构所限，电压和功率等级都不可能太赢。因 此如何将高动态性能的控制策略应用到级联型变频器中，是这一研究领域亟待解决 的难题之一。 l 。3论文的主要工作 本文以级联型多电平逆变器及其驱动的异步电动机变频调速系统为研究对象， 根据其发展现状与存在问题，将以下几方面作为主要研究内容： ( 1 ) 级联型多电平电路的拓扑结构研究 本文将对目前已提出的各种新型级联多电平电路拓扑进行深入探讨，以寻求符 合目6 口器件发展特点的最优结构。 目前最受关注的新型级联多电平电路拓扑是混合七电平单元级联型电路，这是 本课题将重点研究的电路结构，对其工作原理将做深入分析。针对其整流变压器各 二次绕组电压不等的特点，提出适合该电路的混合多重化整流电路结构，以及由混 合多重化整流电路和混合七电平逆变电路构成的混台级联型变频器结构，对传统级 联型变频器在拓扑结构上做出优化。 ( 2 ) 级联型多电平电路的p w m 方法研究 载波移相p w m 法最适合等电压、相同结构的单元级联电路控制但它不适用 j ：1 ：同结构、4 ：同电压等级的混合单元级联电路控制。混合七电平电路是对传统缎 联电路的一种最简单扩展形式，首先应建立该电路的载波调制p w m 方法。目前已 提出改电路的p w m 方法并未充分利用其电路特点，共且存在功率翻送阃题。为解 决这一问题，提出基于混合频率载波调制的p w m 方法。 空间矢量调制法( s v m ) 在二极管钳位型三电平电路已获得实际应用，而单元 级联型电路的s v m 方法尚未有被广泛认可的方法提出。本文基于载波移相的思想， 以两电平s v m 为基础，根据单元级联电路特点找出不同单元的控制规律，而不是 把整个多电平电路看成一个整体去控制其开关状态。从而提出级联型逆变电路的空 删矢量调制方法，使两电平逆变器中基于s v m 的高性能控制策略，可以通过该方 法推广到级联型逆变器中。 ( 3 ) 级联型多电平遂变器输出电压的谐波分析 高压变频器的核心控制方式仍然是电压型p w m 技术，其高次谐波问题直接关 系到变频调速装置在高压领域的推广应用。因此有必要对级联型电路在各种多电平 p w m 控制方法下的输出电压谐波进行对比分析，总结其一般规律及各自特点。 在系统耐压已满足要求时，通过增加级联单元数来减小高次谐波含量显然是不 2 第一章引言 经济的。为满足用户需求，有时需设置输出滤波器。在对多电平p w m 波形谐波分 析的基础上，提出多电平变频器输出滤波器设计的实用方法。 ( 4 ) 级联型多电平逆变器在变频调速领域的应用研究 深入研究两电平逆变器基于空间电压矢量调制的直接转矩控制方法 ( s v m d t c ) ，这是本文所研究的将直接转矩控制扩展到级联型多电平逆变器方法 的基础。其关键问题在于研究参考电压矢量的选择及调制方法，以抛弃传统d t c 的滞环比较和优化矢量表。 将直接转矩控制和级联型多电平空间矢量调制方法相结合，从而提出适用于缎 联型多电平变频调速系统的直接转矩控制方法，并对其调速性能进行分析。 ( 5 ) 级联型多电平逆变器控制方法的实验验证 研制级联型多电平变频调速实验系统，对所提出的控制方法进行实验验证。实 验系统主要由多重化整流变压器、功率单元、d s p 目标板和电机系统等组成。为使 系统调试安全方便，实验系统是针对实验室电机设计的低压小功率样机，而控制系 统以d s p 和c p l d 为核心，具有较强的通用性和可扩展性。 华北电力大学博士学位论文 第二章级联型多电平逆变器的拓扑结构和数学模型 传统单元级联型多电平逆变电路是由相同电压等级的三电平h 桥功率单元级联 而成，已经为多数高压变频器产品所采用。近年来，一些学者对级联型逆变电路进 行了理论上的扩展，但尚未获得实际应用 1 4 , 1 7 , 4 2 - 4 5 。因此有必要对已提出的新型拓 扑结构进行深入研究，在符合目前电力电子器件和控制技术发展特点的前提下，对 传统级联型多电平电路结构进行优化，以适应新型电力电子器件的不断发展，逐步 降低级联型高压变频器的体积和造价，进一步推动其在高压电机节能调速领域的应 用。为将电路原理阐述清楚、严谨，并作为所研究控制方法和公式推导的理论基础， 需建立h 桥级联型逆变电路的数学模型。 2 1 广义级联型多电平逆变电路结构分析 目前所提出的几种新型级联型逆变电路结构均可认为是图1 8 所示的广义级联 型电路拓扑的特例，其基本特点是：a 、b 、c 三相电路结构相同，每相电路由独立 供电的h 桥功率单元级联而成，各级联功率单元的电压等级和电平数可以不同【m 】。 根掘级联单元的电压等级和电平数，可将己提出的绂联型逆变电路按图2 1 分类， f 砸对各种新型缴联型逆变电路分别予以讨论。 二电平hi r 再单兀电胍相等( 传统级联犁) f桥级联l 再单兀电f 二进制1 = 2 2 -= 2 ” r 馏“i 不相等t 二进制i ：3 ：3 ：3 ih 桥级联l 。_ 二进制：2 ：“ 墨鐾瞽釜 l 五电平h 桥级联 l - 不相l 司电平数h 桥级联：三电平+ 五电平 2 1 1 直流侧电压不等的三电平h 桥级联型逆变电路 三电平h 桥结构如图2 2 ，是由两个两电平桥臂并联组成，可以产生1 、0 、1 三种电平。采用不同电压等级的功率单元级联，是为了在相同单元数的情况下，可 以产生更多的电平数。而电平数越多，输出电压波形等效证弦的效果就越好，即谐 波舍量就越少。电压为l ：4 的两个三电平h 桥单元显然无法产生连续的电平数， 因而没有实际应用价值。如果要求输出电压电平不跳变，不同电压等级的单元级联 1 4 第二章级联型多电平逆变器的拓扑结构和数学模型 可咀分为两种情况，即电压比为1 ：2 ：2 2 _ - ：2 ”和1 ：3 ：3 2 _ ：3 “( 为每楣单元数) ， 可将其定义为2 , v ( 或二进制) 混合单元级联和3 ”( 或三进制) 混合单元级联盼4 3 1 。 图2 2 三电平h 桥逆变单元结构 对于高压大功率领域并非产生电平数最多的电路结构就是最优，因为要兼顾使 用的主丌关器件尽量少而产生电平数尽量多这两方面的要求，即要在电能质量满足 要求的情况下，尽量减小装置的复杂程度和成本。电压比为l ：3 的两个单元级联可 以产生九电平p w m 输出波形，表2 一l 为两单元电平分配情况，并且该电平分配方 法具有唯一性。在期望输出电平为2 3 、1 2 、一l 一2 及一2 一3 这四种情况下，高 压单元和低压单元输出电压极性是相反的，这样低压单元由于电压和电流极性相 反，存在功率倒送的问题。为避免直流侧电容电压升高，整流侧应可逆。如果也采 用全控型器件的p w m 整流虽然对提高整流侧电能质量有帮助，但变频装置的复 杂程度和成本不但没有降低，反而会有所增加。 表2 1电压比为j ：3 的混含九电甲单元p w m 调捌原理 电压比为1 ：2 的两个单元级联输出电压为七电平，本文将其称之为混合七电平 单元，电路结构如图2 3 。其电平分配方式有两种，一种是在第一章所给出的表l - l 方法，高压单元可以不进行p w m 调制，而只工作于基波频率，但同样存在有功功 率倒送的问题。另外一种电平分配方法如表2 - 2 所示。让高压单元部分时阳j 段内参 与p w m 调制，使得两单元输出电压始终保持相同极性，不存在有功功率例送问题， 整流侧仍可采用二极管不控整流，从而使变频装置的结构真正得到优化。但这种调 制方法需要新的p w m 控制方法与之相配合，其原理将在下一章中叙述。 l s 华北l 【 力人学博七学佾论文 图2 3混合七电甲单元结构 表2 2电爪比为1 ：2 的混合七电甲单元p w m 调制原理 电压比为l ：2 ：4 的三个单元级联可以产生十五电平输出电压，并且采用适当的 控制，可保证三个单元输出电压同极性，不存在功率倒送问题。但电压最低单元电 压仅为电压最高单元电压的l 4 ，对提高整个变频装置的电压等级帮助不大。对于 高压变频装置，不宜引入电压等级太低的功率单元。 2 1 2 五电平h 桥级联型逆变电路 五电平h 桥电路结构如图2 4 ，是由两个三电平桥臂并联组成，可以输出士2 、士1 和0 五种电平。它与两个三电平h 桥级联电路相比，输出电平数相同，使用的主丌 关器件( 不包括二极管) 数量也完全相同；但其整流变压器结构简单，而p w m 控 制方法复杂。 图2 - 4 五电平h 桥逆变单元结构 1 6 第二章级联型多电平逆变器的拓扑结构和数学模型 目前钳位型三电平变频器主要采用空间矢量p w m 控制，实际上对于三电平桥 臂也可采用基于载波调制的p w m 控制，这样易于在多个单元级联电路中扩展，该 控制方法将在下一章中阐述。 2 1 3 三电平h 桥和五电平h 桥级联型逆变电路 三电平h 桥和五电平h 桥级联单元电路结构如图1 - 9 ，对于直流侧电压之比为 1 ：2 、1 ：4 和l ：6 三种情况，输出电压电平不跳变1 4 4 】。直流侧电压比为1 ：2 时，输出 电压为七电平，与三个三电平h 桥级联七电平电路使用的主开关器件数量相同，并 未对主电路结构作出优化。直流侧电压比为1 ：6 时，功率倒送问题不可避免。直流 侧电压比为l ：4 时，理论上可以避免功率倒送问题，但p w m 算法将十分复杂。 由上述对各种新型级联型逆变电路的分析可以看出，电压比为1 ：2 的混合七电 平单元级联型电路最适合高压大功率领域应用，并且在近几年受到广泛关注。下面 将重点阐述该电路及由其构成的高压变频器的工作原理。 2 2 混合七电平单元级联型变频器原理 2 2 1 混合七电平单元的优点 混合七电平逆变单元与其它形式逆变单元相比有如下优点： ( 1 ) 符合目前电力电子器件的特点。电压比为l ：2 的两个基本单元所用器件的额 定电压值也应为1 ：2 。目前17 k v 级的i g b t 已有多年成熟应用经验，3 3 k v 级和4 5 k v 级的i g c t 、1 e g t 及高压i g b t 已经走出实验室，有成熟产品问世。这几种电压等 级电力电子器件的发展为混合七电平单元在高压领域应用奠定了基础。 t 2 ) 可充分发挥高压电力电子器件和低压电力电子器件的优势。采用高压器件 可以减少单元数，但低压器件构成的低压单元仍具有非常重要的作用。首先，采用 低压单元可以增加输出电压的电平数；其次，它可以使输出电压的p w m 脉冲仍然 保持较高的频率。通常电压等级越高的电力电子器件，丌关频率越低。采用适当的 p w m 调制方法，可以主要应用低压单元来完成p w m 调制，因此在单元数减少的情 况下，输出电压仍具有很好的谐波特性。采用低压单元的另一优点就是可保证d v d t 满足电机绝缘要求。d v d t 对于电机绝缘的危害已引起重视，p w m 电压波形的d v d t 和p w m 脉冲的电压跳变幅度有关，对于三电平h 桥混合级联电路，d r d r 和低压逆 变单元的直流侧电压等级有关。因此虽然引入了高压单元，但混合单元输出电压的 d 、，d f 并没有因此而增加。如果只采用3 3 k v 或4 5 k v 器件构成的高压单元级联，其 直流侧电压等级在2 k v 以上，输出需设置d v d t 限制器。 1 3 ) 和传统等电压三电平h 桥级联型逆变电路相比，对其电路拓扑作出了优化。 1 7 华北电力大学搏士学位论文 但仍具备输出电压谐波小、易于向更高电压等级扩展的优点。若低压单元采用1 7 k v 的i g b t ，而高压单元采用3 3 k v 的i g b t ，在考虑一定裕度的情况下，所构成混合 七电平逆变电路输出线电压可达3 3 k v 。6 k v 和1 0 k v 等级变频器分别需要两级混合 七电平单元级联和三级混合七电平单元级联。在输出电压电平数相同的情况下，6 k v 和1 0 k v 等级混合七电平g 觥型变频器要比同等电平数的传统级联型变频器分别节 省6 个和9 个基本功率单元，多重化整流变压器、光纤通讯和控制系统都会有不同 程度的简化，从而进一步减小高压变频装置的复杂程度和体积。随着3 3 k v 和4 5 k v 级电力电子器件的