（电力电子与电力传动专业论文）级联多电平逆变器的控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r ac t w i t ht h ed 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 ，m u l t i l e v e l p o w e rc o n v e r s i o nci r c u i th a sb e e nc o n c e r n e dw i d e s p r e a d ，b e c a u s eo fit s g o o dp e r f o r m a n c ei nt h em e d i u mv o lt a g e ( 1 k v i o k v ) h i g h p o w e r ( 2 0 0 k w 一2 0 m w ) a p p li c a t i o n s t h em a i na d v a n t a g e so fm u l t i l e v e lc o n v e r t e rw h i c hi s r e l a t i v e l yt r a d i t i o n a lt w o l e v e lc o n v e r t e r ：as i n g l ed e v i c eu n d e r v o l t a g es t r e s si se a s i e rt oa c h i e v el a r g e c a p a c i t yh i g h p r e s s u r e ：t h e s a m es w it c h i n gf r e q u e n c yo ft h eo u t p u tv o l t a g ei sc l o s e rt os i n u s o i d a l c u r r e n t w a v e f o r m ，h a r m o n i cc o n t e n ti sl o w ：e m i e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ep r o b l e m sa r eg r e a t l yr e d u c e d ，t ou s et h ea p p r o p r i a t e a l g o r it h mc a ng u a r a n t e eam o r e s e c u r eo p e r a t i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r ，f o c u s i n go ns e v e r a lm u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y t y p i c a lo ft h et h e o r y ，a n da n a l y s i so f i t ss t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s ， f o c u s i n go na n a l y s i so fm u l t i 。l e v e lc a s c a d ei n v e r t e rs t r u c t u r eo f p r i n c i p l e ，b e c a u s eo fi t ss m a l l e rh a r m o n i cp o l l u t i o n l ，h i g hi n p u tp o w e r f a c t o r ，a n dg o o do u t p u tw a v e f o r m ，w h i c hi su s e di nt h i sa r t i c l ea n dt h e s t u d yo ft h es t r u c t u r ea n du pt ot h r e eu n - it sc o n n e c t e di ns e r i e sf o r c a s c a d em u l t i l e v e lt o p o l o g yo ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i nt h ec o n t r o ls t r a t e g y ，w ei n t r o d u c e dt h ec a r r i e rp w ma n ds v p l j l r m ， d e t a i l e da c c o u n to ft h e i rc l a s s i f i c a t i o n c o n t r o lt h e o r y i nt h es t u d y f o rt h ec o n t r o lm e t h o d s ，w ef o u n dt h a tt w oo ft h ei n t e r n a lr e l a t i o n s o fc o n t r o l ，s og o tt h ec a r r i e rp w mt e c h n i q u eb a s e do n o p t i m i z e dp w m m e t h o d t h i r dh a r m o n i ci n j e c t i o nm e t h o d i nt h i sp a p e r ，ad e t a i l e d a n a l y s i so ft h em o d u l a t i o nw a v ea n dt h i r dh a r m o n i ct r a n s f o r mi n t o m u l t i l e v e li n v e r t e rp r i n c i p l e ，a sw e l la sa f t e ri n j e c t i o no ft h i r d h a r m o n i cm o d u l a t i o ni n v e r t e r i n p u t d c v o l t a g es i g n a la n d t h e r e l a t i o n s h i p i na d d i t i o n ，a n a l y s e so fm u l t i l e v e li nt h ec a s c a d e o p e n l o o pp w mi n v e r t e rc o n t r o lt h eg e n e r a la n dt h et h i r dh a r m o n i c i n j e c t i o ns p w md i f f e r e n t t h i r dh a r m o n i ci n j e c t i o nm e t h o dp r o p o s e dc a n n o tb ea f f e c t e di nt h ec a s eo fl o a dc u r r e n ta n dv o l t a g et oa c h i e v eo p t i m a l c o n t r o lo fc a r r i e rm o d u l a t i o nt o i m p r o v et h eu t i l i z a t i o nv o l r a g e i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | i 页 mm m m _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ 一 m a t l a b s i m u li n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta r eg i v e ni nt h r e em o d u l e si n s e r i e so fm u l t i 一1 e v e lc a s c a d ei n v e r t e rs t r u c t u r et oc a r r i e r - b a s e d p h a s e s h i f t i n gi n t ot h et h i r dh a r m o n i co f t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e s i m u l a t i o nw a v e f o r m s ，c o n f i r m i n gt h et h e o r e t i c a lc o r r e c t n e s s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ei d e n t i f i e dat h r e e - u n i ts e r i e so f c a s c a d i n gm u l t i - l e v e li n v e r t e rm a i nc i r c u i ta n dt h et h i r dh a r m o n i c i n j e c t i o nm e t h o df o rt h ec o n t r o ls t r a t e g y ，s e tu pt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m a n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti sad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s pa n d c p l d i nf r o n to ft h e o r y a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，w ei n t r o d u c e dt h i s e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ft h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e l a t e dt o t h er e l e v a n tf u n c t i o n sa n dd e s i g np r i n c i p l e s ，a n dac a r r i e rp h a s e - s h i f t a n dt h i r dh a r m o n i ci n j e c t i o nm o d u l a t i o nm e t h o d so ft h et w oe x p e r i m e n t s k e yw o r d s ： c a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ；p h a s es h i f t e dc a r r i e rp w m ： t h et h r e eh a r m o n i ci n j e c t i o n ：v o l t a g eu t i li z a t i o n ；i p m ： d s p 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文工作的创新点 通过对级联多变频逆变器的拓扑结构和调制策略进行分析，在对载波移 相s p w m 的研究中，提出了基于载波移相技术的三次谐波注入法的调制策略， 对这种调制方法的各种优点进行了理论和仿真等方面的研究，并且将之应用 于三个功率单元串联的级联多电平逆变器，通过实验结果验证了此种方法的 可行性。 学位论文作毒竽名：嗨峙 e l 期：参，哆么l 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； o 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 嚣支巍盖咚嘈 日期：文一矽6 ，2 、 指导老师签名：乏哼医 日期：2 一卯9 ，多2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 多电平逆变器的发展背景 近年来，多电平逆变器( m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 在中高压大功率场合的应用 得到越来越多的关注i l l 各种电路拓扑结构及控制方法纷纷被提出和研究。多 电平逆变器在国内外已逐步进入使用阶段多电平变换技术，尤其是国内市场需 求旺盛。据调查，国内现行装机的约4 亿千瓦电动机中，9 0 是交流电动机， 其中7 0 应该实施调速运行。如果实际可改造占5 0 的话，国内应有1 2 6 亿 千瓦电动机的变频调速需求，其中4 0 用在轧钢、造纸、矿井提升、轮船推进 器等传统工业和现代交通工具驱动中，其大量使用的中压大容量电动机是国民 经济各行各业的主力机组。 通常，我们把用来驱动1 k v 以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压 变频器。但按国际惯例，当供电电压大于等于i o k v 时称为高压，1 k v 到i o k v 的称为中压。相应额定电压的变频器分别称为中压变频器和高压变频器。考虑 到这一电压范围内的变频器有着共同的特征，我们统称为高压变频器。 随着电力电子技术的发展，多电平变换器在灵活交流输电和用户电力技术 方面有广阔的应用，现有的各种应用中主要有以下三类：高压大电机变频调速， 电能质量综合治理，交直流能量转换。 高压变频器能够实现高压电动机无级调速，满足生产工艺过程对电动机调 速控制的要求，它的广泛应用对于提高产品的数量和质量，节约能源，降低成 本有着重要的意义。采用多电平结构，不但能够扩展原有两电平变换器的电压 等级，而且能够克服两电平变频器的高器件应力和高d u d t 等问题，减小变频 器出口端的谐波含量。 随着大量电力电子装置的普及使用，电网受到日益严重的谐波污染，而无 功补偿和有源滤波器等电能质量治理装置也正向着高电压大容量方向发展，多 电平变换器在电能质量综合治理方面也将会有广泛的应用。在高电压等级的无 功补偿装置中，多电平级联变流器已经得到了广泛应用。 在交直流能量转换上，与传统的两电平电路相比，多电平变换器控制方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且其输出电压的谐波含量低。 多电平变换器在清洁能源利用上可以起到重要作用，如风力发电和太阳能发电 可以通过高压多电平变换器入网。另外多电平变换技术还可以用于高压直流输 电、超导储能、感应加热和大容量u p s 电源等。 随着电力电子技术及功率器件在高电压、大流量、高频率、模块化、集成 化等方面水平的提高，中高压变频器技术日趋成熟，应用也越来越广泛，由于 其良好的节能效果和优越的调速性能，成为了国内外交流调速领域的研究热点 之一。世界上著名的电气公司在中高压调速领域开展激烈的竞争。以德国西门 子公司、a b b 、公司及日本的东芝、三菱、曰立和法国的阿尔斯通公司等为代 表的国际大型企业都已经推出了各种大功率变频调速装置。 1 2 新型多电平电压型变换器的产生 在传统的电路中，其输入为单一的直流源，也即两条连接线，只能对一个 恒定幅值的直流电压进行脉宽调制，输出幅值为恒定的p w m 波。如在电压型 d c a c 变换器中，若设直流源电压为圪，以低电压节点为零电位点，经过电 力电子变换电路之后，得到的输出p w m 脉冲波只有两种电平即0 和吃。因此， 通常称这类变换器电路为两电平电路。由于两电平直接高压逆变器存在很高的 d v d t 和共模电压，对电机绕组绝缘构成了威胁；加之为了解决串联器件同时 导通和关断的问题，2 0 世界8 0 年代以来，人们发展了很多电平变换器。 如果多个直流源和电力电子器件经过特定的拓扑变换，并且控制不同的直 流源串联输出，则在变换电路的不同开关状态下，就可以再输出端得到不同幅 值的多电平的输出，则在变换电路的不同开关状态下，就可以输出端得到不同 幅值的多种电平输出。事实上这是通过多个直流电源之间的不同组合得到的， 采用这种原理的变换电路称作多点电平( m u l t i 1 e v e l ) 电路，用这种方法实现 的变换器就是多电平变换器。由于高压大容量电压型变换器得到很大提高，因 此成为高压大容量电力电子系统的发展方向。近年来，这种变换器开始在大容 量功率变换领域得到大量应用。 自从日本长冈科技大学的南波江章( a n a b a e ) 等人与1 9 8 0 年在i e e e 工 业应用( i a s ) 年会上提出三电平中点筘位式结构以来，多电平逆变器的拓扑 结构主要发展处三种电路：二极管箝位式：电容箝位式；直流电源隔离的单元 逆变桥串联式。以上拓扑结构将在下章着重介绍。这三种结构与普通两电平逆 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 变器相比，更适合高压大容量场合，有很多自己的特点：由于输出电平数增加， 输出波形阶梯曾多，就可更加接近目标调制波( 一般为正弦波) ，再加上p w m 进行局部的修正，使得输出电压更接近正弦。这正是多电平电路的有点之一一 一波形质量较优，在同样的开关频率下，多电平电路输出的谐波分量低于两电 平电路的输出，反过来，达到类似的输出波形质量，多电平电路的开关频率可 以降得较低，这在大功率应用中尤为重要。 多电平电路的另一个优点在于输出电压的跳变，也就是a v a t 较小。变换电 路的输出电压需要不停地从个电平跳到另一个电平，电平之间的跳变经历时 间是非常短的，由于变换电路的负载通常是感性的，瞬时过大的a v a t 对负载 电机的绝缘会带来很大的冲击，对于变换电路本身的危害也非常大。在同样的 输出电压等级下，采用多电平电路，不仅可以降低对器件的耐压要求，而且可 以将原有两个距离较远的电平变成多个距离较近的电平，从而降低电压跳变， 减小对负载和本身的损害。 此外，多电平的优点还体现在三相系统中输出的共模电压较小，在驱动电 机的情况下，共模电压过大会对电机的轴和轴承造成损害，自爱高压大容量应 用场合这一问题更加明显。采用多电平逆变器，输入电流的畸变也会得到一定 程度的改善。 由于市场的需求和多电平本身很多优点，许多多电平逆变器便随之产生， 其中，采用高压大电流i g b t 或i g c t 的直接高压电流型变换器与三电平n p c 电路、单元逆变桥串联式多电平各具特色，将共同主导今后的大容量多电平功 率逆变器市场。 1 3 多电平逆变器的应用 多电平逆变器与传统两电平逆变器相比相比具有许多优势，可以再各种高 压大容量领域，包括直流和交流之间的变换、直流和直流之间的变换。主要分 为：交直流能量转换、高压大容量交流电机变频调速，电能质量综合治理等领 域1 2 1 。 在交直流能量转换上，与传统的两电平电路相比，其控制方式灵活，输出 电压的相位和幅值便于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低。可以用于高 压直流输电、超导储能、感应加热喝大容量u p s 电压等，同时在清洁能源的利 用上也可以起到重要的作用，如风力发电和太阳能发电可通过高压多电平逆变 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 器入网。随着大量电力电子装置的普及使用，电网受到日益严重的谐波污染， 而无功补偿和有源滤波装置也向着高电压大容量方向发展，因此，多电平变换 器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用。高压大电机变频调速是多电平变 换器的另一重要应用领域，在水厂、电厂的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用高 压大容量交流电机、轨道交通的机车牵引系统中，采用多电平变换调速技术可 以节约大量能源，提高生产效率及实现重载、高速列车的牵引。总之，多电平 逆变器有着广阔的应用前景。 大容量逆变器供电的交流电机调速控制系统在轨道交通系统中最典型的应 用是电气化铁路中的牵引系统。因为我们西南交通大学与铁道交通的关系，很 多学校项目都与轨道交通有关，所以专门叙述大容量变频调速在轨道交通系统 中的应用。以电力机车为例，其发展过程按照传动技术的不同，可以大致划分 为两个时代：直流传动时代和交流传动时代。由于直流电机优异的控制性能， 使得直流传动技术在很长时间内占据了电气机车传动的主导地位，知道现在国 内绝大部分电力机车使用的还是直流调速技术。但直流电机也存在很多固有的 缺点，如电刷需要维护、高速运行困难，体积重量相对同容量的异步电机要大 得多，等等。 随着电力电子和微电子技术的出现和进步，交流传动系统以其突出的优越 性受到越来越多的关注和长足的发展，并已基本取代了直流传动系统。随着磁 场定向矢量控制和直接转矩控制等等高性能异步电动机控制策略的应用，交流 传动机车的调速性能已经能够到达甚至超过直流传动机车。国外近年来开发的 电气机车无一例外都采用交流传动技术，如德国的i c e 及法国著名的t g v - a 高速列车及日本的“希望号”高速列车等。至于常用的电力电子器件，由于要 求容量大，早期以g t o 为主，2 0 世纪9 0 年代后由于i g c t 及h v i g b t 等更 高性能器件的问世，也开始了后两者的应用： 与高速电气铁路相似，城市轨道交通也采用电力牵引技术，不同的是前者 为交流馈电，后者为直流。但前者实际上是先通过变压器降压，再经整流后逆 变为交流来驱动交流机。城市轨道交通也采用交流传动，不过是将前者整流部 分去掉即可，从技术上来说是几乎相同的。但是，由于地铁和轻轨系统的电源 电压通常为7 5 0 v 或1 5 0 0 v ，和工业中广泛采用的3 8 0 v ( 整流后约5 4 0 v ) 的 电压并不吻合，对电力半导体器件的耐压要求高，通常变流装置可采用两电平 方式供电，也可采用三电平方式，以降低对器件及电机的冲击。对这类要求高 性能的应用，主要研究方向为：一是高性能闭环控制，如磁场定向矢量控制、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 直接转矩控制等如何在多电平拓扑中实现；二是如何在保证控制性能的前提 下，降低器件开关频率：三是在全速度范围内实现系统的高性能。比如，对直 接转矩控制系统来讲，在基速范围内，当点击转速低于额定转速的1 0 1 5 时，为了维持磁链幅值恒定以减小转矩脉动，可以将磁链轨迹控制为圆形；当 转速较高时，采用六边形磁链轨迹将可以大大减小逆变器的开关频率。在弱磁 范围内，为了获得最高的电压利用率，逆变器将工作在方波方式，每个基波周 期将按顺序发出6 个基本电压矢量；同时转矩将由调节磁链来间接控制。当采 用圆形磁链轨迹进行控制时，磁链和转矩的控制与传统直接转矩控制系统相 同。 当前我国正大力开展城市轨道交通和成际高速铁路的建设，如果能抓住这 个时机，开发出适合电力机车的大容量交流调速系统，不但可以填补国内空白， 还可以创造巨大的经济效益。 1 4 本文的主要研究内容 本文从多电平变频器的拓扑结构入手，采用基本单元分析法对几种典型的 多电平拓扑结构进行比较分析，进而得出选用级联多电平结构作为研究对象的 原因；之后，对多电平变频器的p w m 调制方法进行了比较分析，着重介绍了载 波型p w m 调制和空间电压矢量( s v p w m ) 调制方法，指出了采用载波移相的s p w m 调制方法的原因。并提出了在载波移相的控制策略下的三单元串联的级联多电 平逆变器。在以移相载波技术的基础上，采用基于三次谐波注入的级联多电平 逆变器，分析了三次谐波注入的原理和优点及其谐波和共模电压的问题，在三 单元级联多电平逆变器的基础上对其输出电压进行了仿真分析；最后，在上述 分析的基础上进行系统的软硬件设计，搭建了实验平台，并对系统的设计进行 了实验验证。 全文共分六章，内容具体安排如下： 第一章为绪论，简述了课题的研究背景和研究意义，对多电平逆变器的应 用做了大致归纳，并且结合学校特点，浅析了多电平在轨道交通中的发展。 第二章为多电平逆变器的基本电路。本章从多电平变频器的分类入手，采 用基本单元分析法将不同的多电平拓扑结构进行分析与综合，并对几种典型多 电平变频器拓扑结构的进行了比较分析，从而得出选用级联型拓扑结构作为研 究对象的原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第三章为级联多电平逆变器的控制策略。本章综述了多电平变频器的p w m 调制方法，着重描述了载波s p w m 调制和空间电压矢量( s v p l j i m ) 调制方法。并 且详细说明了s p w m 的控制算法，确定以载波移相技术为基础的调制法。 第四章为基于三次谐波注入的级联多电平逆变器。本章介绍了三次谐波注 入法的原理，并指出三次谐波注入法的优点，并且对其谐波进行分析，确定了 本文所用的控制策略为三次谐波注入的s p l j v i 。在仿真中，以三单元串联的级联 多电平逆变器结果为基础，通过仿真实验。 第五章为系统的硬件和软件设计。本章先给出了系统的总体框图，再以此 为线索，对主电路和控制电路的设计进行阐述，最后给出了三单元串联的级联 多电平变频器的实验波形以及三次谐波注入后的波形，两者进行对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章多电平逆变器基本电路 目前所见到的多电平逆变器，按主电路拓扑结构来分，主要分为三类基本 的拓扑结构t 3 , 4 , 5j ：二极管钳位型多电平逆变器( d i o d e - - c l a m p e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 、飞跨电容型多电平逆变器( f l y i n g - c a p a c i t o r sm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 和级联型多电平逆变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 。在这 三类基本拓扑结构的基础上，近年来又派生出了很多改进的拓扑结构，本章将 对这些拓扑的特点进行详细的解释和比较，从而得出选用级联型拓扑结构作为 研究对象的原因。 2 1 基本单元与通用多电平变换器的形成方法 所谓基本单元，是指满足构成多电平变换器拓扑条件的最小组成部分。从 电路原理的角度，为得到输出的多电平，至少必须满足两个基本条件：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【3 】：直流母线电压进行电容分压；悬浮电容构_ 成电压源；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应用。其中对 应于二极管钳位型，对应于电容钳位型，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征。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。在电压型电路中，开关元件 承受单向电压，流过双向电流，所以应采用逆导型开关。将基本电平和电路单 元结合，就可以构成多电平变换器的基本单元，如图2 - 1 a 所示，普通两电平 变换器的桥臂就能满足要求。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，自然的思想就是将它们串联或并联，得到如图2 1 b 、 c 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， 纶一陀，昭一n ，眩一n ，0 ；对于后者，实际上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，可以得到三个电平的输出电压v 2 - v 1 ，0 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 y l - v 2 。 v o l 碍1j 譬 =：4 -j 。j 窑2 一h v 2 l 一 1 卑，i j k -f _ 一j v 1 g 嘻h ( a ) ( b )( c ) 图2 - 1多电平变换器的基本单元及其串、并联 ( a 多电平变换器的基本单元( b ) 基本单元的串联( c ) 基本单元的并联 在得到基本单元后，为了获得更多的电平，可以采用基本单元串一并和并一 串的联接方式进行扩展哺 7 j 。将多电平变换器基本单元分别串联，得到若干个 电平数递减的部分，再将这些部分并联，从而得到如图2 2 所示的多电平变换 器拓扑。 2 1 ( a ) 基本单元串并联多电平拓扑 ( b ) 基本单元并串联多电平拓扑 图2 2 基于两电平桥臂的多f 乜平变换器拓扑 将任意电平的基本单元并联形成多个全桥单元，再将这些全桥单元串联， 可得到任意电平的级联型多电平变换器。由于级联型多电平变换器具有易于模 块化的结构特点，所以基本单元的思想在其中更能充分地体现出来，对于级联 型多电平变换器，将在以下篇幅着重详解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 基于基本单元串一并( 并一串) 的研究思路，不仅可以得到三类基本多电平 变换器拓扑( - - 极管钳位型、飞跨电容型和级联型) ，而且可以推导得到一系 列新的拓扑结构。多电平变换器的拓扑结构多种多样，并且它们各有特点。在 实际应用中，要根据不同的应用场合和要求，选取合适的拓扑结构。 2 2 二极管钳位型多电平变换器 2 2 1 二极管钳位型多电平变换器的结构特点和工作原理 二极管钳位型多电平变换器始于二极管钳位型三电平变换器。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，建立了n p c 结构的多电平模式。 对于n 电平的二极管钳位型逆变器拓扑，每个桥臂需要( n 1 ) 个直流分压 电容，2 ( 玎一1 ) 个主开关器件，仰一1 ) 仰一2 ) 个钳位二极管。通过组合3 个相同 的单臂电路，利用相同的分压电容，可以容易得到三相电路，如图2 3 所示。 c 1， 妇1 j b曲1 j bs 。- j 咯 = k i h i 1 h jl 1 ，3 s a 二b8 b 2 j b。i j b 一h ih jl【 c 2 、：一p b b 3 。b”。i 二b -： j、，、i - r 、tk t ，、tj ” s 。f - b8 b 4 。b $ e 4 - a t多 垤a i c 曰 厶 c 3 1 ：= 呲j b砧p j b g c l j j l i i 。dl l ntr v lnl nl n s b 2 “b嘲“晤 皿 b 。ii l i c 4 = b a _ i j lb 1 8 b 3 tj 目s 。o b i i 。s a _ j e i t。：j l cs c s ，j i e 图2 - 3二极管钳位型五电平三相逆变器主i 乜路 以二极管钳位型五电平三相逆变器主电路a 相为例，分压电容 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 c l = c ，= g = e ，分析其输出阶梯波多电平的原理如下： 开通上桥臂所有开关s a l 、s a 2 、s a 3 、s a 4 ，输出电压v a o = v d c 。 开通开关s a 2 、s a 3 、s a 4 、s a l * ，v a o = 3 v d c 4 。 开通开关s a 3 、s a 4 、s a l * 、s a 2 * ，v a o = 2 v d c 4 。 开通开关s a 4 、s a l * 、s a 2 * 、s a 3 * 。v a o = v d c 4 。 开通开关s a l * 、s a 2 * 、s a 3 * 、s a 4 * ，v a o = o 。 表2 - 1 给出开关状态和输出电压关系，其中“1 ”代表开关开通，“o ”代 表开关关断。从表中可以看出上下半桥的开关互补，a 相互补的开关分别为 ( s a l ，s a l * ) 、( s a 2 ，s a 2 * ) 、( s a 3 ，s a 3 * ) 、( s a 4 ，s a 4 * ) 。 表2 - 1二极管钳位型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 输出开关状态 电压 s a l s a 2 s a 3s a 4s a l s a 2 s a 3 。s a 4 v 5 = v d clll1oo0o v 4 = 3v d c 40l1l 1 o o0 v 3 = 2 v d c 4ooll 1 1 oo v 2 = v d c 4o0ol1110 v l = 0o0o01111 在传统的二极管钳位型多电平变换器中，当电平数超过三时，钳位二极管 因需要阻断多倍电平电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。由于开关特 性的不一致及杂散参数，可引起二极管两端的过电压，因而需要均压措施和很 大的r c 吸收电路，导致系统体积庞大，成本增加。为了解决这一问题，提出 了一种改进型拓扑，如图2 - 4 所示。这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓扑 一样。但由于钳位二极管位置的变化，该电路不仅能实现功率开关管的电压钳 位，而且还能通过直接和间接的方式将钳位二极管的电压钳在单电平电压之 内。这个改进电路在电平数较多的情况下，具有较大的优越性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 4 改进的二极管钳位型五电平逆变器单臂电路 当二极管钳位型多电平变换器用于传递有功功率时，每个直流母线电容的 充、放电时间不同，会造成它们的电压不平衡，从而导致输出电压的畸变，甚 至得不到期望的多电平输出。因为n p c 变换器只有两个直流分压电容，它的中 点点位控制相对简单，因此在电动机驱动中得到了较为广泛的应用。而随着电 平数的增多，直流母线电容的电压不平衡成为阻碍二极管钳位型拓扑在实际中 应用的主要因素之一。针对中点点位不平衡问题，研究者们做了大量的工作， 提出了各种解决方案，归纳起来，主要是通过改进硬件电路和控制方法来实现。 从改进硬件电路方面来看，其中包括利用独立直流电压源，或者对每个电 平采用电压调节器，但是这两种方法需要增加隔离变压器和开关器件。于是提 出了一种用两个相同的多电平拓扑来分别构成整流器和逆变器的多电平驱动 系统，即“背靠背( b a c k - t o b a c k ) 连接方式。这种系统可以实现直流母线 电容的电压平衡，并且可用于四象限可逆运行的负载。 从控制方法这方面看，般都是通过选取空间矢量的冗余开关状态中适合 的矢量来实现的。开环控制法事一种最简单的控制方法，即交替选择正小矢量 的负小矢量，无需中点电压反馈和额外的计算。但很明显，这一方法对于中矢 量对中点电压的影响不能进行补偿，而只能通过中矢量自身的对称性，在一个 完整的输出电压周期内，完成中点电压的平衡。因此，中点电压存在很大的低 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 频纹波，需较大的滤波电容，价格昂贵，体积庞大，很难付诸实用。而闭环控 制法，是通过检测电压的偏差和中点电流方向，根据这些信息，增大对中点 电压具有相反作用的小矢量的作用时间，实现在每个载波周期内的中点电压平 衡。 2 2 2 二极管钳位型多电平变换器的优缺点 综合上述分析，我们可以得n - 极管钳位型多电平变换器拓扑的优缺点如 下： 优点： 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。 可控制无功功率流。 背靠背连接的系统b a c k t o - b a c k 连接系统控制简单，实现能量双向流动， 还可较好的平衡电容电压； 于每相桥臂中间的开关管的导通时间远远大于两侧的开关管，因此，可 以根据需要选择不同额定电流的功率元件，使成本迸一步降低，提高功率元件 的利用率。 缺点： 需要大量钳位二极管。 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 存在直流分压电容电压不平衡问题。电位发生变化不仅影响输出效果， 也使开关元件承受电压发生变化，因此必须采取一定措旃保证其平衡。 2 3 飞跨电容型多电平变换器 2 3 1 飞跨电容型多电平变换器的结构特点和工作原理 飞跨电容型拓扑最早是由t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会议 上提出的。其最初目的是为了减少二极管箝位型多电平变流器在较多电平情况 下过多的箝位二极管，采用悬浮电容器来代替箝位二极管工作，直流侧的电容 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 不变。 对于一个刀电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2 ( n 1 ) 个开关器件， ( n - 1 ) 个直流分压电容以及0 1 ) ( 以一2 ) 2 个钳位电容。图2 - 5 所示是一个飞跨 电容型五电平三相逆变器主电路： 图2 5 飞跨电容型五电平三相逆变器主电路 从从a 相桥臂看，s a 为功率开关管，c 1 - - c 4 为直流分压电容，其余为钳 位电容，每个电容都具有相同的容值和电压。由图可见，与二极管钳位型多电 平变换器不同，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行钳 位的，它的开关状态表见表2 2 。 表2 - 2 飞跨电容型五电平逆变器输出电压与开关状态之问的关系 输出 开关状态 电压 s a ls a 2 s a 3s a 4s a l s a 2 s a 3 +s a 4 - v d c 2 000o1l11 1 0 o0 l1 1o 0lo0l10 1 v d c 4 o o l0 1 0l1 o0 0 1o1l l o1l0011o0 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 0 o11o01 1 1 o101 0 1o l oo 10l lo 0l 0 1ol o1 0l10l0o1 1ll010oo 0l11o0ol v d c 4 1o11o01o l1 0 l o 1 00 v d c 2ll11oo oo 从表中我们可以看出，该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电 压，可以由不同的开关组合得到。例如，对于输出电压v d c 4 和v d c 4 分别可 以由4 种开关状态组合得到：对于输出电压0 ，可以由6 种开关状态组合得到。 这神开关组合状态的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性。 飞跨电容型多电平变换器拓扑的出发点之一，是为了去除二极管钳位型电 路中大量的钳位二极管，但同时又引入了大量的悬浮电容。在电力电子装置中， 电容是一个可靠性较差、寿命较短的器件。为了用较少的飞跨电容实现较多的 电平输出，提出了一种全二进制组合的浮动电压源逆变器的拓扑。在该拓扑中， 通过改变飞跨电容的电压比，使每个开关状态对应一个输出电平。图2 - 6 为全 二进制组合的浮动电压源四电平逆变器单臂电路，它是两个不同的四电平单臂 电路，两个拓扑中的电压比分别由传统拓扑中的1 ：2 变为1 ：3 和2 ：3 。这样 利用相同数量的开关器件和飞跨电容，就可实现较多电平数的输出。但是，在 这种情况下，开关状态冗余性的丢失，使得飞跨电容的电压平衡难以实现，因 此拓扑中的飞跨电容都要用独立电压源来代替。 图2 6 全二进制组合的浮动电乐源四电平逆变器单臂 乜路 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 2 飞跨电容型多电平变换器的优缺点 飞跨电容型多电平变换器的特点如下： 1 、优点： 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。 大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 2 、缺点： 当变换器输出电平数很大时，需要的筘位电容数量大，封装困难，成本 较高。 用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。 功率变换电路控制困难，有功功率流量转换的开关频率和损耗较高。 2 4 级联型多电平变换器 多电平变换器的主要目的之一是为了采用低耐压器件输出高压，前面所述 的二极管钳位型和电容飞跨型电路的共同点是，二者都是只要一个独立直流电 源，都属于电力电子器件串联的结构。为了降低单管耐压又要避免动态均压以 及输出电平台阶，在一个独立电源的前提下用多个直流电容分压，则出现了分 压直流电容均压问题。在这两种拓扑及其拓展的逆变器系统中只能用控制算 法来解决这个问题，而本部分介绍的桥式单元串联的结构提出了解决直流电容 不平衡问题的途径。实现办法是采用多个电气独立的直流电容分压，输出多个 台阶的电平，即具有独立直流电源的级联型变换器弘，j ( c a s c a d e dt o p o l o g yw i t h s e p a r a t e d 。d cs o u r c e ) 。桥式逆变器在交流输出之前，各个单元桥相互独立， 变压器二次的移相接法实现了变压器原边的电流多重化，极大地提高了输入电 流的波形质量。各个单元的直流电容没有均压问题，相对于器件串联的形式， 在控制上要简单许多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 4 1 级联型多电平变换器的结构特点和工作原理 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 年会上提出了级联型多电平变换器，它 当时用于实现等离子体的稳定性要求。实际上，r h b a k e r 等人在1 9 7 5 年就对 级联型拓扑申请了专利，但是在此后的很多年里，这种拓扑并没有得到推广应 用。直到1 9 9 7 年，级联型拓扑才得到了较为广泛的应用。 图2 7 是传统的级联型五电平变换器拓扑单臂电路，它