（电力电子与电力传动专业论文）多电平二极管箝位型逆变器pwm控制方法及相关问题的研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i - l e v e ld i o d ec l a m p e di n v e r t e rh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e rt h ec o n v e n t i o n a lt w o - l e v e l i n v e r t e r t h em a i na d v a n t a g e sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) v o l t a g ea c r o s st h es w i t c h e si so n l yh a l ft h ed cb u s v o l t a g e ；( 2 ) b e t t e ro u t p u tv o l t a g eq u a l i t ya n dc u r r e n tw a v e f o r m s ；( 3 ) t h ep e a 】【t r a n s i e n tv o l t a g ea t t h em o t o rt e r m i n a l si sr e d u c e d t h er e s e a r c ho nm u l t i l e v e ld i o d ec l a m p e di n v e r t e rp w ms c h e m e si s b e c o m i n gp o p u l a r t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e sp w m m e t h o da n dr e l a t i v et e c h n i q u e so f m u l t i - l e v e l d i o d ec l a m p e di n v e r t e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra l ea sf o l l o w s ： i b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es h e p w mp r i n c i p l e ，am e t h o do ft h es e l e c t i v eh a r m o n i c e l i m i n a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nh o m o t o p ya l g o r i t h ma p p l i e dt ot h r e e l e v e ln p ci n v e r t e ri s p r e s e n t e d t h em e t h o do fs o l v i n gt h es h e p w mn o n l i n e a ra n dt r a n s c e n d e n t a le q u a t i o n sh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g ec o n v e r g e n c em a r g i n ，q u i c kc o n v e r g e n c e ，a n di n s e n s i t i v ei n i t i a li t e r a t i o n s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di ss a t i s f i e d 2 t h ep r i n c i p a ll i m i t a t i o nw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs h e p w mt e c h n i q u ei st h ea n a l y t i c a l d i f f i c u l t yi ns o l v i n gt h en o n l i n e a ra n dt r a n s c e n d e n t a le q u a t i o n s t oo b t a i nc o n v e r g e n c ew i t h n u m e r i c a lt e c h n i q u e s ，c o m m o n l y , s o m em e t h o d sm u s tb et a k e nt op r e s e tt h ei n i t i a lv a l u e sa n d p r e d i c tt h et r e n do ft h e s ev a l u e so v e rw h o l er a n g eo fm o d u l a t i o ni n d e x t h e r e f o r e ，g e n e t i ca l g o r i t h m a n dc h a o t i ca n tc o l o n ya l g o r i t h ma r ea d o p t e dh e r er e p l a c en u m e r i c a la l g o r i t h m st oo v e r c o m et h i s d i f f i c u l t y , b e c a u s eo fi t si n t r i n s i ca b i l i t yt ob e 咖s e a r c h i n gr a n d o m l y , e a s yc o n v e r g e n c ea n dl e s s c o m p u t i n g - t i m e t h i sm e t h o dc a na c h i e v eo n l i n es h e p w m c o n t r o lo ft h et h r e e l e v e ln p ci n v e r t e r 3 i no r d e rt op e r f o r mt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i cm a t h e m a t i c a l l yi n c a r r i e rd i s p o s i t i o np w m ，t h ef o u r i e rs e r i e so ft h et h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e sw i t ht w o k i n d so fc a r r i e rp w ms t r a t e g i e sr e s p e c t i v e l yh a v eb e e nd e r i v e db ym e a r l so fd u a lf o u r i e rt r a n s f o r m s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o p o s e dt o 谢鸟t h ec o m p a r i s o n 4 af a s ts p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o na l g o r i t h mu s i n g6 0 。c o o r d i n a t ef r a m ea p p l i e dt o m u l t i - l e v e ld i o d ec l a m p e di n v e r t e ri si n t r o d u c e d t h ep o s i t i o no fr e f e r e n c ev e c t o ra n dt h en e a r e s t b a s ev e c t o r sd o n tn e e dt oc o m p u t et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n ，s ot h ec o m p u t a t i o ni se x t r e m e l ys i m p l e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi se f f e c t i v e 5 as i g n i f i c a n tp r o b l e mw i t ht h r e e l e v e ln p ci n v e r t e r si st h ef l u c t u a t i o ni nt h en e u t r a l p o i n t p o t e n t i a l t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fn e u t r a l - p o i n tc i r c u i ta n dn e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a la r ed e v e l o p e d t h en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a ll e a d st ot h ed i s t o r t i o no fo u t p u tv o l t a g es p a c e v e c t o rw a v e f o r mo ft h e i n v e r t e r t h es v p w mm e t h o di sp r o p o s e dw h i l en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a li su n b a l a n c e d an o v e la n d s i m p l ej u d gr u l eb a s e do n t h es y n t h e t i cs p a c ev e c t o ri si n t r o d u c e d 6 t h er e g i o no f n e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lw h i c hc a l lb eu n b a l a n c e di sd e s c r i b e d a n di ti n t r o d u c e s an o v e lm o d u l a t i o na p p r o a c hf o r t h ec o m p l e t ec o n t r o lo ft h en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a l t h en e w m o d u l a t i o na p p r o a c h ，w h i c hb a s e do nt h ev i r t u a ls p a c ev e c t o rc o n c e p t ，g u a r a n t e e st h ee n t i r eb a l a n c e o ft h en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a l i no r d e rt oa v o i dt h ea b r u p tc h a n g eo fo u t p u tv o l t a g ev e c t o r sd u r i n g t h ep r o c e s so fd e s i r e dv e c t o rc h a n g i n gf r o mo n es e c t i o nt oa n o t h e r , an o v e ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n a l g o r i t h mi sp r o p o s e di nw h i c ht h es a m ep o s i t i v eo rn e g a t i v es m a l lv e c t o r sa r ea d o p t e da sf i r s ta c t i v e v e c t o r s o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nt ov a l i d a t et h em e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e do nt h et e c h n i q u eo fs h e ，p w ma n dt h en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a l b a l a n c e ，w h i c hi m p r o v e dt h ep e r f o m m c eo fm u l t i l e v e ld i o d ec l a m p e di n v e r t e r t h es t u d yh a d t h e o r e t i c a lm e a n i n ga n do f f e r e dv a l u ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m u l t i - l e v e li n v e r t e r , d i o d ec l a m p e d ，s e l e c t i v eh a r m o m ce l i m i n a t i o n ，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，n e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lb a l a n c e 插图清单 图1 1 九电平电压波形1 图1 2 中点箝位型三电平逆变器单相拓扑4 图1 3 二极管箝位型五电平逆变器单相拓扑5 图1 4 电容箝位型多电平电路拓扑7 图1 5 二极管电容混合箝位三电平逆变器单相拓扑8 图1 6 二极管电容混合箝位三相三电平逆变器拓扑9 图1 7 级联型逆变器电路拓扑1 0 图1 8 具有三相单元的级联型逆变器l o 图1 9 通用多电平逆变器单元1 1 图1 1 0 单相载波层叠式p w m 调制方法1 3 图1 1 1 单相载波移相p w m 调制方法1 4 图1 1 2 单相开关频率优化p 硼控制方法1 4 图1 1 3 特定谐波消除单相p 删波形图1 4 图1 1 4 空间矢量图1 5 图2 1 基于d s p 的三电平n p c 逆变系统总体框图1 9 图2 2 基于d s p 的三电平n p c 逆变器主电路结构图2 0 图2 3 基于m 5 7 9 6 2 的双i g b t 驱动原理图2 1 图2 4f p g a 和配置芯片的连接电路图2 1 图2 5 驱动电路2 2 图2 6 信号检测与处理电路2 2 图2 7 控制系统主程序流程图2 3 图2 8 逻辑互锁和死区保护模块2 4 图2 9 基于嵌入式计算机的三电平n p c 逆变系统总体框图2 5 图2 1 0 嵌入式计算机外形图2 6 图2 i ia d 7 4 9 0 数模转换芯片及外围电路图2 6 图2 1 2 通信接口电路2 7 图2 1 3 基于嵌入式计算机的三电平n p c 逆变器的工作流程2 8 图2 1 4 嵌入式计算机的软件流程图o 010 2 9 图2 1 5f p g a 中的f i f o 功能模块2 9 图3 1 三电平n p c 逆变器拓扑结构3 1 图3 2 三电平n p c 逆变器s h e p w m 相电压波形3 l 图3 3 三电平n p c 逆变器s h e p w m 仿真模型3 7 图3 4 基于同伦算法的三电平n p c 逆变器s h e p w i 仿真波形3 7 图3 5 基于同伦算法的三电平n p c 逆变器s h e p 硼i 实验波形3 8 图3 6 遗传算法的流程图4 1 0 图3 7 利用g a 求解的s h e p i 删i 开关角度的解轨迹4 1 图3 8 基于g a 的三电平n p c 逆变器s h e p w m 的仿真波形4 2 图3 9 基于g a 的三电平n p c 逆变器s h e p w m 的实验波形4 3 图3 1 0 蚁群算法的解码过程4 4 图3 1 1 利用混沌蚁群算法求解的s h e p w m 开关角度的解轨迹4 7 图3 1 2 基于混沌蚁群算法的三电平n p c 逆变器s h e p w m 仿真波形4 7 图3 1 3 基于混沌蚁群算法的三电平n p c 逆变器s h e p 帆i 实验波形4 8 图4 1 单相载波反相层叠p w m 控制方法的工作原理5 l 图4 2 三相三电平n p c 逆变器载波反相层叠p w m 工作波形5 4 图4 3 三电平n p c 逆变器载波反相层叠p 删仿真模型5 5 图4 4 三电平n p c 逆变器载波反相层叠p w m 仿真波形5 6 图4 5 三电平n p c 逆变器载波反相层叠p 删实验波形5 7 图4 6 单相载波同相层叠p 删控制方法的工作原理一5 8 图4 7 三电平n p c 逆变器载波同相层叠p w m 仿真波形6 3 图4 8 三电平n p c 逆变器载波同相层叠p w m 实验波形6 4 图4 9 三电平逆变电路的开关模型6 7 7 图4 1 0 三电平逆变器的空间矢量图6 8 图4 1 1 五电平二极管箝位型逆变器的电路拓扑结构7 l 图4 1 2 五电平二极管箝位型逆变器的空间矢量图7 1 图4 1 36 0 。坐标系下三电平逆变器空间矢量图7 2 图4 1 4 基于6 0 。坐标系的三电平n p c 逆变器s v p w m 仿真波形7 4 图4 1 5 基于6 0 。坐标系的三电平n p c 逆变器s v p l | i r 】m 实验波形7 4 图4 1 66 0 。坐标系下五电平二极管箝位型逆变器空间矢量图7 5 图4 1 7 基于6 0 。坐标系的五电平二极管箝位型逆变器s v p 聊d 仿真波形7 6 图4 1 8 三电平逆变器的虚拟空间矢量图7 8 图4 1 96 0 。坐标系下三电平逆变器虚拟空间矢量图7 9 图4 2 0 三电平n p c 逆变器的仿真线波形比较8 0 图4 2 1 三电平n p c 逆变器的实验线波形比较8 1 图5 1a 区内的空间矢量变化图8 3 图5 2 采用合成矢量的a 区矢量图8 4 图5 3 三电平n p c 逆变系统8 5 图5 4 单采样周期中点电压平衡关系曲线9 l 图5 5 六分之一输出周期内中点电压平衡曲线9 2 图5 6 基于n 2 的输出电压矢量时序图9 5 图5 1 三电平n p c 逆变器线电压和中点电压仿真波形9 6 图5 8 三电平n p c 逆交器线电压和中点电压实验波形? 9 7 表格清单 表1 1 三电平n p c 逆变器的开关状态和输出电平的关系( a 相) 5 表1 2 五电平二极管箝位型逆变器的开关状态与输出电压的关系5 表1 3 电容箝位型五电平拓扑开关状态与输出电压的关系7 表2 1 基于d s p 的三电平n p c 逆变器主电路参数表2 0 表2 2 基于d s p 的三电平n p c 逆变系统主要参数表2 4 表2 3f i f o 数据结构表2 9 表2 4 基于嵌入式计算机的三电平n p c 逆变系统主要参数表3 0 表3 1 利用同伦算法求解的s h e p w m 开关角度mq l o l 3 6 表3 2 消除5 、7 、1 1 次谐波时s h e p 删开关角度数4 1 表4 1 空间矢量作用占空比的计算6 8 表4 2a 区分区规则表6 8 表4 3 大区的分区方法7 2 表4 4 三电平逆变器a 区中小区的分区方法7 2 表4 5 五电平逆变器a 区中小区的分区方法7 5 表4 6a 区判断规则和矢量扇区的关系7 8 表4 7 基于6 0 0 坐标系a 区判断规则和矢量扇区的关系 o ooooo 7 9 表4 8a 区的每个小三角形矢量选择表8 0 表5 1 中小矢量作用时中点电流表8 2 表5 2 中小矢量作用时中点电压表8 2 表5 3a 区判断规则和矢量扇区的关系( 中点电压不平衡时) 8 4 表5 4 空间矢量作用占空比的计算( 中点电压不平衡时) 8 5 表5 5 中矢量开关函数表8 9 表5 6 小矢量开关函数表8 9 独创性声明 本人声明所t ! 交的。譬化论史足本人任导f ；r l i p , 导卜进ij ：的研究i ：作及取得的“j 究成果。据 我所知，除j ，文r 一 ! | _ ! i j i j 加以 ，j ：注雨i 敏跗f i ，j 地力。外，论文t - 1 i 包含j 他人l 二纶发& 或撰，了过的 研究成果，也f i 包含为获得 佥巴! ：些厶：羔 或其他敦育机构的。节何或证ie 而使j l j 过的 材料。与我一同i ：作的i 司忠对夺训究所做的任何贞献均l 台：论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位捌档名：刃膨胛 签字 j 期：嘭年刮j 矽们 学位论文版权使用授权书 本何论文作者完个了解佥世旦厶：羔彳j 1 火保留、使川7 ：f 移论文的姚定，自权保留斤 向国家仃火部fj - 戈 j j l 构送交论文的复 1 f l ：剌磁盘，允许论义彼夼阅和借阅。本人授权盒8 坠l 业厶堂可以将学何论文的伞部或部分内窬编入有关数据怍进行榆索，可以采心影印、缩印或 十- j 描筲复制手段保存、汇编。誓何论文。 ( 保密的。丫：何论文缸i 解密肝适川小授权l5 ) 学位论文作者签名： 签宁已j j ：州1 i j 西_ 1 学f 市论文作者毕业土向： 作单何： 通讯地址： j 也i l i ： 邮编： 致谢 本论文是在导师王群京教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。在这三年的学 习生涯中，导师高尚的品德，渊博的知识、深邃的学术眼光、严谨的治学态度和 谦和近人的品格使我终生受益，导师鼓励我在学习上积极创新，并提供了优越的 科研工作环境，在此谨向王群京教授致以最衷心的感谢。导师的教诲和启迪将使 我受益终生。 一直以来，李国丽教授自始至终在工作中给予热情的指导和在生活中给予热情 的帮助。她宽广的知识面、严谨的工作作风给我深深的启迪，她勤劳的敬业精神、 乐于助人的崇高品质深深令我佩服，在此，谨向她致以最诚挚的谢意和最真诚的 祝福! 论文研究中用于实验验证的两套三电平n p c 逆变器实验平台包含课题组成员姜 卫东博士、陈权博士、段晓超硕士、吴海岸硕士、王智硕士等的工作，在此一并 表示感谢! 感谢倪有源、鲍晓华、朱卫国、夏秋实、冯纪归、李姜姜、王安邦、鞠鲁峰、 周金斌、刘军、史晓峰、纪心毅、钱酷、王涛、王红涛、朱少林、王强、王远兵 和许维国等同学给予帮助! 本人论文的完成，得到了合肥工业大学电气与自动化工程学院很多老师的热 情帮助和支持，在此深表谢意。特别感谢宗仁鹤教授，刘春副教授、刘健副教授、 朱维勇副教授、李维华副教授、黄福林副教授、刘良成副教授、叶运骅副教授、 陈强博士、陈波博士和高莉老师等在工作和生活中对本人的帮助! 感谢我的父母，是他们几十年的含辛茹苦，才有了我今日的成绩。感谢我的 妻子，对我的长期的支持和生活中无微不至的关爱! 感谢论文的评议、评阅老师和答辩老师在百忙中对本文进行审阅和指点。 感谢所有在学习和生活中给我的帮助的人! 作者：胡存刚 2 0 0 8 年0 1 月于合肥 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多电平逆变器及其研究背景 1 1 1 多电平逆变器的定义 所谓电平数，对于电压型逆变器而言，是指在输出电压一个周期内的电压电平数，亦指 的是输出电压波形中，波峰到相邻波谷之间所包含的阶梯数，如图1 1 所示。它的波峰到相邻 波谷之间所包含的阶梯数是9 ，所以为九电平电压波形。 n 一_ 、 li ii 广 u 图1 1 九电平电压波形 多电平逆变器( m u l t i - l e v e li n v e r t e r ) ，是指输出相电压波形中的电平数等于或大于3 的逆变 器。主要有两种组成形式1 捌：一种是在两电平逆变器半桥式结构的基础上，按照类似的结构 通过增加直流分压，将直流电压分压成多种直流电压，然后加入钳位电路( 二极管或电容) 和增加开关管的串联个数构成半桥式多电平逆变器，用不同的开关组合得到多电平输出；另 一种则是利用单相全桥式逆变器( h 桥) ，通过直接串联叠加组成级联式多电平逆变器，每一 个单相全桥式逆变器的直流电源必须是独立的直流电源时才能进行级联，独立直流电源的电 压可以不相等。不同的直流电源电压的取法，可以得到不同电平数的电压输出，如三电平、 五电平和七电平等。 1 1 2 多电平逆变器的研究背景和意义 高压多电平逆变技术被公认为是电力电子技术领域的颗明珠，集电力电子技术、计算 机控制技术、通讯技术和电机控制技术于一体，它通过将固定频率的高压交流电源转换成电 压频率可调的交流电来实现对交流电机的无级调速或其它设备的控制。多电平逆变器的研究 背景和意义在于： ( 1 ) 节能和环保的需要f 】 3 4 】 众所周知，在工业应用领域，大功率高压电动机的应用占主要地位，它是电力、工矿、 化工、冶金和造纸等企业中的主要动力，例如：电力工业的给水泵、引风机，钢铁工业的高 炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机，石化行业的压缩机等等。驱动电机都是4 0 0 4 00 0 0 k w ， 3 l o k v 的大功率高压电动机，其消耗的能源占电动机总能耗的7 0 以上，而且绝大部分都 2合肥工业大学博士学位论文 有调速的要求但缺少节能调速手段。目前，我国的高压电动机的调速和启动方法仍很落后， 这种状况，不但浪费了大量的能源，而且造成机械寿命降低。因此，开发高压大容量多电平 交流电机变频调速节能装置并推广应用，对我国工业降低单产能耗和提高环境质量具有重要 意义，鉴于此，国家能源节约与资源综合利用“十五”规划指出：高压变频器技术是重 点发展技术之一。 环境污染问题也是人类当前面临的共同难题。电能的生产、变换、使用在很大程度上影 响到环境。电能的生产一般伴随二氧化碳、二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应的原因 之一，后者是酸雨的成因，二者对环境危害都很大。少一点电能生产即能换得环境少一点恶 化。生产发展必然要增加电力的需求，要降低成本主要在于节约电力，减少电力的浪费。这 要求电源装置、电能变换系统提高效率。另外，干净的电磁环境也要求电能变换设备在电磁 兼容性方面达标。节约电能、电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在必行。 ( 2 ) 改善电能质量的需要【l 】 目前我国的电网电压和电流存在着严重的质量问题，其形成原因十分复杂，例如电网容 量的不足、输变电和各种配电设备性能及质量问题、各种用电设备配置的不合理、设备间的 相互影响以及配电系统中各种非线性负载的增加、电力电子设备的广泛应用、地电和人为因 素的影响等，使市电电能供应的质量在逐渐恶化。其中主要是市电电压的波动、谐波、闪变 以及市电电流中的无功与谐波分量的影响。加之用户负载中的电动机、变压器、荧光灯等非 线性阻感性负载以及电力电子电源的大量应用也引起了谐波和无功功率的大量产生。 多电平逆变技术由于本身具有输出电压波形好、输出谐波小等优点，多电平逆变器若直 接应用于电网中，较传统的两电平逆变器可以减小对电网的谐波污染。采用多电平逆变器制 成的静止无功功率补偿器、电力有源滤波器、综合潮流控制器、直流输电的整流器以及与此 相关的技术等可以构成柔性输电系统，提高电网电能质量。因此研究开发多电平逆变器是电 力系统中提高电能质量发展的需要，也是新的发展趋势。 ( 3 ) 提高电气传动系统性能的需要【l j j 在传统工业技术改造场合，高压大功率交流电机变频调速正在被推广应用，并逐步取代 直流电机调速技术占到了主导地位。交流电机调速技术已经广泛应用于造纸、冶金、船舶、 化工、电力、铁路和水泥等行业。交流电机调速系统的应用，不仅可以节能，也可以显著提 高整个系统的性能，改善工艺条件，大大提高产品质量和生产效率。传统的两电平逆变器， 由于其固有特点，如d q d t 大、e m i 大、开关频率高、效率低、谐波严重，不适合于高压应用， 不能达到理想的调速效果，而多电平逆变器性能较两电平器显著改善，因而促进了多电平逆 变器的发展。 ( 4 ) 电力电子技术发展的结果 电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，它们以开关阵列的形式应用于电力变流器 中，把相同频率( 交流控制器) 或不同频率( 周波变流器) 的电能进行交一直( 整流器) 、直一 直( 斩波器) 、直交( 逆变器) 和交交变换。这种开关模式的电力电子变换县有较高的效率， 第一章绪论 3 但它们不是理想的开关，它们都具有导通和开关损耗，因此仍需要对逆变器的性能作进一步 优化。现在所应用的电力半导体器件几乎全部是建立在半导体材料的基础上的，一般可归为 晶闸管( s c r ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、门极关断晶闸管( g t o ) 、双极结型晶体管( b j t 或 b p t ) 、电力m o s f e t 、静电感应晶体管( s i t ) 、绝缘双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸 管( m c t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 等。由于采用高压输配电具有一系列优势，虽然 目前已研制出用于高压的电力半导体器件，但是耐压等级与期望值之间仍有差距，且耐压越 高制造技术越复杂，相应成本也越高，因此必须在电力电子变换领域寻求新的逆变器拓扑结 构，进行相关技术研究，多电平逆变器就是一种可解决上述诸多难题的有效方法。 ( 5 ) 经济发展需要 近几年来，随着我国经济的迅猛发展，我国高压变频器的研究开发、生产和应用都有了 突飞猛进的进步。但我国的高压变频器产业和工业发达国家相比，还有很大差距，在我国市 场上，高压变频器大部分为国外产品( 例如：西门子、a b b 、罗宾康等公司产品) 。我国的高 压变频器产品的开发刚刚处于起始阶段，虽然已有少量公司( 例如利德华福、山东风光和广 东明阳等) 开发出了自己的产品，在价格上能和国外先进的产品抗衡，但关键技术和可靠性 相对比较落后。如前所述，当前和今后很长时间我国对高压大容量逆变器需求巨大，若能研 发出具有自主知识产权的高技术含量的高压变频器，经济效益十分可观，因此，开展多电平 逆变器的研究十分可行和必要。 1 2 多电平逆变器的拓扑结构 1 2 1 箝位型多电平逆变器 箝位型多电平逆变器是由基本单元电路通过串并联组合而成的一种单直流电源、半桥 式结构形式的多电平逆变器。包括二极管箝位型多电平逆变器、电容箝位型多电平逆变器、 混合箝位型多电平逆变器等几种类型。其详细分类如下： 4合肥工业大学博士学位论文 f 二极管中点箝位型 仁极管箝位型多电平逆变刘二极管串联箝位型 i1 二极管自箝位型 li 采用辅助桥臂的二极管箝位型 靴够杆黻1 僦僦蚴獭小跳辅倒 i 飞跨电容箝位型多电平逆变器j b 合箝位型多电平逆变器 l 电容电压自平衡型 1 二极管箝位型多电平逆变器 二极管箝位型多电平逆变器是研究最早和应用最多的一种多电平逆变器。其优点是主电 路和控制相对简单，便于能量的双向流动和功率因素的控制；缺点是直流电容分压难以控制。 下面首先以最常用，也是本论文重点研究的二极管箝位型三电平逆变器为例，来分析二极管 箝位型多电平逆变器的工作原理。 ( 1 ) 二极管箝位型三电平逆变器 二极管箝位型三电平逆变器又称三电平中点箝位( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，n p c ) 逆变器， 单相拓扑结构如图1 6 ，由日本学者a n a b a l e l 9 8 1 年在i a s 年会上提出【5 1 。 u 。 五j k2 c ；i 。最j k n 】 刊苫 -o 上 d c 2 ；之 u 列2 图1 2 中点箝位型三电平逆变器的单相拓扑结构 三电平n p c 逆变器每相桥臂都由4 个开关管、4 个续流二极管和2 个箝位二极管组成。 以a 相为例：当上面两开关管疋1 和& 2 同为导通时，输出端a 对d 点的电平为u d 2 ( p 状 态) ；当中间两开关管咒2 和s 。3 同为导通时，输出端a 对d 点的电平为o ( o 状态) ：当下面两 开关管s 。3 和s 。同为导通时，输出端a 对。点的电平为一2 ( ，z 状态) 。所以每相桥臂能 输出u d 2 、0 、一2 三个电平状态。且每相桥臂的开关管墨。和墨3 ，2 和最。状态互 补( x = a ，b ，c ) 。上述分析也可以用表1 1 给出，可以看出，每相桥臂中间的两个开关管导通 时间长，开关损耗大。 第一章绪论 5 表1 1 三电平n p c 逆变器的开关状态和输出电平的关系( a 相) 输出电平 s a ls a 2s a 3s a 4 p o no n o f fo f f 0o f fo n o no f f 1 1 0 f f0 f f o i lo i l 三电平二极管箝位型逆变器相对于两电平逆变器而言，具有以下优点【3 6 刀： 三电平n p c 逆变器能够很好的解决电力电子开关耐压不够高的问题； 三电平n p c 逆变器输出相电压波形为三电平，线电压波形为五电平，形状更接近正弦 波，在同样开关频率下，谐波含量较两电平低很多； 更小的d v d t ，对外围电路的干扰小，对电机的冲击小。 ( 2 ) 二极管箝位型多电平逆变器 图1 3 是一个五电平二极管箝位型逆变器的相桥臂结构，在它的直流侧有c l 、c 2 、c 3 和 c 4 四个电容，如果直流侧输入电压为，则在每个电容上的压降为u d 4 。设中性点0 作为 输出相电压的参考点。有五种开关组合方式来合成吃的五个电平，如表1 2 所示。 图1 3 二极管箝位型五电平逆变器单相拓扑 表1 2 五电平二极管箝位型逆变器的开关状态与输出电压的关系 多电平逆变器每相都存在互补开关对，即当开关对的一只开关导通时，另一只就关断。 按此定义，这个五电平逆变器中有4 个互补开关对：( s ，爿) ；( 是，醍) ；( 岛，墨) ；( & ， 6 合肥工业大学博士学位论文 叉) 。 对于m 电平逆变器而言，尽管每只主开关器件只需要承受( m 一1 ) 的电压，但是必须是 不同额定电压等级的箝位二极管来承受反相电压。以图1 3 中d ：为例，当下桥臂是奠全导 通时，d 承受三只电容上的电压，即3 u 。4 。相似地，b 和砭承受电压为2 4 ，d 3 承受 电压为3 玑4 。假设每只筘位二极管的额定值与主开关器件的额定值一样，那么每相需要 ( m 一1 ) ( 州一2 ) 只箝位二极管，根据上述对二极管箝位型三电平拓扑和二极管箝位型五电平拓扑 的分析，可以得到七电平及其它更多电平的二极管箝位型拓扑结构，在此就不再详细介绍。 总结二极管箝位型多电平拓扑的特点如下： 主开关器件和箝位二极管的数目。 对于m 电平逆变器而言，每相需要2 ( m - 1 ) 个主开关器件和续流二极管，( m - 1 ) ( m - 2 ) 只 箝位二极管。由于箝位二极管承受不同的反相电压，若每个箝位二极管都选用与主开关器件 相同的耐压，则需要多个器件串联，所以箝位二极管的数目随加的增加而快速增加，大大增 加了系统的成本、降低了可靠性，这是二极管箝位型多电平拓扑很少在五电平以上的逆变器 中进入实用的原因之一。 主开关器件的开关损耗不同，需要的电流容量不相等。 在二极管箝位型多电平拓扑中，越靠近中间的开关管导通时间越长，开关损耗越大，则 电流容量值需选择得越大。 各箝位二极管可能承受不同的反压。 对于m 电平逆变器，箝位二极管承受反压最高为( m 一2 ) u d ( m 1 ) ，最低为 u d ( m 一1 ) 。 直流分压电容电压不平衡。 当逆变器只传输无功功率时，直流分压在半个周期内由相等的充电和放电来平衡电容上 的电压；但当逆变器输出有功功率时，由于各级电容参与输出的时间不同，随着电流对各级 电容的充放电，将使直流分压电容的电压出现不平衡，严重时使电平数退变而无法工作。这 是二极管中点箝位型多电平逆变器的应用的最大障碍，也是论文研究的一个主要问题，在论 文第五章将对中点电压不平衡的机理和控制方法进行详细介绍，建立了电压数学模型，提出 了中点电压的控制方法，并进行了实验验证。 2 电容箝位型多电平逆变器 电容箝位型多电平逆变器也叫飞跨( 悬浮) 电容多电平逆变器( f l y i n g c a p a c i t o r m u l t i - l e v e l ， f c m l ) 【8 9 】，由法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 于1 9 9 2 年最先提出。飞跨电容多电平逆变器 是用飞跨电容代替二极管对功率开关进行直接箝位，因此不存在二极管箝位型多电平逆变器 第一章绪论 7 中的主、从功率开关管的阻断电压不均衡和箝位二极管反相电压难以快速恢复的问题。 单相电容箝位型多电平逆变器的原理电路图如图1 4 所示，其中图( a ) 为单相电容箝位型三 电平逆变器的电路图，图( b ) 为单相电容籀位型五电平逆变器的电路图。电容箝位型多电平逆 变器利用各自独立的电容箝制器件，使得器件所承受电压为直流侧一只电容上的电压。图1 8