（电力电子与电力传动专业论文）多电平变换器pwm控制方法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 电容电压平衡，同时逆变器输出电压具有较好的谐波性能。 本文最后搭建了一个基于消谐波p w m 控制方法的二极管箝位型五电平逆 变实验系统，控制系统由t m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p 和a c e xe p i k 3 0 t c l 4 4 - - 3f p g a 组成，其中d s p 主要完成采样及控制计算，而f p g a 主要负责p w m 波形的产 生，在样机上得到了较为理想的波形。 关键词：多电平变换器；二极管箝位；载波p w m , 低调制度；电压平衡 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e sf o rh i g h 。v o l t a g ea n dh i g h 。p o w e r a p p l i c a t i o n s ，m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sa r es t u d i e de x t e n s i v e l yb e c a u s eo f t h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h e i rl o wv o l t a g es t r e s so np o w e rs w i t c h e s ， l o wh a r m o n i ca n de m io u t p u t ，i t sc o r r e s p o n d i n gp w mc o n t r o lm e t h o d sa l s o h a v eb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t t h i s p a p e ra n a l y z e s t h em u l t i l e v e l t o p o l o g i e s a n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e si nd e t a i l ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et o p o l o g i e s a r ep r e s e n t e di ns u m m r y t h ep w mc o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g yi n m u l t i l e v e lc o n v e r t e r s t h es 脏p w ma n dt h ea 阻s f 0 p w ma r er e s e a r c h e d e x t e n s i v e l yo nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tc a r r i e r b a s e d p w mm e t h o d so fm u l t i l e v e li n v e r t e ri nt h i sp a p e r t h ev a l i d i t yo ft h e c o s f o p w mm e t h o di sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o no ff i v e l e v e li n v e r t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec 0 s f o - p w ms t r a t e g ye x h i b i t s t h eg o o dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i ci nl o wm o d u l a t i o ni n d e xa n dh a sh i g h e r d cv o l t a g eu t i l i z a t i o n t h ep r i n c i p l eo fs v p w w im e t h o di sa l s oa n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec a r r i e r b a s e dp w ma n ds v p w m i se s t a b l i s h e d t h ep a p e r p r e s e n t san o v e lc a r r i e r b a s e dp w mm e t h o dt ot a k e a d v a n t a g eo fa l ll e v e l si nt h ei n v e r t e re v e na tl o wm o d u l a t i o ni n d i c e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o v e lp w ms t r a t e g yi n c r e a s e s d e v i c eu t i l i z a t i o na n de n a b l e st h ei n v e r t e rt os w i t c ha th i g h e r f r e q u e n c i e sa tm o d u l a t i o ni n d i c e s ， d i o d e - c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e rh a sb e e na t t r a c t i n gw i d ei n t e r e s t s i nh i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e ra p p l i c a t i o nf i e l db e c a u s ei td o e sn o t r e q u i r eas e p a r a t ed cp o w e rs o u r c e h o w e v e r ，o n eo ft h em a j o rli m i t a t i o n s w h i c hm a k e si tn o tw i d e l yu s e di np o w e rt r a n s f e ri st h ed cb u sv o l t a g e u n b a l a n c e i nt h i sp a p e r ，a na u x i l i a r yc h o p p e rc i r c u i tw h i c hi sc o n t r o l l e d b yh y s t e r e s i s b a n di sp r o p o s e do nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h e n l 山东大学硕士学位论文 m e c h a n i s mo fd cb u sv o l t a g eu n b a l a n c ei n 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 t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a te m p l o y i n gt h i sc i r c u i tc a n m a i n t a i nt h ev o l t a g eb a l a n c e ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ee x h i b i t sg o o d h a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s ad i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e re x p e r i m e n ts y s t e mw h i c he m p l o y s t h es h e p w mm e t h o di sb u i l t ，t h e s y s t e m i sc o n s t r u c t e db yt h e t m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s pa n dt h ea c e 【e p l k 3 0 t c l 4 4 3f p g 气t h ed s pt a k e s c h a r g eo fs a m p l ea n dc o n t r o l ，t h ef p g ai si nc h a r g eo ft h eg e n e r a t i o n o ft h ep w m ，a n dt h ew a v e f o r m sa r ep r e s e n t e d i v k e yw o r d s ：m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ；d i o d e c l a m p e d ；c a r r i e r b a s e dp w m ； l o wm o d u l a t i o ni n d i c e s ；v o l t a g eb a l a n c e 山东大学硕士学位论文 n 一电平数 ，f 载波频率 4 载波峰峰值 厶调制波频率 4 调制波幅值 符号说明 y 幻负载三相输出电压 y 册正弦电压峰值 y 4 6 ，c 三相调制波 j 复数因子 v 西6 c 4 c 三相输出线电压 幅度调制比 肼，频率调制比 矿姗零序分量 口p 两相静止坐标系分量 y o 嘻醇电压 矿电压空间矢量 y 参考电压矢量 n 采样周期 j 8 f j b j c 菔坐标系分量 鬈广义零矢量的分配系数 m 。高低调制度的l i 缶界值 y 懈滞环带上限电压 v m i n 滞环带下限电压 v 。整流后输出的母线电压 ，6 ，c 开关函数 正弦电压的角频率 v 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 翌垫 日期：互塑：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 翌垫导师签名：1 缝垄芏笙日期：型乙三：! ? 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 多电平变换器的产生和发展背景【1 1 1 2 | 3 1 1 4 | 1 4 3 | 5 3 1 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代诞生以来，经过半个多世纪的飞速发展，至 今已被广泛应用于电力系统、电机调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领 域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面已渐趋成熟，将来的研 究目标则是高功率密度、高效率和高性能；而在高压大功率的工业和输配电领域， 各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。大功率电力电子装置如电 力系统中的高压直流输电( h v d c ) ，以静止同步补偿器( s t a t c o m ) 和有源电 力滤波器( a p f ) 为代表的柔性交流输电技术( 黝c r s ) ，以及以高压变频为代 表的大电机驱动和大功率电源等需要能够处理越来越高的电压等级和容量等级， 同时，为了满足输出电压谐波含量的要求，这些大功率电力电子装置还要能够工 作在高开关频率下，并且尽量减少电磁干扰( e m i ) 问题。 电力电子器件是电力电子装置的核心。在过去几十年里，以g t o 、b j t 、 m o s h 强为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以l g b t 、i g c t 为代表 的双极性复合器件的惊人进步，使得电力电子器件向大容量、高频、易驱动、低 损耗、智能模块化的方向发展。即便如此，在某些应用场合，传统的两电平电压 源变换器拓扑，仍然不能满足人们对高压、大功率的要求。并且，以现有的电力 电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大， 开关频率越低。所以为了实现高频化和低e m i 的大功率变换，在功率器件水平 没有本质突破的情况下，有效的手段是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的 方案。现有的高压大功率变换电路归结起来可以分为5 类。 1 普通三相逆变器 普通三相逆变器通常也称为两电平逆变器，这种拓扑比较简单，为了获得大 功率只能依靠器件的串并联来实现，而简单的器件串并联将会带来开关器件的静 态均压、动态均压和均流等一系列的问题。技术上的不确定因素影响大、可靠性 不高，且由于输出只有两个电平，对输出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用 范围受到一定的局限。 2 降压普通变频升压电路 这种结构两侧均需要大型变压器，体积大、成本高，变压部分一般采用交一 山东大学硕士学位论文 直一交结构，在输出频率较低的情况下，输出变压器的体积会很大，虽然控制较 为简单，但性能仍不理想。 3 变压器耦合的多脉冲逆变器 为了获得高压，同时要减轻器件的电压应力，并解决器件并联带来的问题， 人们利用升压变压器的特点，将逆变桥而不是单个元器件并联起来以获得大电 流。通过改变这些变压器的匝数比或连接方式耦合叠加出阶梯波，以减少谐波。 但由于这些变压器的引入，使得系统成本和损耗大大增加，占用空间增大，且由 于瞬态过程中变压器磁饱和引起的直流磁化和浪涌过电压问题导致了控制上的 困难。 4 交一交变频电路 普通两电平逆变器直流侧电压通常由交流电整流获得，存在直流环节，变频 效率不高，主电路相对复杂。而交交直接变频电路可省去中间直流环节，因此 装置体积小、重量轻，一次功率变换控制效率高。但是，输出频率低，最高输出 频率一般为输入频率的1 3 1 2 ，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。 5 多电平变换器 多电平变换器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率 输出的新型变换器，它无需升降压变压器和均压电路。在实现大功率变换的几种 解决方案中，多电平变换器之所以受到研究者们的青睐，是因为它具有以下一些 突出优点： 1 ) 每个功率器件仅承受x ( n - 1 ) 的母线电压( n 为电乎数) ，所以可以用低耐压 的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路； 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( n i d ) ； 3 ) 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电 压波形，因而开关损耗小，效率高； 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器， d r d r 应力大为减少，在高压大电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿， 同时改善了装置的e m i 特性： 5 ) 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。 相对于其他的高压大功率变换电路，多电平变换器技术由于具有了以上优 2 山东大学硕士学位论文 点，受到了越来越广泛的关注、研究和应用。 1 2 多电平变换器的基本概念1 5 】嘲 多电平变换器的概念最早是由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出的。 该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管 串联，用一对串联箝位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接， 实现中点箝位，形成所谓中点箝位( n p c - - - n c u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 变换器，如图l - i 所示。在这个电路中，o 表示中点，( s a l ，s “) ，( s b l ，s b 4 ) ，( s c l ，s “) 是用来产生p w m 输出的开关器件，( s 以，s a 3 ) ，( s b 2 ，s b 3 ) ，( s c 2 ，) 和 v d 8 l 一k 共同起箝位作用，它们把输出端电压箝位到中点。从表i - i 可以看出， 中点箝位型逆变器的输出端电压在e 2 ，0 ，e 2 之间变化，主功率管关断时仅 仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高压大功率应用场合。1 9 8 3 年， b h a g w a t 等人在此基础上，将三电平电路推广到任意n 电平，对n p c 电路及其 统一结构作了进一步的研究。 e c 图i - i 二极管箝位型三电平逆变器 表i - i 二极管箝位型三电平逆变器输出电压与开关状态之问的关系( 以a 相为例) 输出开关状态 电压 s a ls a 2s a 3s “ e 2l10o oo 110 撇o011 ( “1 ”表示开关器件导通状态，“o ”表示开关器件关断状态) 1 3 多电平变换器的研究和应用现状【4 l 川 从多电平变换器概念的提出至今，在短短二十多年的时间里，已经形成了三 3 山东大学硕士学位论文 类基本拓扑及一系列改进拓扑。与此相对应，多种多电平变换器的调制控制方法 也被提出和研究。在拓扑的研究方面，改进的主要方向是减少器件数量，同时解 决电容电压的不平衡问题等；在控制方面，改进的主要方向是输出波形性能的优 化和算法的简化以及算法的通用型等。但是，在多电平变换器概念提出的最初几 年，它并没有受到更多的关注，其原因在于：多电平逆变器特殊的拓扑结构，无 论是对功率器件还是对控制电路的要求都比较高。因此直到2 0 世纪8 0 年代末， 随着g 1 吣、i g b t 、i g c t 等大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以d s p 为代表的智能控制芯片的迅速普及，关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛 的发展。电力系统中的无功补偿和高压直流输电以及高压大容量电机变频调速是 目前多电平变换器应用的主要领域。 无功补偿作为柔性交流输电技术的一个重要组成部分，一直是国内外相关专 业领域的研究热点，也是现代电力电子技术应用于电力系统最突出的表现。无功 补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿( s v c ) 之后，随着现 代功率半导体器件的应用与新型功率变换电路及控制技术相结合，产生了新型无 功补偿装置一静止同步补偿器( s 1 ：a t c 0 m ) ，而s t a t c o m 的核心就是电压源 逆变器。从目前情况看，将多电平逆变器应用到大功率高电压的电力系统中，如 果电平数过多将会遇到很多困难，如硬件电路过于复杂；为了保持各个电容器的 平衡充电，控制变得困难等。所以，目前多电平逆变器应用于s t a t c o m 中以三 电平或五电平为主，也最为实际。如西门子公司制造的一台三电平s t a t c o m ， 已经安装在丹麦r e j s b yh a d e 风力发电厂，该s t a t c o m 由两个三电平g t o 电压源逆变器通过一个三绕组变压器连接到一条1 5 k v 母线上，其中一个逆变器 连接到y 绕组，另一个逆变器连接到绕组，采用逆导g t o ，器件的额定功率 为4 5 0 0 v 3 0 0 0 a ，装置用空气冷却，无功调节范围为8 m v a r 。 中高压交流大电机变频调速是多电平变换器的另一重要应用领域，由于多电 平变换器在输出相同质量的电压波形的条件下，开关器件的电压应力大大减小， 工作频率大为降低，所以可以克服两电平高频p w m 逆变器驱动中的种种问题， 其代价是所需的功率器件较多，因而它更适于大电机的驱动。一般中大功率的电 机调速输出电压在6 k v 左右，目前随着大功率开关器件的耐压水平的进一步提 高，二极管箝位型三电平逆变器达到这样的输出电压是完全可能的，因此，二极 4 山东大学硕士学位论文 管箝位型三电平逆变器广泛应用于高性能、高电压、大容量电力传动系统中。日 本学者曾经于1 9 9 6 年预见，近几年内，二极管箝位型多电平变换器的功率范围， 将飞速发展并迅速占据几乎所有的中高压变频和无功补偿领域。从1 9 9 6 年到 2 0 0 6 年，i g b t 三电平变频调速装置单机容量由2 m v a 提高到了2 0 m v a ，而 以g t o 、i g c t 为主开关的单机容量也已经由3 0 m v a 提高到了1 0 0 0 m v a 。目 前国际上很多著名的电气公司，包括西门子、a b b 、阿尔斯通、g e 一东芝、三 菱、安川等公司都已经具有此类的大容量电机调速产品。据国外资料统计，目前 用于风机、泵类负载的高压大容量多电平变换调速装置仍然占应用的大部分，在 电厂、油田、石化、钢厂和自来水处理等领域广泛应用的，占工业用电3 0 以 上的各种风机、泵类负载全国约有4 7 0 0 万台，总功率为1 3 亿k w ，这些负载采 用了多电平变换调速技术可以节约大量能源。大容量多电平逆变器供电的交流电 机调速系统近年来在轨道交通系统中也得到了越来越广泛的应用。a b b 公司就 开发了使用i g c t 的高性能三电平逆变器，其容量高达5 0 0 l ，v a 到6 0 0 0 k v a ， 并已经投入商业运用。于1 9 9 9 年投入商业化运行的日本新干线7 0 0 系列高速铁 路采用了单相二极管箝位型三电平结构整流器和三相二极管箝位型三电平逆变 器，容量达1 1 m w ，电压等级为1 8 5 0 v 。 在国内，由于高压变频技术仍没有较大规模形成产业化，落后于发达国家， 目前应用的高压大功率装置大部分是引进产品。而我国又潜在着巨大的高压大功 率变频器市场，国家计委预计在今后1 5 年内，我国变频器总需求的投资额在5 0 0 亿元以上，而其中6 0 7 0 是高压大功率变频器。所以，在世界上各大电气 公司都在这一领域展开激烈竞争，以抢占我国高压大功率变频器市场的同时，我 国也意识到研制国产高压大功率变频器的紧迫性和重要性。近些年来，国内部分 科研院所和一些公司在这一领域也做了一些研究和产品开发工作，包括北京利德 华福、山东新风光等国内公司的变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染 和无需专用电机等优点，在技术上已经达到国际先进水平。 1 4 本文的主要研究内容 本文总结了已有的多电平变换器拓扑的工作原理，对多电平变换器已有的 p w m 控制方法进行了详尽的分析，同时以二极管箝位型多电平变换器为例进行 了仿真验证。针对二极管箝位型多电平逆变器工作在低调制度区域时出现的电平 5 山东大学硕士学位论文 退化现象，提出了一种新型的载波p w m 调制方法，采用这种方法可以有效解决 低调制度下电平退化的问题，同时还可以提高多电平逆变器在低调制度下的器件 利用率。针对二极管箝位型多电平变换器电容电压不平衡问题，本文提出了一种 采用滞环控制的直流斩波电路，采用这种电路可以较好地解决多电平逆变器直流 母线电容电压的平衡问题。 本文的内容如下： 第1 章为绪论，回顾了多电平变换器的发展过程，同时对其研究和应用现状 进行了介绍。 第2 章对多电平变换器已有拓扑的工作原理进行了详尽的介绍，归纳出了各 类拓扑的优缺点。 第3 章对多电平变换器已有的p w m 控制方法进行了分析，重点研究了消谐 波p w m 控制方法和载波交叠一开关频率优化p w m 控制方法，同时对二极管箝 位型五电平逆变器进行了仿真研究。 第4 章对二极管箝位型多电平变换器采用现有载波p w m 控制方法时产生的 电平退化现象进行了详尽地分析，提出了一种新型的i w m 控制方法，既便是在 低调制度下，所有的电平都能够得到应用，提高了逆变器在低调制度下的器件利 用率，使得逆变器在低调制度下工作于较高频率。 第5 章分析了多电平变换器工作工程中产生电容电压不平衡问题的原因，提 出了一种采用滞环控制的直流斩波电路，采用这种电路可以较好地解决多电平逆 变器直流母线电容电压的平衡问题。 第6 章介绍了二极管箝位型五电平逆变器控制系统的实现，进行了实验验 证。 第7 章对本文工作进行了总结，同时，指出了对于本课题，需要进一步研究 的方向。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章多电平变换器的基本电路拓扑 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： 二极管箝位型多电平逆变器( d i o d e - c l a m p e dm u l t i l e v e li 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 m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 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， 本章将以二极管籀位型多电平逆变器拓扑为主对这些拓扑的特点进行综述比较。 2 1 二极管箝位型多电平逆变器 2 1 二极管箝位型多电平逆变器的结构特点和工作原理【8 j 1 9 1 【1 0 l 【1 1 1 2 j 1 5 5 1 图2 - 1 所示是二极管箝位型五电平逆变器的单臂电路结构。分压电容 c l - c 2 - g - c 4 ，因此匕1 - v 2 一v 3 - v 4 ；每相桥臂有8 个开关器件s 1 一s 8 串联，每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，其中( s 1 ，s 5 ) 、( s 2 ，s 6 ) 、( s 3 ， s 刀、。 s 4 ，s 8 ) 为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个一 定关断，反之亦然。d c l ，d c l ，d c 2 , d c 2 ，d c 3 ，d c 3 为箝位二极管。五电平逆 变器的输出电压及其对应的开关状态如表2 - 1 所示。对于n 电平的二极管箝位型 逆变器拓扑，每个桥臂需要( n l y 个直流分压电容，2 ( n - 1 ) 个主开关器件，( n - 1 x n 一2 ) 个箝位二极管。图2 2 示出了二极管箝位型五电平三相逆变器主电路。 图2 - 1 二极管箝位型五电平逆变器单臂电路 7 山东大学硕士学位论文 表2 1 二极管箝位型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 开关状态 输出电压 s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8 v d 。，2 111 1 0o 00 n 甜a 0111l000 0oo11 l 1 o0 一n d 4 o0o11l1o v d 。2 o0001111 ( - 1 ”表示开关器件导通状态，“o ”表示开关器件关断状态1 。s “j 【 自j g c 文： - c l c 。一： _ 。： _ k j c j 。 盘j c s d ： e j c 射j 【 oc 一： c 。一 c 一： 一 c 一： c i 【j cs 。疋jc j4j 【 j【j j c il；e - ：一j j【 ：#叫 一 ；。一j o 一 【j j g - j 2 0 cs 。“jc “j c “j s - 戎j l ：cc “j “： - 2 二极管箝位型五电平三相逆变器主电路 以上分析，二极管箝位型多电平逆变器的特点可以总结如下： 筘位二极管数目多 主开关器件只需要承受一个直流电容的电压，但箝位二极管需承受不同 相电压。例如在图2 1 中，d c l 由于需要阻断三倍的电平电压，它由三个相 二极管串联；d c 2 和d c 2 需要阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相同的 管串联；d c 3 需要阻断三倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联。对于 平逆变器，每相需要( n 1 ) ( n 2 ) 个箝位二极管。这个数字随电平级数的增加而 增加，大大增加了成本，系统可靠性也被削弱。因此，这种电路在实际的应 的输出电平级数不可能很高，一般被限制在5 级。 开关器件的需要电流容量不相等 2 - 1 可以看出，各个开关的导通时间是不对称的，越靠近中间的开关管 山东大学硕士学位论文 导通时间越长，则电流容量值需选的越大。 3 1 电容电压不平衡 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，则这些 电容在工作中的电压会出现不平衡。对于输出功率为0 的情况，各级电容在半个 输出周期内会自行平衡其电压。但对于有有功输出的情况，如果不对其进行平衡， 将严重影响电路的工作。 在传统二极管箝位型多电平变换器中，当电平数超过三时，筘位二极管因需 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，学者x i a o m i n g y u a n 提出了一种改进型拓扑，如图2 - 3 所示。这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓 扑一样。但由于箝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箝 位，而且还能通过直接和间接的方式将箝位二极管的电压箝在单电平电压之内。 这仑改进电路在电平数较多的情况下，具有较大的优越性。 图2 - 3 改进的二极管箝位型五电平逆变器单臂电路 在上述两个二极管箝位型拓扑中，随着电平数的增加，箝位二极管的数量会 以电平数二次方的规律来递增。所以当电平数较高时，就会需要大量的箝位二极 管。并且如果逆变器工作于p w m 方式下，这些箝位二极管的反向恢复将会成为 高压大功率设计的难点。为了用较少的箝位二极管实现较高的电平输出，一些学 9 山东大学硕士学位论文 者提出可以用两电平桥臂分别或者全部代替正、负母线及箝位中点，得到了不同 的组合型拓扑，它们分别如图2 - 4 到图2 - 7 所示。其中图2 - 4 的电路是由一个两 电平桥臂代替传统的三电平变换器的箝位中点得到的。在这个新拓扑中，由于增 加了一个可控桥臂，中点电位可以浮动，所以每个桥臂只需6 个功率开关管和2 个箝位二极管，就可实现五电平电压输出。图2 - 5 的电路是由两电平桥臂代替传 统的三电平变换器的正母线而得到。图2 - 6 的电路是由两个两电平桥臂分别代替 传统的三电平变换器的正负母线而得到。图2 - 7 的电路是由三个两电平桥臂分别 代替传统的三电平变换器的正负母线和箝位中点而得到。该类二极管箝位组合型 拓扑的优点是，利用较少的箝位二极管，可以得到较多的电平数，但是它的缺点 是其中某些器件会承受大于单个直流母线电容的电压，因此它们只是增加了输出 电压的电平数，从而改善了输出电压波形，却并不能提高系统的电压等级。 一卫骅j 叫鲤掣鲤掣j 昭 1 0 图2 q 用两电平桥臂代替箝位中点得到的五电平拓扑 t h m e - l e v e ic o n v c m - tk - g 图2 - 5 两电平桥臂代替正母线得到的组合型拓扑 山东大学硕士学位论文 受畸姆4 1 卿d i c g t w o - l e v e l c o n v c t t c r l 铝 图2 = 6 两电平桥臂代替正，负母线得到的组合型拓扑 里唧地! g 删鬯! 唱 t w o - l o c ic o n v e r t e ri c g 图2 7 两电平桥臂代替正、负母线及箝位中点得到的组合型拓扑 当二极管箝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。因为二极管箝位型三电平变换器只有两个直流分压电容， 它的中点电位控制相对简单，因此在电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箝位型拓扑在实际中 应用的主要因素之一，本文在后面章节会有专门的叙述。针对中点电位不平衡问 1 l 山东大学硕士学位论文 题，研究者们做了大量的工作，通过改进硬件电路和控制方法，提出了各种解决 方案，取得了相应的效果。其中，学者f z p e n g 等人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，也即“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，在工程实际应用中有着很好的前景。 2 1 2 二极管箝位型多电平逆变器的优缺点 8 1 综合上述分析，我们可以得到二极管箝位型多电平变换器拓扑的优缺点如 下： 优点： 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少，从而避免了滤波器的使用； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高； 3 ) 无功功率流可控； 4 ) b a c k - t o - b a c k 连接系统控制简单。 缺点： 1 ) 需要大量箝位二极管； 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致； 3 ) 传递有功功率时，存在直流分压电容电压不平衡问题。 2 2 飞跨电容型多电平逆变器 2 2 1 飞跨电容型多电平逆变器的结构特点和工作原理1 8 1 1 3 】【1 4 j 【蚓p 7 】 飞跨电容型多电平变换器也叫悬浮电容多电平变换器，最早是由法国学者 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。飞跨电容型多电平变 换器的出发点之一，是为了去除二极管箝位型电路中大量的箝位二极管。图2 8 所示是一个飞跨电容型五电平变换器的单臂电路，s 1 s 8 为功率开关管，c c l c c 6 为箝位电容，每个电容都具有相同的容值和电压，c 1 c 4 为直流分压电容。由图 可见，与二极管箝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箝位的，它的开关状态表如表2 2 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 - 8 飞跨电容型五电平逆变器单臂电路 表2 - 2 飞跨电容型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 开关状态 输出电压 s is 2s 3 s 4 s 5s 6 s ， s 8 一v 以 0oo0lll1 1oo0l11o o100l1o1 一n d 4 00lo1o _11 ooolo111 11 o o1loo oo1loo11 10l01o1o o 1 o0l0l1o olo1o101 ol1o10o1 1110loo0 o111oooi v d 4 1 o 11 o 0l0 11o10l0o v d c 2 1 11l o ooo ( “1 ”表示开关器件导通状态，“o ”表示开关器件关断状态) 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， 可以由不同的开关状态组合得到。例如，对于输出电压- - v d c 4 和v d c 4 ，分别 可以由四种开关状态组合得到；对于输出电压0 ，可以由六种开关状态组合得到。 与二极管箝位型多电平变换器类似，飞跨电容型多电平电路也可构成三相系统， 山东大学硕士学位论文 如图2 - 9 所示。对于一个n 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( n - 1 ) ( n - 2 ) 2 个箝位电容。 图2 - 9b 跨电容型五电平三相逆变器主电路 飞跨电容型多电平变换器最大的问题是需要大量的筘位电容以及在运行过 程中必须严格控制悬浮电容的平衡以保证逆变器的安全运行。 2 2 2 飞跨电容型多电平逆变器的优缺点嘲 飞跨电容型多电平变换器的特点如下： 优点： 1 1 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和交流传动； 4 ) 大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 缺点： 1 ) 随着电平级数的增加，需要大量的箝位电容，增加了系统成本； 2 ) 用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。 3 ) 对有功功率变换，高频下的逆变器的控制将非常复杂，同时有较高的开关 损耗。 2 3 级联型多电平逆变器 2 3 1 级联型多电平逆变器的结构特点和工作原理嘲【1 5 】1 1 6 1 1 1 7 1 3 8 1 1 3 9 1 1 4 0 1 一般认为，级联型多电平变换器较早是由m m a r c h c s o n i 等人在1 9 8 8 年的 p e s c 会议上提出的，但是在此后的很多年里，这种拓扑并没有得到推广应用。直 1 4 山东大学硕士学位论文 到1 9 9 年，级联型拓扑在电机传动和电网中的应用进行了讨论之后，级联型拓 扑才得到了较为广泛的应用。 图2 - 1 0 是传统的级联型五电平变换器拓扑单臂电路，它由两个两电平h 桥 单元级联构成。表2 3 为输出电压与开关状态之间的关系。与二极管箝位型和飞 跨电容型多电平变换器相比，级联型拓扑不需要大量的箝位二极管和飞跨电容， 但是需要多个独立直流电压源。对于一个n 电平的级联型拓扑，每个桥臂需要 ( n 1 ) 2 个独立直流电压源和2 ( n 1 ) 个主开关器件。该拓扑可以方便地通过三角形 或星形联接构成三相系统。图2 - 1 1 给出了星形联接的级联型五电平逆变器三相 电路。 v d c v d c 图2 - 1 0 级联型五电平变换器单臂电路 表2 - 3 级联型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 开关状态 输出电压 s 1s 2s 3 s 4 s 5 s 6 s 7 s 8 2 v d c 1001lool 坛 o 101l 0o1 0o101o101 v d c 0l 0101 1o 一2 v d c o110011o r 1 ”表示开关器件导通状态，“旷表示开关器件关断状态) 山东大学硕士学位论文 图2 1 1 星形联接的级联型五电平变换器三相电路 为了增加输出电压的电平数和提高波形质量，通过对不同单元采用不同的直 流电压，可以用较少的级联单元得到较多的输出电平。典型的电压组合是按照二 进制的方法，即各个单元的直流电压比为1 ：2 ：2 2 ：2 “，这样可以在输出端 得到2 州个阶梯波。同时，折衷考虑功率器件的开关频率和电压应力，可以对不 同直流电压单元采用不同的功率器件，进一步提高系统的性价比。这种拓扑被称 为混合型多电平变换器拓扑。图2 1 2 所示是混合型七电平三相逆变器的主电路 结构。在该混合拓扑中，每相桥臂由2 个单相全桥构成，其中直流母线电压为 v d c 的全桥采用耐压较低、开关频率较高的i g b t 器件，而直流母线电压为2 v d c 的全桥采用耐压较高、开关频率较低的i g c t 器件。 级联型多电平逆变器不需要大量箝位二极管和悬浮电容，但是需要多个独立 电源，一般通过变压器多输出绕组整流后实现。在控制方面不存在电容电压的平 衡问题，实现上相对容易。当接成三相时，可以达到1 0 k v 以上的输出，输出电 压波形更接近正弦波，可以不使用输出滤波器，同时网侧电流谐波小。但是因为 需多个独立直流电源，增加了系统成本和体积。 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 2 混合型七电平三相逆变器主电路 2 3 2 级联型多电平逆变器的优缺点【8 】【1 7 l 级联型多电平变换器的特点如下： 优点， 1 ) 无需箝位二极管和箝位电容，在三种多电平变换拓扑中，对于相同的电平 数，所需器件最少，易于封装； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 4 ) 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于 7 或9 电平及以上的多电平应用场合； 5 ) 易采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻一容吸收电路； 6 ) 不存在电容电压平衡问题。 缺点： 1 ) 需多个独立直流电源。当采用不控整流得到这些直流电源时，为减小对电 网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体 积庞大，成本高，设计困难； 2 1 不易实现四象限运行。 2 4 通用型多电平逆变器 2 4 1 通用型多电平逆变器的结构特点和工作原理【6 1 1 1 8 】【1 9 j 1 7 山东大学硕士学位论文 从多电平概念提出之初，研究者们就一直致力于其电路拓扑结构的研究，希 望能找到多电平变换器的统一拓扑，从而使多电平变换器拓扑结构的研究更加系 统化。f a n g z p e n g 在综合了多种箝位型多电平电路的特征后，在i e e e i a s 0 0 会议上提出的一种比较有代表性的多电平变换器通用拓扑，如图2 1 3 所示。它 不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，在理论上实现了一个 真正的有实际应用价值的多电平结构。在该电路中，开关器件s p l s p 4 、d p l d p i 和s , 1 - s “、d n l d n 4 为主开关管，用来实现期望的输出电平；s 。i - s 。1 2 、d c l d c l 2 为 箝位开关，用来实现箝位功能。对于同一柱上相邻的两个开关对，当某一对导通 时，另一对一定关断，反之亦然。表2 - 4 所示为输出电压与开关状态之间的关系。 与飞跨电容型拓扑相似，该拓扑的电压合成也较为灵活，对于相同的输出电压， 可以由不同的开关状态组合得到。现有的二极管箝位型多电平拓扑，飞跨电容型 多电平拓扑以及一些新的多电平拓扑都可以从这一拓扑推导得到。该电路容易拓 展到任意电平。对于一个n 电平的电路，每个桥臂需要n ( n 1 ) 个开关器件和反并 二极管，( n 1 ) 个直流分压电容以及( n + 1 x