（电力电子与电力传动专业论文）多电平变换器准最优pwm调制与逆变器并联技术.pdf

西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m u h i l e v e li n v e n e r h 髂b e e n 谢d e l yi n v e s t 噜a t e df o rh i g h - p o w e ra p p l i c a t i o n si 1 1 r c c e n ty e a r s v a r i o u st o p 0 1 0 9 i e sa n dm o d l l l a t i o ns 订a t e g i e sb a v eb e e np r e s e n t e df b r u t i l 时a n d 衄v ea p p l i c a t i o n sm 也e l i t e r a t u r e p a r a l l e li n v e n e r s 盯eo f t e nu s e dt om e e t s y s t e mp o w e fr e q u i r e m e m s b e y o n dt l l ec 印a c i t yo f 也el a r g e s ts i n g l e 栅c t l l r e ，s o 协e y h a v eb e e na t t 眦t i n gi n c r c 船i n gi n t c r e s tm 廿l ep a s tf c wy e a r sa sp o w e rc o n v e n e r so f c h o i c ei nh i 曲v 0 1 柱培ea n dh i g hp o w e r 印p l i c a 廿o n t h i sp 印e ri ss u p p o n e db ya f o 1 d a t i o nf o rt 1 1 ca u m o ro fn a t i o n 雒e x c e l l e n td o c t o r a ld i s s er t a _ d o no fp r c h i n a ( 2 0 0 2 5 0 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c h e s ，m et l l e s i sm a i n l yf o c u s e so ns o m ek e y m o d u l a t i o ns 心a t e g i e so fm u l t i l e v e lc o n v e n e r sa n dp a r a l l e lo p e r a 廿o ns y s t e m ， i n c l u d i n gf o l l o 、v i n gt l l r e e 髂p t s ： 1 t bo v e r c o m et h el o wv o l t a g em o d u l a t i o ni n d e xa n dl o wf h n d a m e n t a l c o m p o n e n t ，an o v e ls u b o p t i m a lp w mt e c h i l i q u e ( m s u l j p w m ) 印p l i c 曲l et o i n u l t i l e v e lv o l t a g ei n v e n e ri sp r e s e n 把d t h cs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 廿l a tt 1 1 e t e c l l n i q u ec a l l 呻r o v eo u t p u tm a x i l n u mv o l t a 喀em o d u l a t i o ni n d e xa n df l m d a m e 删 c o m p o n e n to f o u _ i p u tw a v e f o m lm o s t l yt h em e 血o d sf o re 嘲b l i s h i n gs 谢t c h i n ga 士l g l e s a n do p t i m i z i n gm o d u l a t i o nw 吖e f o m l 盯ea l s od e r i v e d t h er e s l l l t si n d i c a t e 廿l a t 也e m e t h o di sv a l i d i 虹 2 o n 血eb a s i so fs u b h a m l o i l i cp w m ( s w m ) t e c h i l i q u ea n dp l l a s e - s h i f i e d p w m ( p s p w m ) ，an o v e lp h a 一s i l i r e ds u b o p t i m a lp u l s e 试d t hm o d u l a t i o nt e c h n i q u e i sp r o p o s e d n l en e wt c c h i 曲u eh 嚣f o l l o 、以n ga d v 锄t a g e s ：l l i 曲e rv o l 协g em o d u l a t i o n i n d e xa n df 血d a m e n t a lc o m p o n e n t ，l o 、袱s w 慨h i n gl o s s ，b e t t e ro u i p u tw a v e f o r m ， h i g h e re q u i v a l e n ts w i t c 舡i n g 疳e m l c n c ya n d l o w e rt o t a lh a 册0 1 1 i cd i s t o r t i o n 3 r h ed i f f e r e n c eo fa m p l i t u d ea n dp h a s eb e t 、e e ne a c hm od l n e so u t p u tv o l t a g e c a i lc a u s e1 甜g el o o p c u 玎c m 锄o n gm o d l l l e si i lp 晶r a l l e l i n v e r t e rs y s t e m t h ev o l t a g e r e g u l a _ t o rc a l lr e s t f a i nl o o p c u r r e n t t h ea n a l y s i so fc i r c u i ta n ds i m u l a t i o ni n d i c g 培觚 t h em e t h o di sv a l i d i t y t h ep e r f o r m a n c eo f p a m l l e ls c h e m ei ss u p e r i o rt ot h a to f s i n g l e n 堕j ! 三些奎兰堡主堂焦笙壅垒里! 坐曼! m o d u l eo f i n v e r t e o s u b o p t i m a lp w mt e c l l n i q u e ( m s u b p w m ) a i l dp h a s e s h i n e ds u b o 砸m a l p u l s e w i d m m o d u l a t i o nt c c l l i l i q u c ( p s s u b p w m )c a ni m p r o v e o u t p u tv o l 诅g e n l o d u l a t i o ni n d e xa n df u l l d 锄e m a l c o i n p o n e n t p s s u b p w mt e c h n i q u e1 1 a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： 1 0 w e rs 谢锄n g 1 0 s s ， b e t t e r o u t p u tw a v e f o r i n ， 1 1 i g h e r e q u i v a l e ms 谢t c l l i n g 疔e q u e i l c ya n dl o w e rt o 协lh a m o n i cd i s t o n i o n t l l ep e r f o 啪a n c e o f p a r a l l e ls c h e m ei ss u p 嘶o rt o 戗1 a to fs i n 甜em o d u l eo fi n v e r t e r k e y w o r d s ：m l l l m e v e lc o n v e r t e r ；p w m ；s 、v i t c h i n g 舶q u e n c y ；v 0 1 t a g e m o d u l a t i o ni n d e x ；p a r a l l e lc o n v b r t e r ；i n - p h a s e ；c i r c u m n u e i l c e ； s i m u k 吐o n i 西北工业大学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科，其终极 目标是“随心所欲”地使用电能一高效地提供任意形式和容量的电能。与之相应 的现代电力电子技术，作为一门集电子技术，功率集成，自动控制，材料科学， 计算机控制技术，电磁兼容，传感技术和热工等学科为一体的新兴交叉学科和技 术，在上世纪8 0 年代以后，随着相关学科的迅速发展，取得了突飞猛进的进展， 应用范围日益广泛，几乎涉及从发电，储电，输电到用电的所有电能应用领域。 由此，对电力电子装置输出电能的形式和容量提出了越来越多的新要求。一方面， 人们希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级，例如，电力系 统中以高压直流输电( h v d c ) ，静态无功补偿( s t a t c o m ) 等为代表的柔性交流输 电技术( f a c t s ) ，以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置；另一 方面，为了满足输出电压谐波含量的要求，又希望这些大功率电力电子装置能工 作在高开关频率下且尽量减少e m i 问题。但以现有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 了实现尽量高频化和低e m i 的大功率变换，在功率器件水平未有本质突破的情况 下，仅有的手段只能是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案。在过去的 二十年里，研究者们进行了大量研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决 思路和方法。多电平变换器技术作为其中一种具有代表性和较为理想的解决方 案，因其固有的诸多优点，受到越来越多的关注、研究和应用。本文的工作，就 是在全国优秀博士论文作者专项基金的资助下，对多电平变换p w m 控制技术及逆 变器并联技术的相关基本问题进行深入研究，为今后的工作打下坚实的基础。 1 1 多电平变换器产生的背景 电力电子器件是电力电子装置的核心，尽管在过去的几十年，电力电子器件 经历了晶闸管( s c r ) ，可关断晶闸管( g t o ) 双极型大功率晶体管( g t r 或b j t ) 和场控器件( i g b t 和p 0 w e r m o s f e t ) 三个阶段，近年来，各种新型功率器件，如 i g c t ，i e g t ，m c t 等又纷纷出现。电力电子器件的单管容量开关频率已经有了极 阳扎工业大学硕士学位论文 第一章绪论 大的提高，有文献表明，目前许多国外生产厂商已能提供额定值为6 0 0 0 w 6 0 0 0 a 的高压大功率g t 0 ，而i g b t 的研制水平也已达到3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 。但即便是这样， 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，尤其是高频化的要求，况且，采用代表最高工艺水平的大容量功率器件， 对电力电子装置的成本也是一个很大的挑战，所以人们还是希望，能够采用相对 小功率的器件，通过适当的电路拓扑和控制方法，实现高频化的高压大功率变换。 基于这样的考虑，研究者们提出了各种解决方案，归纳起来大致可分为四类。 1 功率器件的串并联技术 这是一种最简单和直接的方案，为了用小功率开关器件实现大功率变换，将 器件以承受大电流，这个看似简单的方法，由于功率器件参数的离散性，需要复 杂的动、静态均压电路和均流电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加； 而器件均流，对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时， 对于器件串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量短。 在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是必不可少的，降 低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用 范围受到了一定的局限，近年来，随着器件功率水平的不断提高，应用范围逐步 缩小，只是在极高电压的应用场合，如高压直流输电系统中常用器件串联方式： 以及在低压大电流应用场合中，用具有正温度系数的功率m o s f e t 并联使用，还 十分常见。 2 多重化技术 为了用小容量的功率器件，实现大容量的功率变换，还可利用多重化技术， 所谓多重化技术，就是以多个小功率变换器在其输入或( 和) 输出端通过变压器串 联或并联，各个变换器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和 输入、输出谐波改善的目的。多重化技术既可应用于单相电路，又可应用于三相 电路。以三相电压型逆变器，输出多重化为例，在由n 个三相变换器组成的系统 中，每个三相变换器的输出电压为交流矩形波，若相邻变换器输出电压相位相差 口吖3 h 1 ，通过适当选取输出变压器变比和副边绕组的连接方式，可在输出端得到 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 6 ( n 一1 ) 阶梯波，使得输出电压仅含有确z 千1 ( k 为整数) 次谐波，其余谐波相互抵消。 因而，在扩展系统容量的同时，改善了输出电压波形，减小谐波含量，降低正弦 失真度。图1 1 给出的是三相电压型二重逆变电路。 f | l 广| 亡e 砰 ! 二! 垫是：殳k 鸳：知一 卜 【霾蠹 其波形图为： 图1 1 三相电压型二重逆变电路 _ 2 3 = j 。2 2 。_ 一 1 0 = 。：丁_ c = = 二_ 一 仁= = 、= r = = = = = 一 手 与i j 士二二一 f ) ( 产二 图1 2 三相电压型二重逆变电路波形图 在由电压型功率变换器组成的多重化系统中，为防止由于不同变压器副边绕 组电压差所形成的环流，通常，副边绕组采取串联方式连接。对偶地，在电流型 变换器组成的多重化系统中，副边绕组一般采用并联连接。 多重化技术的最主要不足之处在于：需要特殊设计的输入、输出变压器，它 不仅增加了系统的成本，降低了系统的效率，而且当变换器的数目增多时，变压 器的设计将非常困难。 3 组合变换器移相s p _ l v m 技术 文献 1 提出的组合移相s p w m 技术，其基本思想是：在一个由n 个模块( 每 个模块就是一个普通的两电平变换器) 组成的系统中，所有模块采用相同的调制 波，但相邻模块的三角载波相位相差2 叫( 晦) ，( 其中k 为三角载波与调制波的 频率比) ，这一相位差使得各模块所产生的s p _ i v m 脉冲在相位上错开，从而使各模 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 块最终叠加输出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的”k ，倍，因此可在不提 高开关频率的条件下，大大减少输出谐波。由此可见，移相s p w m 组合变换器从 j 1 义上说，也是一种多重化，不同于上文所述的输出电压多重化，这里采用的是 三角载波的多重化，因此简化了输出变压器的设计。图卜3 ( a ) 一( d ) 所示为几 种电压型相移s p l 】m 组合变换器的拓扑，其中图卜3 ( a ) ，( b ) 所示为并联型变 换器通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各变换器单 元交流侧的电流谐波未被抵消。其中在有中线回路的结构中含有三次及其倍数次 谐波，因而需要更大的电感滤波。图卜3 ( c ) 所示的串联型变换器通过电压的 叠加实现电流中谐波的抵消，变换器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电 感比并联型变换器更小。并联型和串联型的组合方式如图卜3 ( d ) 所示。 璀勘髑蓟 月h h r c 二 - 娟- f 厂t r t t 二二j 疆i 几t 。专# 三磊目 斗 。锰三三鬻引 1 r 1 舛广f 1【t i r ”1 “再广厂1 l 5 e 三蓥副uu 5 一芒三三三萋矗! l l n _t ! 图1 3 相移s p w m 组合变换器 相移s p w m 组合变换器的优点为：可采用开关频率较低的大功率开关器件， 实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小了输出滤波元 件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。缺点为：仍然需要工频变压器，增加了 系统的损耗和成本；并没有减少功率器件的电压应力。 4 多电平变换器 一般认为，现在通称的多电平变换器“3 ”的概念最早是由h 本长冈科技大 学a n a b a e 等人在1 9 8 0 年t 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，实现中点筘位，形成所谓的中点箝 位变换器( n p cn e u t r a lp 0 i n tc l a j n p e d ) 。在这个电路中，主功率管关断时仅仅 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 承受壹流母线电压的一一半，所以特别适用高压大功率应用场合。1 9 8 3 年，b h a g 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，这些工作为高压大功率变换器的研究提供了一条崭新的思路。 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，其主要 原因在于，多电平变换器特殊的电路拓扑，无论对功率器件还是控制电路的要求 都较高，因此直到八十年代末，随着g t o 、i g b 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，不仅在电路拓扑，p w m 控制方法和软开关技术等方 面形成了许多分支，而且应用领域从最初的d c a c 变换，如大功率电机驱动， 拓展到a c d c 变换，如电力系统无功补偿，和a c d c a c 变换，如超导储能， 再到近期的d c d c 变换，如高压直流变换，三电平p f c 等。多电平变换器技术 已成为电力电子学中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。 多电平变换器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下一 些突出优点： ( 1 ) 每个功率器件仅承受】0 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ；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，减少了输出电压波形畸变( t h 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， 咖出应力大为减少，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，大大地减少了系统的体积和损耗。 1 2 多电平变换器的主电路结构 一般认为所谓的多电平变换器是建立在三电平变换器的基础上，按照类似的 拓扑结构拓展而成。与传统的两电平变换器相比，多电平变换器有如下优点：( 1 ) 可使用耐压较低的功率开关器件输出较高的电压：( 2 ) 输出电压波形由多个电压 西北j ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 台阶组成，通过提高电平数目能产生近似正弦波的输出电压；( 3 ) 输出电压的 驯出相对较低，降低了器件封装绝缘和负载绝缘，并且具有较小的电磁干扰等。 显然，电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶数就越多，从而接近正弦波， 谐波成分也就越少。但是，这种理论上可达到任意挖电平的多电平变换器，在实 际应用中，由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在满足性能指标的前提 下，并不追求过高的电平数，而以三电平扣1 和五电平最为成熟，也最为实际。 从目前的所见到的各种主电路拓扑结构来看，最终可归纳为三种基本的拓扑结 构：二极管箝位式( d i o d e c l a m p e d ) ：飞跨电容式( f 1 y i n g c a p a c i t o r ) ；具 有独立直流电源的级联式逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e dd c s o u r c e s ) 。 1 二极管筘位式多电平变换器 s ， s b l 哔。d 。，。厂。啦j于。羊 。，一年一 皂：“是js ，“l 一一 ”l “ 十一 变# 于f * # 脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分： 参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制；相反，三角载波信号 和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。 ( 1 ) 单极性正弦脉宽调制 西北工业大学硕士学位论文第二章s p w m 交流调速系统及其控制技术 。亡二二。；。 ”了 二二 ；箸。 “i 口口口口口口口口口。口口口。 ”：口口口0 口口口口口口口口口。一。 三巴坚婴二耐 图2 _ 6 单极性正弦脉宽调制s p 咖棘理坡形 单极性正弦脉宽调制用幅值为u ，的参考信号波“，与幅值为u 。、频率为厂c 的 三角波“比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2 6 所示。图2 6 是用单相 正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动 信号。 参考波频率，决定了输出频率，。，每半周期的脉冲数p 决定于载波频率，c 。 即： p 。专 心1 ) 用参考电压信号的幅值u ，与三角形载波信号的幅值u 。的比值，即调制度 ，l 一【，肜。，来控制输出电压变化。当调制度由o 1 变化时，脉宽由o 卅p 变 化，输出电压由0 e 变化。如果每个脉冲宽度为8 ，则输出电压的傅里叶级数 展开式为： “。o ) 2 善o 。s 甜+ e s i n n 耐) 2 - 2 式中，n = 1 、3 、5 ，系数以和b 。由每个脉宽为口、起始角为口的正脉冲和对 应的负脉冲起始角玎+ a 来决定。 如果第j 个脉冲的起始角为口；，则有 西北工业大学硕士学位论文 第二章s p w m 交流调速系统及其控制技术 小嘉争+ 罢) s a ， 耻喜争+ 铆 沼，b ， 由式( 2 0 a ) 、式( 2 3 b ) 可计算输出电压的傅里叶级数的系数为 铲芸篆【s i n 珂b ，+ 嘭) “酬 沼。a ， 玩2 善，聍b ，+ b ) 】 c z 舶， ( 2 ) 双极性正弦脉宽调制 双极性正弦脉宽调制原理波形如图2 7 所示。输出电压”。( f ) 波形在o 2 万 区间关于中心对称、在o 石区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为 “。( f ) = 或s i n h 耐 ( 2 - 5 ) n 一1 、3 、5 式( 2 - 5 ) 中玩= 昙f p ) s i n 行删( 耐) 。输出电压“磨) 可以看成是幅值为e 、频 率为五的方波与幅值为2 e 、频率为正的负脉冲序列( 起点和终点分别为、 口2 、口2 p - l 、口2 p ) 的叠加。因此 巩= 昙 r 心n 疗删陋) 一2 z 删n 玎删妇) 一e z 删n n 删缸) 一。z 删n h 删) = 筹 - 一喜( c o s 峨川一c 。s 峨卅 则输出电压为 啪卜蠹舡扣咻，一：，枷纠 叩 输出电压基波分量“。( ，) 为 = 筹悻川峨，i s m 耐沼s ， 和关嚣笺：罴兰弦波有两懒删逆黼开关元件导通 鬟黧纛耄：黧s 竺溉就；蕊焉鬻 雾絮黑：黧喊淼。篡麓篡器 兰慧蚕麓：萎兰竺篓说，时间由蒜茹焉：篡翥薯黧 萎气纛篓耀好蚰橼裂嘉罴誉芸黧 1 自然采样法 图2 - 8 自然采样法原理图 脉冲宽度和问 瓣 黜下隐 正对引 极看容区_：霎婧蟾隧 0 路因置嚣篙 是交麴蝇，瑟翩黼蝴黼鳓酣 黔敞觊 堡登芝i耋盖篓嘉薹塑篓蔓趣鎏墨笙墨基墼型垫垄2 规贝采样法：二= = 兰些r 苎竺 ( a ) 汀，蓑：法竺胞觌”正擞撇跳麟 篡竺娑动贼浇撕避啪。，7 曩嚣 麓竺棚绷叶嗍螂龇瑚，2 ：篡 慧：黧竺叶哦批耕等宽淼嚣 篡一曩器斋篓 爿。e 吒s j n 够饱，= 哆够) ( 2 图2 一1 0 正弦波等面积法生成s p w m 9 ) 出际驰黜 | | 嬲聩鲥概 算舢静 运如 荫 杂锄畅 复习 黧一 多剐乳始懒图 贿撇执 赠钋舭 绷懒 s 一 近使0 接汝 剐 既琵 厶 果是 ， 故与n t_ 翥峨吣 僦珧慨 f 7 口 l 钐洗 猢她糙挣蔓群图 西北工业大学硕士学位论文第二章s p w m 交流调速系统及其控制技术 输出频率，与区段数日，、每个区段脉冲数及脉冲周期丁( 膨) 之间的关系为 2 5 小结 ，= 赤 ( 2 1 0 ) 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国 重视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅 速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。 本章详细介绍了交流调速系统的类型、变频调速的原理、s p w m 逆变器的工 作原理和正弦脉宽调制的调制算法。 西北工业大学硕士论文第三章多电平逆变器p w m 控制技术 3 1 引言 第三章多电平逆变器p 洲控制技术 多电平逆变器的p w m 控制技术是多电平逆变器研究中，一个相当关键的技 术，它几乎与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定多电平逆 变的实现与否，而且，对多电平逆变器的电压输出波形质量，电路中有源和无源 器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响，因此，本章对此进 行了深入的研究。 在过去的近二十年里，大量的多电平变换器p w m 控制方法被提出，可分为 两大类，即载波p w m 技术和空间矢量p w m 技术，但s v p 州法用于五电平以上 的电路时，其控制算法变得非常复杂。因此，对于五电平以上的多电平电路，采 用三角载波p 喇的控制方法是一种较为可行的方案。 本章针对多电平载波p 删技术中电压调制深度低和基波幅值小的问题，提出 了一种新颖的多电平准最优p w m 法( m s u b p _ i 】m ) ，分析了输出最大电压调制深度、 基波幅值和谐波畸变率等，并进行了计算机仿真。结果表明该方法极大地提高工 输出电压调制深度和基波幅值，文中给出了输出电压开关切换角、最优调制波形 等的求解方法。 本章提出的多电平移相准最优脉宽调制方法( p s s u b p w m ) ，这是一种专 门用于级联型多电平变换器的p w m 方法，不仅可以提高调制深度聊和基波幅值， 而且能在较低的开关频率下实现等效高频载波的效果，减少开关损耗，改善输出 波形，降低输出电压的谐波畸变率。文中以五电平逆变器为例，在分析p s s u b p _ l v m 法原理的基础上，对最优调制波形、开关切换角等进行了详细地理论推导， 仿真结果也验证了该方法的有效性与优越性。 西北t 业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 3 2 多电平变换器的拓扑结构 从目前所见到的各种多电平变换器主电路拓扑结构“”来看，主要可 归纳为三种基本的拓扑结构：( 1 ) 二极管箝位型( d i o d e c l a m p ) ；( 2 ) 飞跨电容型 ( f 1 y i n g c a p a c i t o r ) ；( 3 ) 具有独立直流电源的级联逆变器型 ( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e 【l cs o u r c e s ) 。 3 2 1 二级管箝位型多电平变换器 图3 1 所示是一个单相全桥二极管箝位五电平变换器的主电路结构，其中 d 4 l 、见：、见，、见r 、见2 一、见，、见。、见：、见3 、见r 、见r 、见3 ，为箝位 二极管，分压电容c l c 2 一g c 4 ，所以圪，t k ：一k ，二k 。t 4 ，每个桥臂 有8 个开关器件串联，其中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，从而得到 不同开关状态组合及相应的输出电压，如表3 1 所示，因此就可得到如图3 2 所示的变换器输出波形。 若要得到更多电平数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为0 1 ) 串联， 每桥臂主开关器件改为2 一1 ) 个串联，每桥臂的箝位二极管数量改为 o 一”0 2 ) 个，每0 1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行 箝位，再根据与五电平类似的控制方法进行控制即可。二极管箝位型多电平变换 器也可以构成三相结构，它的控制原理和单相相同。对于需要四象限可逆运行的 负载，只需将两组相同的多电平三相变换器按照“背靠背( b a c k t o _ b a c k ) ”方式 连接就可实现。 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 下_ f 面歼面日 j 。醺趱 0t _ 鹗i 霭i 图3 1 单相电压源二极管箍位五电平逆变器电路拓扑结构 表3 一l 开关状态与输出电压关系图 o u t p u t s w j t 曲s t a t e 。只：只，只。只s 甜s d， 咋= 比 l】l】o o o0 k = 3 吒4 r 0l1 l ， 1000 k = 吒2oo1l1l0o k = 吒4o00ll11o h = 0 o000 l 1 1l 图3 2 相电压与线电压波形蚓( 五电平) 二极管箝位多电平变换器的特点如下 优点：( 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 在基频下工作，开关损耗小，效率商；( 3 ) 可控制无功功率流；( 4 ) b a c k t o - b a c k 连接系统控制简单； 缺点：( 1 ) 需要大量的箝位二二极管；( 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 不同，造成负荷不一致；( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 3 2 2 飞跨电容型多电平变换器 该拓扑最早是由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。 图3 3 所示是一个单相全桥飞跨电容五电平变换器的主电路结构图。由图可见， 与二极管箝位多电平变换器不同，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，它的开关状态表和输出波形分别如表3 2 和图3 4 所示。 图3 3 单相全桥飞跨电容五电平变换器 图3 4 单相电容箝位五电平逆变器输出电压波形 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 表3 2b 跨电容逆变器开关状态 屹。t 。，。也。 s d，。 0o0o 0l 11l 1 o0o0111 叼 oo01011l 0o1 o1 0 11 0l001l01 11o 01 lo 0 o o1l0o1l 叼 10lo l 0 1o l 0o1011o o 1ol01ol 01l 0100l 11 1o10d0 3 o11lo0 01 l01 10o10 ll 0l01o0 k 11】lo0 00 值得一提的是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2 ，可以由疋。，咒：，咒，7 配： 导通或，疋。，配，。导通两种开关状态组合得到，这种开关组合的可选 择性，为这种电路用于有功功率变换及分压电容电压平衡提供了可能性和灵活 性，但同时会带来控制上的复杂性和器件开关频率高，系统损耗大的问题。与二 极管筘位电路类似，飞跨电容多电平电路也可构成三相系统，并可推广到n 电平， 每相所需开关器件为2 铆一1 ) 个，直流分压电容伽一1 ) 个以及箝位电容 ( n 1 ) ( 聍一2 ) 2 个。 飞跨电容多电平变换器拓扑的出发点，是为了去除二极管箝位型电路中大 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 量的箝位二极管，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，而且对于高压大容量系统而言，电容体积庞大， 难以集成，成本高，所以近年来，对这一拓扑的应用性研究已经较少了，但该拓 扑仍具有一定的理论意义。 飞跨电容多电平变换器的特点如下 优点：( 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 高压直流输电和变频调速；( 4 ) 大量的开关组合冗余，可用于电压平衡控制： 缺点：( 1 ) 需要大量的箝位电容，体积庞大，可靠性差；( 2 ) 用于有功功率 传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗犬；( 3 ) 存在直流分压电容电压不平 衡问题。 3 2 3 级联型多电平变换器 这是一种较为新颖的多电平变换器拓扑结构，图3 5 给出了这种电路的五电 平单相结构图，由图可见，它由4 个单相全桥电路级联而成，每个独立直流电源 给一个单相全桥逆变器供电，不同电平逆变器的交流电压串联起来，很明显，这 种电路不再需要前两种电路中的大量箝位二极管和电容，但需要多个独立电源， 具体来说，对于这种类型的n 电平单相电路，需要 一1 ) 2 个独立电源，2 0 1 ) 个主开关器件，表3 3 和图3 6 分别给出了图3 5 电路的开关状态组合和输出波 形，另外，这种电路也存在类似飞跨电容电路的多开关状态组合的特点。 蓬。下爱“8 吣疆：兰堡基if 嗵三：兰堡昼i l 篓匹i 霉，1 。i ：整匹里弱 。 f 运圃i 广遥竺壑一 图3 5 具有独立直流电源的级联型五电平逆变器主电路 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 表3 3 级联型五电平变换器输出状态 。s “s 。2只，e 。只，只：e ，s “ 2 吃l00l0l1o 吃o0ll0l1o 0 o 0 1l 1 l 0o 一吃 o0 l l1o01 2 吒 ol10o110 由于级联式多电平变换器的结构特点，它可采用y 型和型连接成三相系统。 级联式多电平变换器的结构特点如下： 优点：( 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 ) 无需箝位二极管和电容，在三种电路 结构中，对于相同电平数，所需器件最少，易于封装；( 4 ) 基于低压小容量变换 器级联的组合方式，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 ) 需要多个独立直流电源，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 ) 不易实现四象限运行。 ：i ：静萼于千寻讦7 = 干 啊啊_ _ 廿上斗卜 一1 = - 斗斗 p 上牟叫一 一，亡【 i | 一_ 图3 6 具有独立赢流电源的级联型五电平逆变器的相电压波形图 3 2 西北工业大学硕十论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 3 2 4 多电平变换器拓扑结构研究的新进展和新思路 多电平变换器拓扑结构发展到今天，已经比较成熟，但仍有一些重要的问题 需要研究和解决。除了多电平变换器基本构成单元和统一拓扑问题，仍需进一步 深入研究外。随着近年来，新的i e c 标准的颁布，对某些d c d c 变换器的电压 等级提出了更高的要求，多电平变换器在d c d c 变换领域找到了新的应用空间， 相关研究是一个需要关注的方向。同时，多电平变换器软开关技术的研究，是一 个具有挑战性的研究方向，由于多电平变换器的功率开管数量众多，电路结构复 杂，所以目前见诸于文献的软开关电路，结构都相当复杂，而且，它们几乎都是 以有源方式实现软开关的，所以相应的控制更加复杂，使得其实用性受到怀疑。 相反，无源软开关技术，可能是一种对多电平变换器这种复杂电路的比较适合的 选择，只要设计合理，它不仅能实现软开关功能，丽且不会增加系统控制的复杂 性。 3 3 多电平p 删控制技术 多电平逆变器的p 州控制技术“8 ”1 和空间矢量p 删技术( s v p l 】| m ) 1 是两电 平s p 删技术在多电平中的扩展。作为进一步深入研究的基础，这里简要介绍几 种具有代表性的基于载波的多电平p 删方法。 3 3 1 多电平谐波消除p 删技术( s h 洲m ) s h p w m 法的原理是电路的每相使用一个正弦调制波与几个三角波进行比 较以产生p 删调制波，例如对于一个h 电平的逆变器，每相采用n 一1 个具有相同 频率丘和相同峰一峰值u 。的三角波与一个频率为正，幅值为u ，的正弦波相比 较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的幅值， 则开通相应的开关器件，反之，则关断该器件。为了使n 一1 个三角载波所占的区 域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负两 侧。 其优点是可以降低输出谐波含量，易于实现，适用于任何电平数的多电平变 西北t 业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 换器，可以在调制比的所有变化范围内工作。 缺点是调制深度低，基波电压幅值小。 对于一个n 电平的逆变器，幅值调制比肌和频率调制比v 定义如下： 该方法的原理如图3 7 所示： 聊：婴 0 1 ) 虬 ：五 图3 7s h p 删原理波形 3 3 2 三角载波移相p 洲技术( p s p 洲) p s p w m 方法是一种专门用于级联型多电平逆变器的p w m 方法。这种控制 方法与s h p w m 方法不同，每一个模块的s p w m 信号都是由一个三角载波与一 个正弦波比较产生，所有模块正弦波都相同，但每一模块与它相邻模块的三角载 波之间有一个相移，这相移使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开， 从而使各模块最终叠加输出的s p w m 波的等效开关频率提高到原来的。倍， 因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。下面以一个例子来说明， 设三角波的开关频率是j 下弦波频率的倍，则一个三角载波周期所占的电角度 为口：2 万，对于一个m 模块的级联型多电平逆变器，相邻三角载波之间的相 移为= 包m = 2 衫蜊，相应的输出s p w m 波的等效频率调制比为 n 。f = m n 。 西北工业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 该方法的优点是具有较高的等效频率，这对于目前大功率开关器件开关频率 偏低的现状非常有意义，缺点是调制深度低，基波电压幅值小。 该方法的原理如图3 8 所示： 图3 8p s p 州原理图 3 4 新颖的多电平逆变器准最优脉宽调制法( m s u b p w m ) 近年来，随着数字技术的发展，s v p w m 方法因其高电压利用率，低谐波含 量以及硬件电路简单等优点受到了广泛关注和应用，但是当该方法用于五电平以 上的电路时，其控制算法变得非常复杂。因此，对于五电平以上的多电平电路， 采用三角载波p w m 的控制方法是一种较为可行的方案。本节在分析了现有多电 平p w m 控制策略的基础上，提出了新颖的准最优脉宽调制方法( m s u b p w m ) 。 这里提出的多电平准最优p w m 技术( m s u b p w m ) ，可以在高次谐波分量不增 加的情况下，使调制深度mz 1 ，从而进一步发挥了脉宽调制法的优点。在分析 m s u b p w m 法原理的基础上，给出了五电平逆变器的开关切换角、最优调制波 形等的求解方法。 3 4 1 准最优m p w m 的原理 正弦波脉宽调制法，虽然各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例，使其调 制波形更接近于正弦波，谐波分量已很小。但一般在正常工作情况下，要求正弦 波参考信号v 的最大幅值，不能大于三角波幅值u 。，即调制深度研s l 。当 m ，1 时，正弦波脉宽调制波中将出现饱和现象。不但输出电压与频率失去所要 求的配合关系，而且输出电压中的谐波分量增大，特别是较低次的谐波分量增加 较大，对电机运行不利。另一方面，可以证明，当采用正弦波脉宽调制时，如调 制系数卅s 1 时，逆变器输出的线电压中基波分量的幅值最大值，只有逆变器输 1 s 西北j 二业大学硕士论文 第三章多电平逆变器p w m 控制技术 入的屯网线电压幅值的o 8 6 6 倍，使采用正弦波脉宽调制法的系统，不能充分利 用逆变器电压容量。为了解决这个问题，提高电压调制深度m ，提出了多电平准 最优p w m 法。 多电平准最优p w m 法的基本原理为电路的每相使用一个调制波与几个三角波 进行比较以产生p 删调制波( 图3 9 )