（电工理论与新技术专业论文）用于蓄电池组性能测试的高频链路的逆变变换器研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文用于蓄电池组性能测试的高频链路的 逆变变换器研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 厉 日期：型：圭：夕 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：肇名 日期：直上沙 导师签名： 夏九咖一以、： v 日期：盔：! 少 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 蓄电池作为一种储能设备，具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广 泛地应用于国民经济的各个部门，如电动交通车辆、煤炭矿山、不间断电源等。因 此，对蓄电池的运行维护、性能测试以及质量可靠性管理，显得越来越重要。 然而，传统的蓄电池性能测试是以单只抽检蓄电池( 1 2 v 或2 v ) 为对象，采用 线性调节器电路，通过计算机在线编程控制充、放电试验以及计算机在线检测技术 来测试蓄电池的容量、循环寿命以及功率密度等多项指标。采用传统的线性调节器 方法已不能满足高电压、大电流( 如4 5 0 v 5 0 0 a ，2 2 5 k w ) 动力蓄电池组的检测和测 试要求，如何准确、迅速地检测和测试动力蓄电池组的性能，建立通用的、与国际 接轨的测试平台，已成为蓄电池企业最为迫切的需求之一。 电动汽车用化学电源( 动力蓄电池组) 或物理电源( 如超级电容器) 由多节单 体蓄电池串、并联构成，其具有内阻极小、等效电容量极大、具有反电动势的特点。 为了对各蓄电池研制单位生产的动力蓄电池组进行综合性能检测，以对其进行整体 评估，为其更好的应用提供依据，必须对蓄电池提供一套规范的性能测试装置，其 中包括对其内阻、功率密度、漏电流、循环寿命等进行测试。 例如，其中的内阻测试为：采用电流中断法测试内电阻，在恒流充放电测试中， 记录从放电闭路瞬间至1 0 m s 的电压变化量a u ，以及在1 0 m s 时稳定的电流值，两 者的商值即为内阻r 。从如下公式可以看出，要求电流在1 0 m s 达到稳定值，对响应 速度的要求是很高的。 ，厂 内阻r 的计算方法：r = 孚 瞬时极限功率测试为：蓄电池在瞬时达到稳定值的电压与电流的乘积为瞬时极 限功率。同样，要求输出电流、电压响应速度快，纹波系数小。 因此，为了满足其测试要求，对测试装置提出了很高的变流要求，即要求蓄电 池在进行充放电实验时，能在极短时间内达到稳定值，且其充放电电流、电压稳 定，纹波含量小。也是本文所要解决的问题。 1 2 目前所采用的蓄电池性能测试方法及其所存在的问题 传统的蓄电池性能测试方法，有以下几个方面： ( 1 ) 线性调节器电路 华北电力大学硕士学位论文 如上所述，传统的蓄电池性能测试是以单只抽检蓄电池( 1 2 v ，或2 v ) 为对象， 采用线性调节器电路。传统的电流型线性调节器电路的能量只能单方向流动，无论 工作在充电，还是放电状态，功耗都很大，而且放电时线性调节器相当于负载。因 此造成：首先，线性调节器功耗直接造成测试环境温度高，给测试中心和测试人员 带来不便；另外，设备庞大，转换效率低且能源浪费大。 ( 2 ) 晶闸管全控整流器 传统的晶闸管全控整流器可以获得可控的a c d c 变换特性( 整流) 和d c a c 变 换特性( 有源逆变) ，可以实现大功率、全范围可调的双向变流功能，但是晶闸管 全控整流器采用的是工频移相控制技术，导致网侧功率因数低，有谐波污染，整流 变压器、直流滤波电感体积大、耗费有色金属多，能量转换效率较低，并且直流侧 电流、电压只能达到平均值恒定的程度，满足不了瞬时值恒定的要求，响应速度慢。 ( 3 ) p w m 整流器 与传统的整流器相比，p w m 整流器不仅获得了可控的a c d c 变换特性( 整流) 和d c a c 变换特性( 有源逆变) ，而且可实现大功率、网侧单位功率因数和正弦波 电流控制、响应速度较快的双向变流功能。但是，p w m 整流器常见的两种形式中， 通常电压型p w m 整流器是一个升压型变换器，直流侧输出电压不低于交流侧峰值电 压，达不到直流电压全范围可调的要求；电流型p w m 整流器虽然可实现全范围可调， 但直流电流所含低频脉动分量大，加大直流滤波电感也没有明显改善，难以满足直 流电流、电压瞬时值恒定和快速响应的要求。故仅仅用p w m 整流器也难以满足变流 要求。 1 3 国内外研究背景 1 3 1 充电技术的发展 目前的蓄电池性能测试大部分采用充电器和放电器两套独立设备，其传统的充 电方法有【1 】： ( 1 ) 恒流充电。充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通过 改变可控硅的导通角来调整，这种方式实现起来比较方便。这种充电方式特别适合 于由许多蓄电池串联起来的蓄电池组。当蓄电池组中有个别蓄电池电压、电解液密 度偏低，全组蓄电池产生差别时，能使蓄电池组中个别蓄电池进行完全充电，恢复 其容量，这时最好用小电流长时间充电模式。恒流充电方式的不足是：开始充电阶 段电流过小，在充电中后期电流又过大，整个充电时间一般在1 5 h 以上，析出气体 多，对蓄电池危害较大，能耗高。因此人们在恒流充电方式的基础上进行了改进， 即采用恒流限压充电方式。为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电 流，避免损坏蓄电池。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 恒压限流充电。充电初期充电电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小， 在充电终期只有很小的电流，这样在充电过程中就不必调整电流。随着蓄电池端电 压升高，充电电流自动下降，所以析出气体较少，充电时间较长，能耗较低。它的 缺点是：充电初期，如果蓄电池放电深度过大，充电电流会很大，不仅危及充电装 置的安全，也可能因过电流而损伤蓄电池：如果充电电压选过低，后期充电电流又 过小，充电时间长：此外蓄电池端电压的变化也很难补偿，充电过程中相对落后的 蓄电池很难完成完全充电。为了克服恒压充电的缺点，在恒压充电的基础上进行了 改进，当充电电流过高时，这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使 电压降低，待电流减小、电压升高后再稳压，这就是恒压限流的方法。 一方面这些充电方法充电时间过长，不能适应现代化生产和生活的需要。另一 方面，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的使用寿命。 国内外多年来的实践证明，免维护铅酸蓄电池浮充电压偏差5 ，蓄电池的浮充寿命 将减小一半。统计数据表明，国内通信设备和直流电源操作系统中的免维护蓄电池 很难达到规定的浮充寿命( 1 2 1 6 年) ，许多蓄电池在使用几年后即报废，造成很大 的经济损失。因此，充电质量的好坏，直接影响到蓄电池的技术状态及使用寿命。 一般采用恒流充电和恒压限流结合充电模式对免维护铅酸蓄电池进行充电【2 , 3 , 4 j 。 通常采用图卜1 结构，其工作原理：电压调节器是将电压给定与蓄电池的充电 电压相比较，产生一个电压控制信号。电流调节器是一个p i 调节器，其输入是电 流给定与蓄电池的充电电流，输出产生一个电流控制信号。这两个信号通过最小值 电路控制晶闸管。当电流控制信号低于电压控制信号时，d ，导通，电流控制信号起 控制作用，蓄电池处于恒流充电状态：当电流控制信号高于电压控制信号时，d 1 导 通，电压控制信号起控制作用，从而实现限压限流控制功能。 图卜1 充电机原理框图 但是，图卜1 拓扑结构功率开关管二极管不控整流，不足之处是网侧功率因数 低，造成网侧电流畸变，有较大的无功损耗，并且调节周期长，不能实现放电功能。 ( 3 ) 脉冲快速充电、放电【5 ，6 ，7 1 。脉冲快速充电、放电去极化方式有很多种类型： 一、定电流、定周期脉冲快速充电法，采用该充电法时，充电放电脉冲的幅值、宽 华北电力大学硕士学位论文 度和周期在整个充电过程中均不变，控制较为简单，但在充电过程的后期，即充电 量接近饱和时，蓄电池的极化现象会越来越严重，容易过量充电。二、定电流、定 出气率脉冲快速充电法，在整个充电过程中，充电电流脉冲的幅值和蓄电池的出气 率始终保持不变，但充电电流的脉冲宽度由出气率来控制，由于密封式蓄电池组检 测出气率比较困难，所以此方法不适用密封式蓄电池。三、定电流、定电压脉冲快 速充电法，蓄电池的出气率与它的端电压有十分密切的关系，蓄电池经过一段时间 充电后，出气率开始增加，端电压也开始上升，当端电压达到某一值时，蓄电池开 始冒气，因此控制蓄电池端电压可以间接控制蓄电池的出气率，但是这不是严格的 成比例的。因此一般结合这三种快速充电的方法。 通常采用的是一种分级、定电流、定周期、限电压脉冲快速充电法。但是，这 种拓扑结构采用二极管整流，同时采用电感进行功率因数校正，但由于此电感的设 计是基于工频的，所以电感的体积很大；虽然可以放电，但它不能实现电能回馈电 网，造成电能浪费。 1 3 2 放电技术的发展 放电可通过以下几个途径来实现： ( 1 ) 电阻放电装置。电阻放电装置由电阻丝或水电阻构成，其技术含量低、结 构简单、工作可靠，目前得到广泛使用，但其缺点如下：1 ) 无法恒流放电，从而无 法准确测量蓄电池的容量。2 ) 放电过程须人工监控，易造成蓄电池过放电。3 ) 放电 环境恶劣。4 ) 体积庞大。5 ) 蓄电池的能量全消耗在电阻上，不利于节约能源。 ( 2 ) 晶闸管有源逆变放电装置【8 9 】。晶闸管有源逆变放电装置由六个晶闸管组成 的三相桥式有源逆变电路的交流侧与电网相连，直流侧与蓄电池组相连。工作时， 逆变电路将蓄电池组的直流电逆变成与电网同频率、同相位、同幅值的交流电，并 将蓄电池组释放的能量反送回电网，可以大大改善蓄电池放电的工作环境，节约能 源。但是，该装置存在以下缺点：1 ) 容易发生逆变颠覆现象。2 ) 对电网的谐波污染 较大，晶闸管有源逆变放电装置注入电网的电流为方波，谐波含量大。3 ) 放电电流 纹波系数大。 1 3 3 高频链技术工作原理及研究现状 高频链技术是指利用高频开关技术使隔离耦合变压器实现高频化、小型化、无 噪声化的技术，由于： u = 4 4 4 f n b s 式中：u 为正弦电压有效值( v ) ： 厂为正弦电压频率( h z ) ； 为绕组匝数( 匝) ； 4 ， 华北电力大学硕士学位论文 b 为铁心磁通密度( t ) ； s 为铁心的横截面积( m 2 ) 。 所以，当电压和铁心材料选定时，与船成反比，即厂越大，船越小，这样就 可以达到减少变压器的体积和重量的目的。 为了克服低频环节逆变技术的缺点，m r e s p e l a g e 于1 9 7 7 年提出了可变高频环 节逆变技术新概念【1 0 , 1 1 】。高频环节逆变技术与常规的逆变技术最大的不同在于前者 利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。高频链 变换器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧凑，功率密度和 效率高，响应速度快。系统工作频率高，无音频噪声，功率可达k w 级以上，因此， 在航空航天、军事、电信等领域首先受到重视，并成为研究的热点。 目前，高频链逆变技术以其性能好、小型轻量等优点正逐渐替代传统的逆变技 术。高频链逆变技术按变换器的类型可分为电压源和电流源两类，若按功率的传输 方向还可分为单向( u n i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e ) 和双向( b i d i r e c t i o n a l p o w e rf l o wm o d e ) 两类。 系统中的高频主变压器一方面起安全隔离作用，保证蓄电池的正负极与电网隔 离，另一方面，也是为了充放电蓄电池的电压匹配。若无隔离变压器，直流母线的 电压幅值应大于交流电网电压，否则，难以实现双向电流充放电，但如果蓄电池的 直流母线电压匹配过高则会影响系统的效率。 1 4 本文所作的工作及其意义 对于蓄电池组测试来说，首先要求其在短时间内达到测试所要求的电流值( 如 内阻测试时要求电流从0 a ，在l o m s 内调节稳定到给定值) ，所以要求变流器的响应 速度快。其次要求输出电流、电压值恒定，并且波纹系数小( 小于0 2 ) 。针对上 述这种情况，本文致力于用于蓄电池组性能测试的高频链路的逆变变换器研究，主 要为了达到这两个要求，做了以下工作： 1 1 一褂 一 本 t t r 丁r 一c 卒厂厂 p w m 整流器p w m 逆变器l p w m 逆变器2 图卜2 整个蓄电池组充放电主电路示意图 华北电力大学硕士学位论文 电源 r 1 t广 弋弋弋 一 本 j 蓄电池组 铒 1 ， ttj p w m 逆变器lp w m 逆变器2 图卜3 ( a ) 充电时逆变变换器主电路示意图 r 1 t 铒i弋弋 蓄电池组 一阻 1 r tt彳 p w m 逆变器2p w m 逆变器1 图卜3 ( b ) 放电时逆变变换器主电路示意图 电源 整个用于蓄电池组性能测试的从电网端到电池端的充放电电路结构如图卜2 所示，其中，市电整流到直流电源的工作过程本文暂不予讨论，即以一直流电源作 为市电整流后的电源，即为图卜3 所示，讨论用于蓄电池组性能测试的高频链路的 逆变变换器的整个工作过程。 充电时，如图卜3 ( a ) 所示，市电经整流后得到的直流电源，通过全桥三电平逆 变电路( 图中p w m 逆变器1 ) 将直流电压逆变成高频交流电压，通过高频变压器隔离 后，再由p w m 逆变器2 工作在二极管不控整流状态变化成直流电压，经滤波器滤波 后，以高精确度的电流( 纹波系数小于0 2 ) 给蓄电池组充电，同时保证了该电流的 响应速度快。 放电时，整个电路逆向工作，如图卜3 ( b ) 所示，蓄电池组作为直流电源，通过 全桥三电平逆变电路( 图中p w m 逆变器2 ) 将直流电压逆变成高频交流电压，再由p w m 逆变器l 工作在二极管不控整流状态变化成直流电压，经滤波器滤波后，实现蓄电 池组放电；且放电电流纹波系数低，精确度高，响应速度快，最后实现了蓄电池组 恒流充放电。 本文采用将复合式全桥中点箝位电压源型三电平逆变器、p w m 逆变器与高频开 关技术有机地结合，以使变流器具有输出电流、电压精确度高( 波纹系数小于0 2 ) 、 响应速度快的效果。第二章对多种多电平逆变器的拓扑结构进行了分析，比较了不 同类型的拓扑结构各自特点，归纳出其优点和不足；同时考虑到充放电电流快速响 应的要求，总结得出改善逆变电压波形系数有利于降低滤波器的电感，且考虑到多 电平使结构复杂化，拟采用基于二极管箝位的三电平逆变电路。第三章对直流滤波 6 华北电力大学硕士学位论文 电路进行了分析，针对想要得到高精确度的电流( 纹波系数小于o 2 ) 和快速响应 性，这两者对电感量要求是矛盾的：前者要求电感量要大，后者要求电感量要小。 为了要解决这一矛盾，提出了通过采用提高频率的措施来加快响应速度，同时选取 了合适的滤波电路拓扑结构和滤波参数，确定了最佳的滤波方案，使滤波电流达到 了预期的效果，其输出电流值恒定，精确度高( 纹波系数小于0 2 ) ，响应速度快。 仿真结果验证了该滤波器选取的正确性。第四章主要是在第二章拓扑结构的选取和 第三章滤波电路的探讨的基础上，介绍了高频链路的逆变变换器的仿真设计，其中 包括本文所采用的复合式全桥三电平逆变器拓扑结构分析，控制策略原理，工作过 程和模态分析，控制策略在s i m u l i n k 环境下的模型，以确定主电路关键参数值的 选择方法，合理设计这些参数，使变流器获得输出电流值精确度高、响应速度快等 优良的性能，并实现双向可逆工作。最后给出了仿真结果进行验证。第五章对本文 所做工作进行总结。 华北电力大学硕士学位论文 第二章多电平逆变电路的原理 针对用于动力蓄电池组性能测试的测试平台来说，其要满足响应速度快，输出 电流、电压值精确度高、纹波系数小的要求。从第一章的分析可以看出，我们采用 的传统的线性调节器电路、晶闸管全控整流器、和p w m 整流器都满足不了测试平台 的要求，因此提出采用将复合式全桥中点箝位电压源型三电平逆变器、p w m 逆变器 与高频开关技术有机地结合，以使变流器具有输出电流、电压精确度高( 波纹系数 小于0 2 ) ，响应速度快的效果。 考虑到充放电电流快速响应的要求，采用多电平电路改善逆变电压波形系数有 利于降低滤波电路的系数，从而实现快速响应。因此，在如图卜3 中所示的p w m 逆 变器，拟采用多电平结构，本章讨论多电平逆变电路的原理和策略分析，同时考虑 到多电平使结构复杂化，拟采用基于二极管箝位的三电平逆变电路。 基于多电平变换的波形重组逆变技术，通过将多个功率器件按一定的拓扑结构 组成可提供多电平输出的逆变电路，然后使用适当的逻辑实现所需的波形( 例如正 弦波形) 。由于这种技术可以降低装置输出波形的谐波分量，使整个电路具有低开 关频率、高电路利用率和低电磁干扰等特点，因此为消除谐波、实现清洁电源的研 究提供了一条新的途径。波形重组技术可以应用在交流一直流( a c d c ) ，交流一直流一 交流( a c d c a c ) ，直流一直流( d c d c ) 等许多变换场合。因此正在受到越来越多的重 视和研究【2 0 j 【2 。 由于多电平技术具有功率开关电压应力低、功率器件串联均压、输出电压波形 谐波含量低、d u 协和d i d t 引起的电磁干扰小等优点，因而在高输入电压大功率逆变 场合具有广泛的应用前景。多电平电路的主要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想 的正弦波形，从而减弱输出波形中谐波影响。为了逼近正弦波形，要解决的主要问 题是如何准确的对组成波形的每个电平进行箝位。这里的箝位有两个含义，一是在 功率器件开通时通过辅助器件的箝位作用将电路输出电平稳定在一个固定值；另一 个是在功率器件关断时，通过箝位作用将器件两端承受的电压限定在一定值以内。 这样既可以事先设定电路输出电平的大小，又可以在电路工作过程中避免由于过电 压损坏功率器件。有了稳定的电平箝位结构，就可以以耐压低的功率器件组成电路 的基本单元，并通过适当的拓扑结构组合出满足不同要求的输出波形，或将其串联 后应用到高压场合。 2 1 多电平逆变电路的拓扑结构 经过二十几年的发展，多电平变换器已有许许多多的主电路结构，但其一般原 8 华北电力大学硕士学位论文 理类似：由几个电平台阶( 一般是电容电压) 合成阶梯波以逼近正弦输出电压；从而 使变换器在较低的开关频率时就能满足对输出电流谐波较低的要求，有效解决了动 态均压和d u 出、d i 出等问题，并可降低电机的共模电压和系统对器件的耐压等级 的过高要求f 1 4 j 。 从变换器主电路拓扑结构来看，目前多电平变换器可分为三种基本的拓扑结 构：二极管箝位( d i o d e c l a m p e d ) 、飞跨电容( f l y i n g c a p a c i t o r ) 、具有独立直流 电源的级联变换器( 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 ed cs o u r c e s ) 。但从电平 获取的方式来看，又可分为两大类：箝位型和级联型。其中箝位型包括二极管箝位、 电容箝位两种多电平变换器，级联型包括串联h 变换桥式级联型( 即具有独立直流 电源的级联型变换器) 和输出变压器耦合式级联型两种多电平变换器。本节就多电 平变换器以上特点，详细分析当前的几种主要拓扑结构的优缺点。 电流型变换器由于电路中串有大电感，而负载( 如电动机) 又多为感性，功率因 数低。电压源型高压变换器具有运行稳定，调速范围宽，输出波形好，输入电流谐 波含量低，功率因数高，效率高等优点，应用较为广泛。因此，通常采用的变换器 都是电压型的，本文中多电平变换器指的是电压型变换器。由于多电平变换器是用 阶梯波来逼近正弦波，很显然，所得到的阶梯波电平台阶越多，谐波成分越少，但 实际应用中，由于受硬件条件和控制复杂性的制约，并不追求过高的电平数，而以 三电平为主。 2 1 1 二极管箝位多电平逆变电路 “二极管筘位逆变电路( d i o d e c l a m p e d ) 是多电平逆变电路拓扑结构中发展 最早的一种，又称为中点箝位逆变电路( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 。这种电路通过 多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相 应的正弦波形【1 5 】【1 6 】【1 7 】。 2 一u 如| 2 图2 一l 中点筘位三电平逆变电路单元图 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 一l 是一个基于半桥结构的中点箝位三电平逆变电路，电容c 1 、c ，为变换 电路提供了2 个相同的直流电压，二极管d ，、d ，用于电平箝位。在图2 1 中，两 个串联的电容c 1 和c 把直流总线电压分成3 个等级。其中两个电容的中点r l 定义 为零点电压。输出端有三个状态：2 ，0 ，一2 。对应于2 状态，开关 s ，和s ，导通；对应于一u 出2 状态，开关s ，和s 。导通；对应于0 状态，s ，和s ，导通。 此结构区别于传统的双电平逆变器的关键器件为二极管d 1 和d ，。它们把开关 电压箝制在直流总电压的一半。但s 和s ：导通，a 点0 点的电压为玑。，即u 。= u 。 此时，b 使足和s ，均压，而是和足遮蔽c 1 和g 电压。需说明的是n 。是交流电压， 吒是直流电压，二者的差是c 2 电压降，为2 。如把a 点和0 点的电压去掉，则 电路变为d c d c 变频器，三电平为：，玩2 和0 。 与传统二电平逆变电路相比，二极管箝位的多电平逆变器优点显著。在三相逆 变器中，传统二电平逆变器的相电压输出为两电平和线电压为三电平，而二极管箝 位的多电平的相电压为三电平，同时线电压由三电平增加为五电平，而每个电平的 幅度则由原来的整个直流母线电压降低为一半直流母线电压，因此输出电平的 d u d t 也下降为原来的一半。如果增加每个单元中串联的开关器件数，还可以在输 出电压波形中产生更多的电平数，从而使输出波形更好地逼近标准正弦波形。 2 1 2 电容箝位多电平逆变电路 电容箝位型根据电容箝位方式的不同分为飞跨电容型和自均压型。 2 _ 盯 ， 图2 2 三电平电容箝位型变换器 图2 3电容箝位自均压型基本单元 2 1 2 1 飞跨电容型变换器 1 9 9 2 年，m e y n a r dt a 等人首次提出了飞跨电容型多电平变换器的概念【1 8 】。 图2 2 是飞跨电容型三电平变换器拓扑结构【19 1 ，该电路直流侧同样有两个分压电容， 每个电容电压均为2 。c 1 是箝位电容。该电路的电压合成方式更为灵活，即对 于相同的输出电压，可以有不同的开关状态组合得到，这为该电路用于有功功率变 1 0 华北电力大学硕士学位论文 换及分压电容电压平衡提供了可能性和灵活性。三电平结构输出电压分别是u 妇、 2 、0 。 a ) s 、s ：导通，s7 、s ：7 关断：u o 。= ； b ) s 、墨7 导通，是、s 2 关断；或s ：、s ：7 导通，s 、s 7 关断：u o o = 2 ； c ) s 7 、s ：7 导通，墨、是关断：玑。= 0 。 该电路具有如下优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少，比相同电平数 二极管箝位型变换器的控制要灵、活【”1 ；器件在基频下工作，效率高，开关损耗小； 可控制有功和无功功率，因而适用于高压直流输电；小电平变换器，功率器件 的阻断电压( m - - 1 ) 。 缺点：需要大量的箝位电容，增加装置的体积：用于有功功率传输时，控 制较为复杂，开关频率高，开关损耗大2 0 】；有功功率传输时，分压电容存在电压 不平衡问题【2 。 2 1 2 2 自均压型变换器 自均压型变换器是电容箝位的半桥结构，其基本单元参考见图2 3 【2 2 1 。该电路 有两个功率器件，每次只导通一个，在分别导通上下功率器件的情形下，可分别得 到高低不同的输出电平。多级电路的电路结构是基本单元按“金字塔”结构构造而 成。图2 4 为有自均压的五电平多级变换器电路结构。 图2 4 自均压电容筘位型五电平变换器电路结构 中国银行 b a n ko f c i i i n 九 海外 汇 款申请书 塑! 兰! ! 盟! 壁塑! q 曼壁兰坚坚坠坚! ! 曼皇盟塾! 坠! 竺塑墨些皇墅 客户收据 c u s t o m e rr e c e i p t 日期 d a k 夕“j _ ，母名 ! 划本行编号? = 款人开户行 o u r 1 7 , e f n o 一1 7 , e m i t t e r 。sb a n k 到起息日 汇款币致金额 善。南4 9 。 c l l r 啪c v ! u l 1 0 u n t 5 0 ：i 汇款人帐号r e m i t t e r 。sa c 拒：款人名称 名称 及地址 r e m i n e r s n a m e l 汹n 日靠5 燃 a d d r c s s 5 c x a l 一 收款银行的代理 名称 行名称及地址 n 瑚e c o r r e s p o n d e n to f 地址 b e n e f i c i c r y 。sb 蚰k e r 曲口 n s i n e a d d r e s s l 墅_ i 收款人开户银行 。r 、”0 心n 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c t i o np o l i c i e s b a n ko f c h i n a w i l lb ef r e ef r o ma n yl i a b i l i t yf o rt b e c h a r g e sp oss i b ler e m i t t a n c ed e l a yc a u5e d 合计 自请人姓名专j ? 蔓易 t h e r e b y t o t a l 申请人签字： n a m eo fa p p l i c a n t a p p l i c a n t ss i g n a t u r e 支付费用方式口现金b y c a s h i np a y m e n to f 口支票b y c h e c k 慧。n 。，3 f ；? ，护。i 。 日期 t h er e m r n m o e 口外汇户f r o ma c c o u n t d a t e 任何查询，谚述明我行编号 i na l le n q u i r i e sp l e a s eq u o t eo u rr e f i l o 海外汇款慨以申请人提供收款人之情况内容为解付依据因提供错误内容而引致损失，银行概不负责。 f o rn v g r s e a sr e m i r a n e e 。p a y m e n ti sm a d ea c c o r d i n gt ot h eb e n e f i c i a r y 。si n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h ea p p l i c a n ti nt h e e v e n tt h a ti n c o r r e c ti n f o r m a t i o ni sp r o v i d e d ，t h eb a n ki sn o tl i a b l ef o ra n yl o s sw h i c $ 【lm a yo c c u a p c c a s2 0 0 4r e g i s t r a t i o nf o r m ( fm o n e yo r d e r ) a t t e n d e e si n f o r m a t i o na n dr e g i s t r a t i o nf e e s ：p l e a s ec o m p l e t eb yt y p i n go rp r i n t i n gi nb l o c kl e t t e r s t i t l e ：囱p r o f d r 口m r 口m sf i r s tn a m e ： 鱼女i 曲m i f a m i l yn a m e ：i 趣! ! g n a m eo nb a d g e o r g a n i z a t i o n ：型q 韭虹h ! 旦垦曼星曼! r 迪望q 型星! 型盟l ! 星竖i 盟 m a i l i n ga d d r e s s ：旦! p l o f e l e c t r i ce n g i n e e r i n gn o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y , b a o d i ! gq 2 】q q 3 ， 鲢i旦!i!殳地! c i t y ： 旦a 趔i ! ! g z i pc o d e ： q 21 q 鳗 c o u n t r y ： 些i ! i t e l ： 9 8 二1 3 8 3 2 2 8 2 q 3 q( e x t ) f a x ： e m a i l ： g 曲l i 婴g f 垄2 3 ：! 巫一 i e e em e m b e r s h i ps t a t u s ：口m e m b e r 回n o n m e m b e r 口s t u d e n tm e m b e r 口s t u d e n tn o n m e m b e r m e m b e rn n m b e r 口口口口口口口口( m u s tg i v ef o rr e d u c e dr a t e ) p a p e r n u m b e r sy o ua r ep r e s e n t i n g ： p 丛丛q ：! ! ：q 2 a d v a n c e b vo n s i t e a f t e r q t y o c t 3 12 0 0 4o c t 3 12 0 0 4 i n c i u d e sa t e e h n i c a ls e s s j o n s i e e em e m b e r $ 4 0 0 u s d$ 4 8 0u s d r e c e p t i o n c o 航eb r e a k s e x h i b i t s 1 u n c h e s 1c d r o m n o n m e m b e r $ 4 8 0u s d$ 5 8 0u s d a n d1b a n q u e tt i c k e t ( d o e s n ti e e el i f i ；t i m em e m b e r$ 15 0u s d$ 2 ( ) ( ) i j s d i n c l u d ep r i n t e dp r o c e e d i n g s ) s t u d e n ti e e em e m b e r $ 1 0 0u s d$ l5 0u s d r n ob a n q u e tt i c k e tf o rs t u d e n t r a t e ) s t u d e n tn o n m e m b e r $ 1 5 0u s d$ 2 0 0u s d e a c he x t r ab a n q u e tt i c k e t w e d n e s d a y , d e c 8 $ 5 0u s d$ 5 0u s d p r i n t e dp r o c e e d i n g sp i c ku po i ls i t e $ 5 0 u s d$ 8 0 u s d e a c he x t r ac d - r o mp i c ku po ns i t e $ 1 0 u s d$ 1 0u s d 1 1 u l o a l sa l ld a y ( e a c h ) $ 3 5u s d$ 5 0u s d t o t a lp a y m e nrf $ u s d l s i n c ew ew i l lc h a r g ei h er e g i s l r a t i o nf e ei nn e wy a i w a nd o l l a isa tt h er a t e1u s d 一3 3n t d p a y m e n tb ym o n e yo r d e r ：a l lp a y m e n tm u s tb em a d eb yb a n kd r a f t ( c h e c ko rm o n e yo r d e r ) i nu sd o l l a r s u s eac h e c k ( w ed on o ta c c e p tp e r s o n a lc h e c k ) o rm o n e yo r d e rp a y a b l et oc h u e n y a uc h e nm a i lt h i sf o r mw i t h t h ep a y m e n tt ot h ea d d r e s sg i v e nb e l o wb ys e p t e m b e ri ，2 0 0 4 ( p o s tm a r k ) i fy o ua r e m a k i n ga n a u t h o r r e g i s t r a t i o n p r o f e s s o rc h u e n - 1 池uc h e n f i n a n c ec h a i r , a p c c a s2 0 0 4 d e p a r t m e n to fe l e e t r i e a le n g i n e e r i n g n a t i o n a lc h e n gk u n gu n i v e r s i t y 1u n i v e r s i t yr o a d t a i n a n 7 0 1 0 11 h i w a n a t t e n d e e ss i g n a t u r e 驾j 必坠 d 。t 。：呈兰堕生，粤竺 n o t e ：r e f u n dp o l i c y ：n or e f u n dw i l lb em a d eu n l e s saw r i t t e nr e q u e s tf o rc a n c e l l a t i o ni sr e c e i v e dp o s t m a r k e do no rb e f o r e o c t 3 1 ，2 0 0 4a l lr e f u n d sa r es u b j e c t e d t oa $ 1 0 0 u s dp r o c e s s f e e d i e t a r yr e q u e s t ：e 狲o n 口n op o r k 口n ob e e f v e g e t a r i a n 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 的左侧直流侧串联四个电容电压均为，电容c l 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 、c 6 在功率器件导通与二极管续流共同作用下自动箝位。当s p l 、s p 2 、s p 3 、s p 4 中只 有一个导通，通过分析可得输出电压眈为；当s p l 、s p 2 、s p 3 、s p 4 中有任意两 个导通，则输出电压为2 ；任意三个导通则输出为3 ：全导通输出为4 ；全 部不导通输出为0 。 该电路优点有：随着输出电平数的增加，其输出波形的失真率是逐渐减小的； 电路的每一级随时间变化电压波动小，均压效果好；可将此电路输出端变成输 入端，用一个低压在另一端生成串联的高电压，可在同一电路结构实现功率“双向 流动”。 缺点：从图2 3 可见，其基本单元电路有两个功率器件，因而使用了大量的 功率器件和箝位电容，电路工作时会有很大的开关损耗；随着电路级数增多，由 于器件压降造成的每一级电压降落会越来越大。 表2 - 1 五电平变换器开关状态与输出电压 输出电压电容通路开关状态 砜 s p ls p 2s p 3s p 4 0 无 0000 u 出 + e l10oo - c 1 + c 2 + c 30100 一c 3 一c 2 + c 4 + c 5 + c 60010 - c 6 一c 5 一c 4 + c 7 + c 8 + c 9 + c10o001 2 v d c + c 2 + c 3 1100 - c1 + c 4 + c 5 + c 6 01 l0 一c 3 一c 2 + c 7 + c 8 + c 9 + c 10o011 + c1 一c 3 一c 2 + c 4 + c 5 + c 61o10 + c l c 6 一c 5 一c 4 + c 7 + c 8 + c 9 + c 1 01001 一cl + c 2 + c 3 一c 6 一c 5 一c 4 + c 7 + c 8 + c 9 + c10 010l 巩 + c 4 + c 5 + c 611l0 一c1 + c 7 + c 8 + c 90111 + c 2 + c 3 一c 6 一c 5 一c 4 + c 7 十c 8 + c 9 + c10 1l01 + c l c 3 一c 2 + c 7 + c 8 + c 9 + c 1 01011 4 1 1 出 + c 7 + c 8 十c 9 + c 1 01111 注：“+ ”表示电容器正向与输出相连，“一”表示电容器负向与输出相连；“1 ”指 开关导通，“0 ”指断开。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 具有独立直流电源的级联型 早在上一世纪七十年代中期，m i t 的一位学者提出通过改变电路拓扑结构的方 式来提高变换器输出电压的方法，该方法是用多个电压等级较低的变换器单元通过 某种联结方式来得到较高的输出电压，同时，该学者也给出了一个实例，该实例很 好地验证了h 变换桥级联型变换器的方式。经过近三十年的发展，已有多种级联型 多电平变换器结构，根据级联型变换器基本单元级联方式的不同，可分为串联h 变 换桥式级联型多电平变换器( 即具有独立直流电源的级联型变换器) 和输出变压器 耦合式级联型多电平变换器。 图2 - 5 普通级联型变换器的拓扑结构 具有独立直流电源的级联型多电平变换器，采用若干个低压的p w m 变换单元直 接级联的方式实现高压输出。图2 5 【2 3 】【2 4 】是单相级联型2 肌+ 1 电平变换器主电路结 构，该结构由m 个变换单元级联而成。每个单元的直流侧电压均为u 知；其输出电压 虬。有、0 、一三种：要得到的输出，则导通s 、s 。；导通s ：、s ，得到一 的输出电压；导通s 、s ，或s 、只，则输出电压为0 。负载端正向、负向电位均 可由一个级联变换桥提供