（电力系统及其自动化专业论文）主从式级联混合多电平逆变器拓扑及其调制策略研究.pdf

学位论文版权使用授权书 f i i l l l l f lfrllii llirr r l lflt 1 1 17f y 18 9 4 6 2 6 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电子文档，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将 本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数 据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处 办理。 本学位论文属于不保密。团 学位论文作者虢狮嘴 秒 年6 月歹日 刷程轹粉7 t 1 年岛5 日 1 j 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着现代工业设备容量的不断攀升，大容量多电平功率变换技术得到了飞速 发展。在过去的三十年里，研究人员针对多电平变换器的电路拓扑及相应的控制方法做了 深入的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决方案。 本文从多电平逆变器的拓扑理论入手，以级联h 桥型逆变器与级联n p c h 桥型逆变器 的串联主电路拓扑为研究对象，根据n p c h 桥与h 桥的直流母线电压之比这一控制自由 度，提出了一种主从式多单元级联混合多电平逆变器拓扑。在此拓扑中，级联n p c h 桥逆 变器为主逆变器，承担主要的功率输出，容量等级较高，而级联h 桥逆变器为从逆变器， 负责输出波形的优化。 本文分析了多电平逆变器的常用调制策略，并根据主从式多单元级联混合多电平逆变 器的特点，将基频阶梯波调制法与多载波高频p w m 调制法相结合，提出了适用于混合拓 扑的组合型混合调制方法。该混合调制方法的基本思想是：级联n p c h 桥型逆变器采用基 频阶梯波调制方法，输出电压特性为阶梯波；而级联h 桥逆变器则采用多载波高频p w m 调制方法。该混合调制方法有效地将高速低耐压器件和低速高耐压器件结合起来，可以用 较少的级联单元数目实现较高容量较多电平的输出，并且可以保证输出波形具有良好的谐 波性能。 通过m a t l a b 7 4 0 s i m u l i n k 平台环境搭建了混合多电平逆变模型，重点对直流母线电 压比为l ：1 ：4 的二单元级联h 桥型逆变器和一单元n p c h 桥型逆变器串联的三单元级 联混合多电平拓扑进行了详细仿真分析，并对基频阶梯波调制法与多载波高频p w m 组合 型混合调制方案进行大量仿真研究，对其输出电压电平数目、输出电压的总谐波畸变率以 及各功率单元的功率均衡性能作了重点仿真分析验证，同时对比分析了各种组合型混合调 制方法的性能特点。针对混合调制法中从逆变器低压单元功率不均衡特性进行分析研究， 通过传统方法的波形重构，可以使功率均衡性能得到优化。 关键词：多电平逆变器，混合调制法，阶梯波调制策略，总谐波畸变率，功率均衡 a bs t r a c t m u l t i l e v e ip o w e rc o n v e r s i 。nh a sb e e nr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i 。ni nt h ep a s tf e wy e a r s f o r t h ed e m a n d o fh i g h e rp 。w e re q u i p m e n ti n t h em o d e mi n d u s t r y d u r i n gt h ep a s t3 0y e a r s ，n u m e r o u s 。叫。g i e s a n d m o d u l a t i 。ns t r a t e g i e sh a v eb e e ni n t r o d u c e da n ds t u d i e de x t e n s i v e l y f o ru t i l i t ya n dd r i v ea p p l i c a t i 。n si nt h e r e c e n tl l t e r a t u r e c o n s i d e r i n gt h ed cb u sv o l t a g er a t i ob e t w e e nh b r i d g ei n v e r t e ra n dn p c h b r i d g ei n v e r t e r ，t h i st h e s i s p r e s e n t san o v e lc o m p o s i t ec a s c a d eh y b r i d m u l t i l e v e li n v e r t e r , w h i c hc a s c a d e st h es e r i e s c o n n e c t e dh - b r i d g e i n v e r t e ra n dt h es e r i e s - c o n n e c t e dn p c h - b r i d g ei n v e r t e r t h ep r o p o s e di n v e r t e ro p e r a t e s a tm a s t e r - s l a v em o d e , t h em a s t e ri n v e r t e ri sas e r i e s - c o n n e c t e dn p c h b r i d g em u l t i l e v e l i n v e r t e rc o m p o s e do fd e v i c e sw i t hh 讪g b l o c k i n gv 0 1 t a g ea n db e a r sm a i no u t p u tv o l t a g e ，t h es l a v ei n v e r t e r i sas e r i e s - c o n n e c t e dh b r i d g em u l t i l e v e l i n v e n e r - w h i c hi sr e s p o n s i b l et oe n h a n c et h eq u a l i t yo fo u t p u tv o l t a g e t h i st h e s i s 撇1 y z e st h ee x i s t i n gm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s f o rm u l t i l e v e li n v e r t e r s a c c o 。d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p o s e dc o m p o s i t ec a s c a d eh y b r i dm u l t i l e v e li n v e r t e r , an o v e l m o d u i a t i o ns t r a t e g y w h i c hc o m b i n e st h ef u n d a m e n t a ls t e pw a v e f o r mm o d u l a t i o ns t r a t e g ya n dm u l t i c a r r i e rh i g hf r e q u e n c yp w m m e t h o d si s p r o p o s e d i nn e wm e t h o d ，m a s t e rc o n v e r t e ro p e r a t e s a tt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yb a s e do n c o m m a n dv o l t a g e ；s l a v ec o n v e r t e ra d o p t sm u l t i - c a r r i e rh i g hf r e q u e n c yp w m m e t h o d s t h eh y b r dm o d u l a t 0 n s t r a t e g ye 毹c t i v e l yc o m b i n e st h eh i g h s p e e dl o w - v o l t a g ed e v i c e sa n dl o w s p e e dh i g h v o l t a g e d e v i c e s , w h l c h c o n f i r m si m p r o v e dt h dp r o p e r t i e s as i m u l i n km o d e lo ft h ep r o p o s e di n v e r t e rw i t hd c b u sv o l t a g er a t i oo f1 ：1 ：4 i sc o n s t r u c t e dmt h e m a t l a b 7 4 0 s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h en p c h b r i d g em u l t i l e v e l i n v e r t e ro p e r a t e sa t t h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c ys t e p w a v e f o r mm o d u l a t i o n a n dt h es e r i e s - c o n n e c t e dh b r i d g e m u l t i l e v e li n v e r t e ra d o p t s m u l t i c a r r i e rh i g hf r e q u e n c yp w mm o d u l a t i o ns t r a t e g y t h eo u t p u tv o l t a g ep e r f o r m a n c e ，s u c h 笛t h en 啪b e 。 o fi t so u t p u tl e v e l ，t h et o t a ih a r m o n i cd i s t o r t i o n ，a n dt h ep o w e rb a l a n c e a r es t u d i e si nd e t a i l c o n 5 i d e r i n gt h e u n b a l a n c ep m b l e mo ft h eh y b r i dm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s ，a ni m p r o v e dw a y i sp r o p o s e d ，p o w e re q u a l i 烈1 0 n p e r f o r m a n c ec a n b eo p t i m i z e d 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 , h y b r i dm 。d u l a t i o nm e t h 。d ，s t e ：pw a v e f o r m m 。d u l a t i 。n s t r a t e g y ，t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，p o w e re q u a l i z a t i o n i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 大容量多电平逆变器的发展背景1 1 2 多电平逆变器的研究现状3 1 2 1 多电平逆变器拓扑的研究现状o 3 1 2 2 多电平逆变器控制方法的研究现状5 1 3 混合多电平逆变器的提出及发展趋势5 1 4 本文的主要研究内容8 第二章混合多电平逆变器的电路拓扑9 2 1 多电平逆变器的基本主电路结构9 2 1 1 二极管筘位型多电平逆变器9 2 1 2 电容筘位型多电平逆变器1 1 2 1 3 级联型多电平逆变器l2 2 2 混合型多电平逆变器的主电路结构一1 4 2 2 1 传统混合型多电平逆变器1 4 2 2 2 混合箝位型多电平逆变器15 2 2 3 混合开关组合与混合桥臂级联型多电平逆变器l6 2 3 基于电压比自由度的主从式级联混合多电平逆变器1 9 2 3 1 多电平逆变器的自由度一1 9 2 3 2 多电平通用组合结构的电压比自由度2 0 2 3 3 主从式级联混合型多电平逆变器拓扑2 2 2 4 本章小结2 6 第三章混合多电平逆变器的调制方案2 7 3 1 多电平逆变器的常用调制方法2 7 3 1 1 阶梯波调制法2 7 3 1 2 空间矢量调制法2 8 3 1 3 多载波p w m 调制法2 9 3 2 多调制方法组合型混合调制策略3 5 3 2 1 混合调制法的定义3 5 3 2 2 基于基频阶梯波调制与移幅载波p w m 调制组合的混合调制法3 6 3 2 3 基于基频阶梯波调制与移相载波p w m 调制组合的混合调制法3 7 3 3 基频与高频多载波凋制组合型混合调制方法的原理解析3 8 3 3 1 混合调制方法的基本原理3 9 3 3 2 高压单元n p c h 桥基频阶梯波调制法原理3 9 3 3 3 高压单元输出阶梯波电压的分割方案4 0 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 3 3 4 低压级联h 桥单元移相载波调制法原理4 3 3 4 本章小结4 3 第四章主从式级联混合多电平逆变器的仿真研究4 4 4 1 混合多电平逆变器仿真单元模块建模4 4 4 1 1h 桥的数学模型及仿真模型4 4 4 1 2h 桥逆变器的载波信号发生器模型4 5 4 1 3n p c h 桥的仿真模型4 5 4 1 4n p c h 桥逆变器的驱动信号仿真模型。4 6 4 2 高压n p c h 桥单元的基频阶梯波调制方案仿真4 6 4 2 1 三单元级联混合多电平逆变器的仿真系统模型一4 6 4 2 2 高压n p c h 桥单元的调制策略仿真4 7 4 2 3 低压级联h 桥逆变器的凋制信号仿真4 8 4 3 基频方波调制与多载波高频p w m 调制法组合型混合调制法仿真一4 9 4 3 1 阶梯波调制法与c p s s p w m 法组合型混合调制法仿真4 9 4 3 2 阶梯波调制法与i p d 法组合型混合调制法5 2 4 3 3 阶梯波调制法与a p o d 法组合型混合调制法5 5 4 3 4 阶梯波调制法与p o d 法组合型混合调制法5 8 4 4 各种混合调制方法的性能分析及优化6 1 4 4 “皆波性能6 2 4 4 2 直流电压利用率一6 2 4 4 3 功率均衡性能6 3 4 4 4 性能优化6 3 4 5 本章小结一6 6 第五章总结与展望6 7 5 1 本文工作总结一6 7 5 2 工作展望6 8 致谢6 9 参考文献一7 0 攻读硕士期间发表的学术论文7 3 i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖化 1 1 大容量多电平逆变器的发展背景 电能是现代社会不可或缺的重要能源，电能在不同领域的深入应用，以及对高效率、 高功率密度、高可靠性电能变换的需求，推动着电能变换技术、理论、电路、材料和工艺 的发展【l l 。而电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代诞生以来，经过半个多世纪的发展，至今已 被广泛应用于电能变换的各个领域。 在低压小功率的用电领域，电力电子技术已日趋成熟，未来的研究目标主要是提高功 率密度、效率以及性能；而在高压大功率的用电领域，以柔性交流输电( f a c t s ) 、高压直 流输电( h v d c ) 、高压大型电机的变频调速等技术为典型代表的现代电力电子技术正成为 学者的研究热点【l o l 。一方面，希望电力电子装置能够处理的电压等级和容量等级逐渐提高， 如电力系统中的高压直流输电、以静止同步补偿器( s t a t c o m ) _ ； i 有源电力滤波器( a p f ) 等 为代表的柔性交流输电技术，以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置等； 另一方面，为了满足绿色能源的要求，希望电力电子装置的输出电压谐波含量尽量小，并 希望这些大功率装置能尽量减少电磁干扰( e m i ) j b - 题。 电力电子器件是电力电子装置的核心，在过去的几十年，电力电子器件经历了晶闸管 ( s c r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、双极型大功率晶体管( g t r 、b j t ) 矛u 场控器件( i g b t 、p o w e r m o s f e t ) 三个阶段【4 1 。近些年来，i g c t 、i e g t 、e t o 等新型功率器件又纷纷出现，电力 电子器件的单管容量和开关频率有了极大的提高，额定值为6 k v 6 k a 的高压大功率g t o ， 4 5 k v 1 2 k a 的i g b t ，4 5 k v 4 k a 的i e g t 以及6 k v 6 k a 的i g c t 等已经在商业上得到广 泛应用【5 ，6 1 。但即便如此，在一些特定场合，传统的两电平拓扑远远不能满足高压、大功率 的要求。同时，以现有电力电子器件的工艺水平来说，其功率处理能力与开关频率相矛盾， 处理的功率越大，其要求的开关频率越低【7 】。因此，为了实现高频化和低e m i 的大功率变 换要求，在功率器件水平未得到本质突破的情况下，研究人员一般采取的有效手段均是从 电路拓扑和控制方法上入手。在过去的3 0 多年时间里，研究人员对其进行深入研究和探 索，并提出了多种高压大功率变换的解决方案，归纳起来大致可分为五类【2 】。 一、功率器件的串并联技术 功率器件的串并联技术是一种最简单和直接的方案，也是早期普遍采用的技术方案。 采用器件直接串联来承受高压，采用器件并联以承受大电流，从而可以用小功率的开关器 江苏大学硕士学位论文 件实现大功率变换，但是，由于功率器件参数具有离散性，必须采取复杂的动、静态均压 电路和均流电路，因此系统的控制复杂度就大大增加。同时，对于器件串并联，驱动电路 的要求也大大提高。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( h v d c ) r - 中常用器件直接串联方式以及低压大 电流应用中，用具有j 下温度系数的功率m o s f e t 并联使用，还较为常见。 二、逆变器并联技术 逆变器并联技术的基本思想是将多个小容量的逆变器进行并联，并由系统容量来决定 并联逆变器的数目。此法的技术优势是：逆变器模块化十分方便，逆变系统的容量扩展很 灵活；易于构建n + i 并联冗余系统，运行的可靠性及系统的可维护性均得到提高。此法的 技术难度是需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、n + i 冗余和热切换三大技 术问题。 三、多重化技术 为了用较小容量的功率器件实现较大功率输出，还可采用多重化技术。多重合技术定 义为：多个小功率变流器在其输入或( 和) 输出端通过变压器串联或并联，各个变流器以相 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 技术在单相和三相电路上均可以采用。在由电压型功率变换器组成的多重化系统中，为防 止由于不同变压器阀侧绕组电压差所形成的环流，二次绕组通常采用串联方式连接；而在 电流型变换器组成的多重化系统中，二次绕组一般采用并联连接。多重化技术的主要技术 难点是：输入、输出变压器需要专门设计，不仅增加了系统成本，降低了系统效率，而且 当变换器数量急剧增加时，变压器设计将会十分困难。 四、组合变流器相移s p w m 技术 组合相移s p w m 技术的基本原则是：在一个由n 个模块组成的系统中，所有模块调制 波相同，但相邻模块的三角载波相位相差一定角度，使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相 位上相互错开，从而使各模块最终叠加输出的波形的等效开关频率提高数倍，因此，可在 不提高开关频率的条件下，大大减少输出谐波。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，减少了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。其缺点为：仍需工频变 压器，增加了系统的损耗和成本，电压应力并没有得到减小。 五、多电平逆变器技术 多电平逆变器技术主要通过改进自身拓扑结构来实现高压大功率输出，它不需要升降 2 波成分大 为减少，且每个开关器件所承受的电压应力较小。多电平逆变器技术已经成为现代电力电 子技术中，以高压大功率变换为研究对象的一个全新研究领域。它主要具有以下突出优点： 每个功率器件仅承受l ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压的器件譬 如i g b t 来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路； 电平数有所增加，输出电压波形质量得到改善，输出电压波形畸变( t h d ) 变小； 可以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形，因而 开关损耗小，效率高； 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平逆变器，d y d t 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，降低电磁辐射，同时 改善了装置的e m i 特性： 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗； 降低了输入电流的谐波，减小了对环境的污染： 用于三相感应电机驱动时，可以减小或消除中性点电平波动； 安全性更高，母线短路的危险性大大降低； 与传统两电平变换器相比，多电平变换器明显占优，可以用在各种高压大容量领域的 各种变换，包括直流和交流间的变换、直流和直流问的变换。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 多电平逆变器的研究现状 1 2 1 多电平逆变器拓扑的研究现状 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 首次提出y = - 电平电路【8 1 ，其结构如图1 1 ( a ) 所示，其主要思 想是利用开关管辅助中点箝位，在两电平的基础上增加了一个零电平。后来由日本长冈科 技大学a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上加以发展，提出了一种改进的三电平拓扑【9 1 ，如 图1 1 ( b ) 所示，用二极管代替反并联的两个开关管，并利用中间的主开关器件把二极管引 出的零电平加到输出端【1o ，1 。图1 1 ( b ) 中，每相主开关管数与续流二极管数都为4 ，箝位 二极管数与电容数均为2 。当石。、五：同时开通时，输出端a 对o 点的电平为2 ；当 正：、石，同时开通时，输出端a 对o 点的电平为o ；当巧，、石。同时开通时，输出端a 对o 点的电平为一2 ，所以每相桥臂能输出三个电平，因此，称之为二极管箝位型三电平变 换器。 3 江苏大学硕士学位论文 从图1 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 比较可知，图1 1 ( b ) 中的筘位二极管q 、砬不但能引出中点零电位， 而且使主开关管的耐压值降低为直流母线电压的一半，因此这种拓扑结构可能应用于高压 场合，并且替代开关器件的功率二极管利于降低逆变器的生产成本，这些都使其成为三电 平逆变器主电路中较为流行的拓扑结构。由于采用功率二极管箝位得到中点零电平，因此 有人称这种结构为中点筘位式结构或二极管筘位式结构。 ( a ) 德国学者提出的三电平逆变器( b ) 日本学者提出的三电平逆变器 图1 1 三电平逆变电路原理 图1 2 电压型多电平变换器分类图 从多电平变换器概念的提出至今，经过3 0 多年时间的发展，已经形成了三类基本拓扑 及一系列改进拓扑。与此同时，各种多电平逆变器的调制方法也得到衍生。在拓扑方面， 改进的主要方向是减少器件数量，解决电容电压的不平衡等；在调制方面，改进的主要方 向是输出波形性能的优化和算法的简化及算法的通用性等。目前为止，多电平逆变器本质 上主要分为两大类：箝位型多电平逆变器和级联型多电平逆变器。现有的多电平逆变器拓 4 江苏大学硕士学位论文 扑结构可以做如图1 2 所示的分类。 1 2 2 多电平逆变器控制方法的研究现状 多电平逆变器的p w m 调制方案与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的，是多电平 逆变器研究中一个相当关键的技术，因为它不仅决定多电平逆变器的实现与否，而且多电 平逆变器的输出电压性能、系统损耗与效率的都与其有直接的影响。多电平逆变器要获得 优越的输出性能，在适当的拓扑结构基础上，还必须要有相应的调制策略作为保障，才能 保证系统高效运行。衡量调制策略的技术指标主要有：多电平逆变器输出波形的谐波含量、 功率器件的开关频率、动态传输特性、传输带宽等掣眩j 。 传统的s p w m 方法能够准确地再现调制波信息，具有优良的传输特性和优化的频谱分 布，但其开关频率高、开关损耗大和装置效率低等缺点，限制了其在大功率场合的应用。 针对大功率变换器，特别是多电平逆变器，研究人员在两电平s p w m 技术的基础上，提出 了许多p w m 方法。多电平逆变器的调制策略，从广义上来说，分为多载波p w m 调制法 和空间矢量p w m 调制法；从功率器件的开关频率上来说，可以分为基频调制和高频调制 1 1 3 1 ，基频调制是指在一个工频周期中，每个功率器件只是开关一次或两次，产生阶梯波的 输出电压，这种调制策略中比较有代表性的是阶梯波调制法和特定谐波消除法。高频调制 是指在输出电压的一个工频周期中，每个功率器件数次开关动作，这类调制方法主要包括 正弦脉宽调制( s p w m ) 和空间矢量调n ( s v m ) 。如图1 3 为多电平逆变器控制策略分类【1 4 1 。 图1 3 多电平逆变器控制策略分类图 1 3 混合多电平逆变器的提出及发展趋势 近些年来，多电平功率变换器在大功率应用中得到普遍重视，它们适用于高电压、大 功率、低e m i 及低谐波污染，在电力系统及高压大容量电气传动中具有十分广阔的应用前 景。电力系统中的无功补偿、高压直流输电和柔性交流输电以及高压大电动机变频调速是 目前多电平变换器应用的主要领域。 2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染引起了世界各国对 5 江苏大学硕士学位论文 ：声能技术与环保技术的广泛关注。具体在电能利用上面，非线性电力电子装置在电力系统、 工业、交通( 电气化铁路) 及家电中广泛应用，无功和谐波污染日益严重。电力系统的无 功和谐波降低了电能的生产、传输和利用的效率，同时也降低了设备运行的可靠性和安全 稳定性，危及电网的安全。为了治理谐波污染、提高电力系统的控制能力和输电能力，2 0 世纪8 0 年代美国电力科学研究院就提出了柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，简称f a c t s ) 的新概念。所谓柔性交流输电系统，其本质是将现代电力电子技术 以及现代控制技术，如静止无功补偿器( s v g ) 、电力有源滤波器( a p f ) 、综合潮流控制器 ( u p f c ) 等应用到电力系统中，以加强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输出能 力，治理电力系统的无功与谐波污染，提高电能质量，使电力系统高效、可靠、安全、稳 定地运行。实际表明，加装先进的静止无功补偿器、电力有源滤波器和统一潮流控制器， 可大幅度改善电力系统可控性及可靠性，提高输电线路的传输能力及系统的安全稳定性， 而这些设备的组成，均要使用高压大功率的多电平变换器。 2 0 世纪8 0 年代中期，4 5 0 0 vg t o 的商业化生产，促进了中压大功率变频器以及传动 行业的发展【15 1 。9 0 年代后期，i g b t 、g c t 的出现，大功率电力电子技术发展更加迅猛， 这些开关器件具有优越的开关特性、较小的开关损耗、简单的门极控制，且无需复杂的吸 收电路等特性，在大功率电力电子的主要应用场合已经得到了快速的推广和应用i l6 1 7 1 。 中压大功率传动系统已在工业生产中得到了广泛应用【l 引。在工业应用领域，大功率的 传动机械、大功率风机、水泵占主要地位，例如水泥行业中的风机、石化行业中的管道泵、 电力工业的给水泵、运输行业中的牵引机械等等。驱动电机都是4 0 0 4 0 m w ，3 1 0 k v 的大功率高压交流电动机。而这些设备缺少调速的手段，每天都在大量地浪费电能。因此， 开发多电平高压大容量交流电机变频调速节能装置并加以推广应用，对降低单产能耗意义 重大。此外，解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工具( 如电力机车、城市地铁和 轻轨) 及电动汽车，其核心也是大容量交流电机变频调速技术。 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占应 用的大部分，如图1 4 所示，约有8 5 的中压传动系统用于泵、风机、压缩机和传送带等 负载【1 9 1 。据市场调查结果显示，在现有己安装的所有中压电动机中，约有9 7 处于恒速运 行状态，只有约3 采用了变速传动系统。拖动风机或泵类负载的电动机恒速运行时，空 气或液体流量经常采用节流控制、挡板、流量控制阀门等传统的机械手段来调节，造成了 巨大的能源浪费，而如果采用中压传动系统会带来很好的节能效果，逆变器作为其中重要 的一环至关重要。 6 江苏大学硕士学位论文 图1 4 中压传动的负载类型 通过近1 0 年的发展，高压大容量变频技术逐渐成熟起来，市场在不断扩大。表1 1 列 出目前生产高压大容量多电平变换调速装置的国内外厂商及其产品型号和容量。 表1 1 高压大容量多电平变换调速装置的国内外生产厂商及其产品型号和容量 变换器类型开关器件功率范罔m v a制造厂家 两电平逆变器i g b t 并联 1 4 7 2 阿尔斯通( v d m 5 0 0 0 ) ( v s 0 i g b t 串联 1 7 成都佳灵公司 电容箝位( v s d i g b t0 3 8 阿尔斯通( v d m 6 0 0 0 ) 0 3 5 a b b ( a c s l o o o ) g c t 3 7 ( a c s 6 0 0 0 ) g c t3 - - - - 2 0 g e ( 1 n n o v a t i o ns e r i e sm v - s p ) 三电平二极管 l g b t0 6 - - - - 9 话门子( s i m v e r t - m v ) 箝位逆变器 i g b t0 4 - - - 4 5 g e 一东芝( d u r a - b i l t 5m v ) ( n p c v s 0 g t o2 5 1 8 东芝( t o s v e a - l a s 6 5 0 ) i g b t o 0 3 5 o 5山东风光电子公司 l g b t 0 1 t 0 7 5天津华云公司 o 3 2 2 r i b i c o n ( p e r f e c th a r m o n y ) 0 5 6 东芝( t o s v e r t - m v ) h 桥级联式逆变器 l g b t 0 4 5 一- - 7 5 g e ( i n n o v a t i o ns e r i e sm v - g pt y p eh ) ( v s 0 o 2 3 5 北京利德华公司 o 4 1 5 东方凯奇公司 9 0 年代末，印度学者m a d h a v 首次提出混合多电平的概念，称之为传统混合多电平【2 0 l 。 传统混合多电平采用不同直流电压源的h 桥单元进行级联，通过控制相应的直流电压比， 就可实现不同电平效果的输出。在混合多电平拓扑中，g t o 开关在低频并承受较高的电压， 而i g b t 开关在高频且仅承受较低的电压。这样i g b t 和g t o 等不同功率等级的开关器件 7 江苏大学硕士学位论文 可协同工作，从而使各器件扬长避短、充分发挥功用。 随着研究的深入，又陆续提出了主从式多电平逆变别2 i l 、级联n p c h 桥型混合多电平 逆变器1 1 0 , 2 2 1 以及级联f l c h 桥型混合多电平逆变器以及通用组合型多电平逆变器等等。而 对混合多电平逆变器在工业上的应用研究上面，以s t a t c o m 研究为例，许多学者也做了 很多相关的研究工作【2 3 。2 5 1 。 混合多电平技术是非常重要的革新技术口6 1 ，但传统的混合拓扑结构存在较多问题，比 如级联单元之间存在有功环流问题等；而且混合多电平拓扑目前并没有通用的拓扑，不断有 学者提出新的拓扑结构，因此有必要对混合多电平拓扑及其调制方法做进一步研究。 1 4 本文的主要研究内容 全文着眼于主从式多单元级联混合多电平逆变器拓扑及其控制策略的研究，主要包括 以下研究内容： 混合多电平逆变器的拓扑理论的研究，包括多电平逆变器的基本主电路结构( 二极 管箝位多电平逆变器、飞跃电容多电平逆变器、级联多电平逆变器) 、混合型多电平逆变器 的主电路结构( 传统混合多电平逆变器拓扑、混合箝位型多电平逆变器拓扑、混合开关组合 与混合桥臂级联型多电平逆变器拓扑) 。在上述研究基础上，根据多电平逆变器的直流电压 比这一自由度，提出了组合级联h 桥逆变器与级联n p c h 桥逆变器的主从式”门+ 肼”单元 级联混合多电平逆变器拓扑。 混合多电平逆变器的混合调制策略的理论研究，在研究现有的常用多电平逆变器调 制方法基础上，提出适用于主从式多电平级联混合多电平逆变器的组合型混合调制策略。 组合型混合调制方法的基本思想是将基频阶梯波调制法同高频多载波p w m 调制法相互结 合，高压单元输出基频阶梯波，负责主要功率输出，而低压单元输出高频p w m 波形，用 于改善输出电压质量，高、低压单元的输出相互叠加得到总的输出。 主从式”刀+ m ”单元级联混合多电平逆变器的仿真研究，以直流电压比为1 ：1 ：4 的 ”2 + 1 ”单元级联混合多电平逆变器的仿真模型为例，对比分析不同混合调制方法下，混合 多电平逆变器的输出电平等级、t h d 、直流电压利用率及功率均衡等性能特点，并提出性 能优化的措施。 江苏大学硕士学位论文j7 一o 一 i 。1 。1 。1 。1 。1 。一 第二章混合多电平逆变器的电路拓扑 弟一早溉百夕电干地爻裔副电贿佣言l 、 2 1 多电平逆变器的基本主电路结构 经过3 0 多年的研究，多电平逆变器已经逐步形成一套理论体系。目前，多电平逆变器 主要有三类基本的拓扑结构：二极管箝位型多电平逆变器、电容筘位型多电平逆变器( 也有 文献称为飞跨电容型多电平逆变器) 以及级联型多电平逆变器，其英文全称分别表示为 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 ( n p c ) 、f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ( f l c ) 、c a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e a e r ( c h b ) 。下面对三种基本多电平逆变器拓扑作简要介绍。 2 1 1 二极管箝位型多电平逆变器 图2 1 二极管箝位型五电平结构 图2 1 所示为二极管箝位型五电平逆变器的单臂拓扑。每相桥臂共8 个开关器件 正。石。、互：一咒1 进行串联，( 互。，咒) 、( 互：，五2 ) 、( 墨，五：) 、( 互。，咒) 为四对互补工作的开关对， 9 江苏大学硕士学位论文 c i c 4 为分压电容，d l d 3 、叫以为箝位二极管。下面简要说明其工作原理( 设直流 侧电位的最低点疗点为输出参考点) ： 开通所有上半桥开关石。一五。，输出电压u 一。= ； 开通开关墨：、l ：正。，输出电压u 彳。= 丢； 开通开关巧，、7 ：。、瓦、互：，输出电压为乩。= 三= 丢； 开通开关咒夏：、7 ：。，输出电压为乩。= ； 开通开关咒一咒，输出电压为u 一。= 0 。 表2 1 给出了五电平逆变器的输出电压与开关状态之间的关系。 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 输出电压开关状态 7 i 。 五： 五，正。五：咒互：7 ： l1l l o ooo 三 ollll0 o o 吉 oolll1oo 丢 ooo111lo 0ooo01l l l 对于刀电平的二级管箝位型逆变器，每相桥臂需2 ( 刀一1 ) 个主开关器件，( 盯一1 ) 个分压 电容，( 船一1 ) ( 门一2 ) 个筘位二极管。二极管箝位型多电平逆变器的特点如下【2 7 ，2 8 1 ： 箝位二极管数目多，尽管主开关器件只要承受一个直流电容的电压，但箝位二极管 需承受不同的反相电压。 主开关器件所需电流容量不相等，从表2 2 可知，各个开关的导通时间是不对称的， 越靠近中间的开关管导通的时间越长，则电流容量值需选的越大。 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。 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，背靠背连接系统控制简单。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 电容箝位型多电平逆变器 电容箝位型拓扑最早是由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【2 9 1 。 其主要思想是采用悬浮电容代替二极管对功率开关进行直接箝位，不存在二极管筘位型逆 变器中主、从丌关的阻断电压不均衡和箝位二极管反向电压难以快速恢复的问题。图2 2 所示是一个电容箝位型五电平逆变器的单臂电路，