（电力电子与电力传动专业论文）基于vfcbpwm控制的级联h桥型五电平statcom的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n tm e m b e r so ff a c t s ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) h a sw i d e l ya p p l i e da l lo v e rt h ew o r l d b e c a u s es t a t c o mh a sa d v a n c e dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，i t h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tr e s e a r c hi nt h ew o r l d ss v c a tf i r s t ，a se q u i p m e n tc a p a c i t yb e c o m e sb i g g e ra n db i g g e r , a n dt h e nr e q u i r e m e n t so fo u t p u t w a v e f o r mh a r m o n i cs p e c t r u mb e c o m eh i 曲e r , m a i nc i r c u i to ft h em u l t i - l e v e ls t a t c o mb e c o m e s t h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e t h ev a r i o u sf i v e - l e v e lc i r c u i tt o p o l o g ya r ea n a l y z e d ， s u c hi l l s ，d i o d e - c l a m p e d ，f l y i n g - c a p a c i t o r , c a s c a d e dh b r i d g e t h ew o r kt y p eo fc a s c a d e dh - b r i d g e f i v e l e v e lt o p o l o g yi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es t a t c o mm a i nc i c u i tt o p o l o g yi sp r e s e n t e d t h e n ，am a t h e m a t i c a lm o d e li sc r e a t e df o rc a s c a d e dh b r i d g ef i v e l e v e ls t a t c o mi na b c t h r e ep h a s ec o o r d i n a t e sa n d 幽0t w op h a s es y n c h r o n o u sc o o r d i n a t e sa sw e l la sc o r r e s p o n d i n g e q u i v a l e n tc i r c u i t s a t t e rt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo ft h es t a t c o m i sa n a l y z e d t h e s ea n a l y s e sc a np r o v i d et h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed e s i g n i n go ft h ec o n t r o l l e r s u b s e q u e n t l y , t h ef a s tu n i f o r mr o t a t i o nc u r r e n td e t e t i o no fv i t u a lf o r mi sp r o p o s e d t h e p r o b l e mo fa s y m m e t r i ct h r e e - p h a s ep o w e rg r i di sr e s o l v e d ，a sw e l la s ，t h ed e l a yi sr e d u c e dt o1 6 o fs o u r c ep e r i o d t h er a p i dc u r r e n td e t e c t i o ni sa c h i e v e d t h er e s p o n s et i m ei ss h o r t e n e d t h e s p e e do fd y n a m i cc o m p e n s a t i o n i si n c r e a s e d t h ep h a s el o c k e d l o o p i se l i m i n a t e d t h e c o m p u t a t i o n i s s i m p l e b a s e do nr e a c t i v ec u r r e n tc o m p e n s a t i o na st h e m a i no b j e c t i v eo f s t a t c o mm a t h e m a t i c a lm o d e l ，ad i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，a ni n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n do t h e r c o n t r o ls t r a t e g i e sa r eg i v e n t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es i z ea n dc a p a c i t yo fa p p l i c a t i o n s ，t h ec o n s t a n t v o l t a g ea n dr e a l t i m et r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o no fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d i nt h en e x tp a r t , t h r o u g ht h ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o no ff i v e - l e v e lp w mc o n t r o lm e t h o da n dt h e i r o u t p u tv o l t a g eh a r m o n i cc h a r a c t e r s ，h y b d df r e q u e n c yc a r r i e r - b a s e dp w mc o n t r o l m e t h o d ( v f c b p w m ) s u i t a b l ef o rc a s c a d e dh b r i d g ef i v e - l e v e li n v e g e r si sp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h e h a r m o n i cc h a r a c t e r so ff i v el e v e lp w mm e t h o d sa r ec o m p a r e d c o m p a r e dw i t ht h e s ew a v e s ， v f c b p w mc a nb a l a n c et h eu p p e r ，t h eb o t t o ma n dt h ei n t e r m e d i a t eo ft h es w i t c h i n gf r e q u e n c y a n dr e d u c eo u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c s a tl a s t , t h em o d e lo fc a s c a d ef i v e l e v e ls t a t c o mi ss e tu pb ys i m u l i n kt o o l si nm a t l a b w i t ht h ef a s tu n i f o r mr o t a t i o nc u r r e n td e t e t i o no fv i t u a lf o r m ，t h ec o n s t a n tv o l t a g ea n dr e a l t i m e t r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o no fd i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g ya n dv f c b p w mm o d u l a t i o nm e t h o d ， t h es i m u l a t i v er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a na c h i e v es t a t c o mo ft h ef a s tc u r r e n td e t e t i o n , t h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dt h ef a s tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nu n d e rt h ei m b a l a n c es y s t e m k e y w o r d s ：s t a t c o m ；f i v e l e v e l ；c a s c a d e dh - b r i d g e ；v f c b - p w m ；c o n t r o ls t r a t e g y ；v i t u a l s t r u c t u r e ；u n i f o r mr o t a t i o n l i 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密雪。 学位论文作者签名： 多绷 j 。i 专l 电 指导教师签名：知t 乞 独创性l 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 乎多鹭 日期： 冽口弩刃d ；。 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 电力电子学所代表的电力电子变换和控制技术，是一门综合了电子技术、控 制技术和电力技术的新兴交叉学科“吲，其研究的目的是高效率、高质量的提供 所需形式和所需容量的电能。八十年代以来，随着半导体器件制造技术的发展， 开关器件的功率处理能力和开关速度有了显著提高，电力电子装置的应用范围日 益广泛，几乎涉及从发电、输电、配电到用电的所有电能应用领域。越来越多的 电器设备对电力电子装置输出电能形式和容量提出了越来越多的新要求口3 。 随着国民经济的不断发展，对输送电能的需求增长越来越快，特别是结合国 内的“西电东送工程 和“三峡工程”，高压直流( h v d c ) 输电系统和柔性交流 输电系统( f a c t s ) 成为目前在电力系统领域受到极大关注的热门课题，而 s t a t c o m 的技术是所有基于变流器的f a c t s 技术的基础。由于s t a t c o m 装 置具有体积小、调节速度更快( 可达1 0 m s 级) 、在电网电压低时输出电流不受电 压影响、较硬的低压无功功率特性，且接入系统后不存在改变系统阻抗特性而引 起振荡的隐患，因此受到广泛重视。在上述大功率变流器场合，一方面，希望电 力电子装置能够承受尽可能高的电压，具备尽可能大的功率处理能力；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够工作在 高开关频率下并且尽量减少电磁干扰( e m i ) 。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。 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h 州。 在过去二十年里，研究者们进行了大量研究和探索，提出了各种高压大功率 变换的解决思路和方法。多电平变流器技术作为其中一种具有代表性和较为理想 的解决方案，因其固有的功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、 电磁兼容性好等一系列优点，受到越来越多的关注、研究和应用。 1 1s t a t c o m 的基本特征 静止无功补偿装置( s t a t c o m ) 是现代柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心组 江苏大学硕士学位论文 成部分，由电压型逆变器和直流电容构成，同其它常规无功补偿装置相比，具有 以下几大优点睛q 引： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s t a t c o m 的性能大 大优于传统的无功补偿装置； ( 2 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维 护费用；同时，可通过调度中心e m s 实现无功潮流和电压最优控制，它是建设中 的数字电力系统( d f s ) 的组成部分； ( 3 ) 控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节， 响应速度可达毫秒级； ( 4 ) 静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机 械噪声，将大大提高装置的寿命，改善环境影响； ( 5 ) 对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容 及庞大的切换机构，使s 仉盯c o m 装置的体积小，损耗低； ( 6 ) 连接电抗小，s t a t c o m 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存 在的高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个电流电压源连接起来的作用，因 此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感 量，如果使用变压器将s t a t c o m 连入电网，则还可以利用变压器的漏抗，所需 的连接电抗器将迸一步减小； ( 7 ) 对系统电压进行瞬时补偿，既使系统电压降低，又可以维持最大无功电 流，即s t f 盯c o m 产生无功电流基本不受系统电压的影响； ( 8 ) 谐波量小。s t a t c o m 装置采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技 术或p w m 技术来消除次数较低的谐波，从而使较高次数如7 ，1 1 等次谐波减小 到可以接受的程度； ( 9 ) s t a t c o m 中的电容器容量小，即使在网络中普遍使用也不会产生谐振； ( 1 0 ) s t a t c o m 的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。当外部 系统容量与补偿装置容量可比时，s t a t c o m 仍然可以保持稳定，即输出稳定的 系统电压； ( 1 1 ) s t a t c o m 的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源( 如蓄电 池组) 后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2s t a t c o m 的研究现状 利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在2 0 年前就已经为人们 所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具 有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管( g t o ) 的出现，才极大的推动了s t a t c o m 的开发和应用。s t a t c o m 是并联型f a c t s 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器s v c 相比，性能 上具有一极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代s v c 成为新一代的 无功电压控制设备。 目前，世界上已有多台投入运行的大容量s t a t c o m 装置，如表1 2 1 所示。 由此可见，目前为止国际上只有美、日、德、中、英等少数几个国家掌握了 s t a t c o m 的应用开发技术h 儿1 。 研制单位弈量m v 一投运地点投运i 时f n - 互_ 菱、关西电力 2 0 【j 本1 9 8 0 4 f 西麒i u 气、e p r il _ 荚闱、纽约州，s p r i n gv a l l e y l9 8 6 4 l z 三菱、关硒i u 力8 0 日本，i n u y a m a 歼荚站 1 9 9 l f 东芝、口立、东京l u 力5 0 x 2日本，s h i n s h i n a m o 变电站1 9 9 3 年 东芝l o x 2 h 奉，t e i n e 变电站 1 9 9 3 彳f 西屋f 乜气、e p r i 、t v a1 0 0荧国，t v as u l l i v a n 变电站1 9 9 5 0 f - 匹rj 了8德圆，r e j s t yh e d e 变电站1 9 9 7 年 西厘电气、e p r i 、a e p1 6 0茭因，i n e z 变f 乜站1 9 9 7 年 a b b2 2 瑚姨t l a g f o r su d d e h o l m1 9 9 9 f - 清华大学、河南 乜力2 0中国，河_ 南，朝阳变也站1 9 9 9 f - 阿尔斯通、n g7 5英国，e a s tc l a y d o n 变电站1 9 9 9 年 西rj 子、h y o s u n g1韩i 嗣，t l a m a n r e 站1 9 9 9 f a b b1 9德田，t r i e r ，m o 辩l s t a h l w e k 钢f - - 2 0 0 0 年 a b b 3 6 x 2莞圃，德克萨斯州，e a g l ep a s s 电站2 0 0 0 4 i f - 三菱2美国，华盛顿州西雅幽 2 0 0 0 4 f 三菱1日：4 9 东京电力s n i k o r e 站 2 0 0 0 年 a b b8 2芬兰，a v e s t ap o l a r i t 不锈钢- -2 0 0 1 年 纽约电力、e p r i2 0 0美国、纽约州，m a r c y 变电站2 0 0 1 年 三菱4 3 x 2美国，佛蒙特州，e s s e c 变r e 站 2 0 0 2 年 西r 了子、h y o s u n g 、k e p !己i 8 0 韩国，k a n g j i n 电站 2 0 0 3 ：龟 三菱2 0日本，c h u b us t e e i 钢f -2 0 0 3 年 三菱o 5 x 6日本，m u t s uw i n df r a m 虱电f -2 0 0 3 年 三菱4加拿大，b l o o d v e i n 电站2 0 0 3 年 = 菱、s d c & el o o 跫i 茸，加利桶尼亚州，i a l e g a q t 变v 乜g t 2 0 0 3 ，f 阿尔斯通1 5 0跫【西，康涅狄格州，g l e n b r o o k 变电站2 0 0 3 年 a b b 1 6法同，e v r o n 变电站2 0 0 4 5 2 1 = a b bl o o毫【词，德兜萨斯州，p e d e r n a l e s 3 9 e 电站2 0 0 4 # 上海电力公司，清华大学，许继j臣 = 15 0上海2 0 0 6 t g 表1 2 1 国内外已在输电系统投运的s t a t c o m 装置( u p f c 并联部分为s t a t c o m ) 江苏大学硕士学位论文 1 3s t a t c o m 研究的意义 实际上，无功功率对供电系统和负载的运行也十分重要。例如：阻感负载必 须吸收无功功率才能正常工作，这是由其自身的性质所决定的。电力系统网络元 件的阻抗主要是电感性的；在工业和生活用电负载中，阻感负载也占有很大的比 例。感性网络元件和阻感负载所需要的无功功率必须从网络中某处获得。此外， 随着现代工业的发展，大量使用的电力电子装置特别是各种相控装置也需要大量 的无功功率。 为了输送有功功率，要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的 范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求送电端和受电端的电压有一幅值 差，这只能在很窄的范围内实现。网络元件和负载等所需要的无功功率如果都要 由电源提供并经过k 距离传输是不合理的，因为这样会带来一系列不利影响 1 2 1 2 ： ( 1 ) 无功功率的增加意味着无功电流的增大，从而使传输线路的总电流增大， 在传输线路阻抗一定的情况下，电流的增大会造成线路和设备的损耗增加； ( 2 ) 无功功率的增加会引起传输线路的总电流增大，从而会使电网中的元件， 如发电机、变压器、电气设备及导线的容量增大，不利于投资成本的降低； ( 3 ) 如果电网提供的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压降低；如果无 功容量过剩，会造成负荷端的供电电压过高，影响正常的生产和生活用电； ( 4 ) 对发电设备而言，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电 压降低，如果过度增加励磁电流，会使转子绕组超过允许温升。 要解决网络元件和负载等所需要的无功功率问题，合理的方法是在需要无功 功率的地方产生无功功率，使无功能够就地平衡。这种合理的方法就是进行无功 补偿。 通过上面的分析可见，无功补偿对电网降低损耗、节省能源、提高电能质量 有着极为重要的意义。 1 4s t a t c o m 的研究重点及难点 从近几年的有关文献可知，对s t a t c o m 的研究主要集中在主电路接线方式 4 江苏大学硕士学位论文 及拓扑结构的选择、系统模型的建立、控制器设计以及装置在电力系统中的作用 等几个方面。 1 s t a t c o m 主电路接线方式及拓扑结构 目前国内外己投入运行的s t a t c o m 的主电路都是采用多重化结构，即使用 多个逆变器通过曲折变压器或普通变压器与高压电网相连接。这主要是由于受单 个器件容量的限制，用单一逆变器难以构成较大容量的s t a t c o m ；另一方面， 采用多个逆变器，并通过变压器次级的适当连接，可将多个逆变器输出的波形移 相叠加，得到近似于正弦波形的三相对称输出电压。随着电力电子技术的不断发 展，大容量器件不断涌现，上述主电路结构复杂的问题可望得到解决。 2 s t a t c o m 系统模型的建立 在s t a t c o m 系统建模的研究中，在稳态运行的情况一f ，s t a t c o m 的工作 模型是建立在二个静止的同步电压源基础之上。但由于电力系统具有多种非线性 和其匀荷参数的不确定性，并且对实际电力系统而言，s t a t c o m 更多的是运行 在三相不对称条件下，因此，这种稳态的工作模式在应用上存在着很大的不足 4 5 】n 3 】 0 3 s 耵玎c o m 控制策略设计 在研究s t a t c o m 的非线性动态建模的同时，s t a t c o m 的控制策略和控制 器的设计也是研究的一个焦点。s t a t c o m 控制算法的设计一般都和无功电流的 检测紧密联系在一起，从控制的角度来看，s t a t c o m 的控制器设计方法可以分 为许多类型。 从整体上看，s t a t c o m 的研究涉及到电力电子技术、计算机技术、自动控 制技术和通讯技术等多个领域内的尖端科技，因此，目前s t a t c o m 的研究无论 是在基础理论研究方面，还是在工程应用方面仍存在着很多的难题。 1 脉冲控制方法 s t a t c o m 系统建模当前的研究主要是从器件级层次研究s t a t c o m 的电路 拓扑结构和脉冲控制方法，或者是从装置级层次研究从脉冲控制结果到系统无功 电流需求之间的模型与控制问题。 2 最优协调 在电力系统中，如何实现s t a t c o m 控制器之间以及s t a t c o m 控制器与 江苏大学硕士学位论文 传统的电力系统控制器之间的最优协调，如何实现两者之间的远程数据通讯，以 及在系统无功优化分配中，如何设置s t a t c o m 最优安装点问题都是在今后的 s t a t c o m 研究中应解决的问题。 1 5 本文研究的主要工作及安排 本文正是基于上述的背景，围绕s t a t c o m 研究的重点与难点，分析了五电 平的拓扑，着重利用电网电压不对称下s t a t c o m 的一种补偿电流方法检测基波 无功电流，同时利用v f c b p w m 调制方法进行了三角波比较控制策略的研究。 第一章介绍了s t a t c o m 的研究背景和意义，同时介绍了s t a t c o m 技术 的国内外研究现状和应用，在分析了s t a t c o m 的基本特征和研究的重点以及难 点的基础上，提出了本文要研究的工作重点。 第二章在分析和讨论了各种五电平s t a t c o m 的主电路拓扑的基础上，例 如：通用型五电平、二极管箝位五电平和飞跨电容五电平，着重分析了级联h 桥 型五电平的工作状况以及各五电平拓扑优缺点，进而提出本文s t a t c o m 五电平 的主电路拓扑结构。 第三章在分析s t a t c o m 工作原理和特性的基础上，建立了级联五电平 s t a t c o m 控制系统的数学模型，即a b c 模型和a q o 模型，以便于更好的进行理 论分析。 第四章提出了虚拟构造的匀速旋转快速电流检测方法，解决了三相电网电压 不对称下的电流检测，同时检测延时可减少到1 6 个电源周期，实现了电流的快 速检测，缩短了响应时间，提高了动态补偿速度，省去了锁相环，计算方法简单。 基于以无功电流补偿为主要目标的s t a t c o m 的数学模型的基础上，分析了直接 电流控制、间接电流控制以及其它控制策略，例如：神经网络控制、模糊控制和 无差拍控制等。考虑到容量大小与应用场合，本文提出了采用电压恒定及实时跟 随的三角波比较法的直接电流控制策略。 第五章为了降低输出电压高次谐波和提高输出电压基波分量，本文分析和讨 论了各种五电平p i l l 调制方法，例如：阶梯波调制法、移幅载波调制法和移相载 波调制法等，并对它们利用m a t l a b 进行了仿真研究，最后提出了适用于级联h 一 桥型五电平逆变电路的载波带频率变化的p w m 调制方法( v f c b p w m ) ，其能 6 江苏大学硕士学位论文 平衡上部、下部和中间开关的开关频率，降低了输出电压谐波。 第六章在基于虚拟构造的匀速旋转快速电流检测、电压恒定及实时跟随的三 角波比较法和v f c b p w m 调制方法的基础上，利用m a t l a b 仿真软件对基于 v f c b p w m 的级联h 桥型五电平的s t a t c o m 进行了仿真研究，同时给出了相 应的仿真波形。 第七章对本论文所做的工作进行了总结，并提出了本课题有待继续研究的问 题。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章五电平s t a t c o m 主电路拓扑结构的研究 自1 9 8 0 年a n a b a e 首次提出三电平逆变器的概念之后，多电平技术发展迅 速，己经成为了电力电子研究的一个重要领域m 1 4 1 。 和传统的两电平电路相比，多电平电路具有以下的优点： 1 ) 、可采用低压器件应用于中高压电力变流装置； 工 2 ) 、每次开关动作时的电压变化率半小，有助于降低电磁干扰： d f 3 ) 、可采用较低开关频率，有效降低器件的损耗； 4 ) 、“积木式 结构为电力电子系统的冗余设计提供了可能； 5 ) 、有助于实现大功率电力电子装置的模块化设计； 6 ) 、输出的电压或电流为多层阶梯，在逆变电路中可以更好的逼近正弦 波，降低谐波含量。 近年来，各类新技术的应用促进了多电平技术的发展，降低了多电平变流器 的设计难度，多电平技术的一些传统弱点在慢慢被淡化。而在控制方面，各种谐 波消减和调制方法的应用使多电平装置的性能得到较大的提升，多电平技术的应 用有着良好的发展前景。本章对于多电平的研究，更多的是着眼于拓扑结构之间 的联系，而不是拓扑电路出现的早晚。 虽然三电平的拓扑结构简单，但是输出电压的谐波含量较高，且系统的容量 较低；而七电平或者更高电平的主电路拓扑较复杂，控制方法较复杂，成本较高， 但其系统的容量可达到很高级别，输出电压的谐波含量较低。综合他们的优缺点， 同时着眼于本文的研究目的，我采用了五电平拓扑，并对其进行了介绍与讲述， 最终提出本文所采用的五电平s t a t c o m 的主电路拓扑。 2 1 通用型五电平拓扑 通用型五电平也称为统一化五电平降1 7 1 。图2 1 1 是通用型五电平单相电 路拓扑，以a 相为例，像一个侧卧的金字塔结构。开关器件s 墨和s 。一s 4 为 主开关管，用来实现期望的输出电平；s c ，品。：为箝位开关，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，另一对关断，反之亦然。 8 江苏大学硕士学位论文 图2 1 1 通用型五电平单相电路拓扑 l 代表器件开通，0 代表器件关断。如下表2 1 1 ，给出了详细的输出电压 与开关状态的关系，共1 6 种组合，从0 吆、l 、2 、3 到4 吃都有可能。 i 输h i开荚状态 ! 电爪 sss工 o 儿0ooo l 0o o oloo i 咯 oolo 0ooo lloo ollo 0oll 2 lool l o lo 0l0l olli l0l i 3 匕 i10i 1l lo 4 儿 llll 表2 1 1 输出电压与开关状态的关系 阴电平的通用型多电平电路，每相桥臂需要m ( m 1 1 个开关器件，聊一1 个 直流分压电容和( 聊+ 1 ) ( 聊一1 ) 4 个箝位电容。 这种电路拓扑的优点是：电平数越多，输出电压谐波含量越少；无需附加任 何额外的硬件电路和控制策略，自身就可实现直流侧电容的平衡；通过开关状态 切换，容易实现功率的双向流动。 这种电路拓扑的缺点是：电容充放电时，存在电流冲击；需要大量的电容和 开关器件，增加了系统的成本和体积；同时，由于使用大量的功率器件，增加了 开关损耗。 2 2 新型白平衡级联五电平拓扑 图2 2 1 是新型自平衡级联五电平单相电路拓扑的结构示意图m 1 。新型自 9 江苏大学硕士学位论文 平衡级联多电平拓扑是从统一化多电平拓扑简化而来的，它是半桥级联型结构。 新型自平衡级联多电平拓扑在简化过程中保留了部分开关管，从而实现了级联各 级单元之间的能量传递，电路也因此获得电压自平衡的特性。新型自平衡级联五 电平电路拓扑中，讳。& 。和& 。最。为主开关管，它们的控制时序对应互补。 电路中的s 乙：s 。为筘位丌关管，控制时序和最：最。相同。 图2 2 1 新型自平衡级联五电平单相电路拓扑 开关状态即s p 。一s p 。的状态，1 代表器件开通，0 代表器件关断。通过改变 & 。讳：讳，讳。的状态，可以分别得到输出电平圪为0 、1 屹、2 、3 和 4 。当讳。、& ：、q ，和& 。导通时，c l + c 2 + c 3 + c 4 串联向负载提供输出能量， 此时没有可以传递能量的途径，圪= 4 。当髟。、& ：、邑，和& 。都处于关断状 态时，由于箝位开关s 。：s 乙。的开通，因此电路中所有的电容都并联在一起， 直接和电压源相连，因此在此状态中所有的电容都可以直接从电压源获取能量， c l c 2 c 3 c 4 上的电压等于电源电压。其它三个可以输出的电压电平所对应的开关状 态的细合可以通过下表2 2 1 得到。 1 0 江苏大学硕士学位论文 输出开关状态 电压 邑-配zs p l s ， o 吃 0ooo looo 0loo i 匕 0olo 0ooo lloo 0ilo 0oll 2 吒 lool lolo 0lol 0l1l loll 3 屹 i10l lllo 4 儿llll 表2 2 1 输出电压与开关状态的关系 当电平数为m 时，新型自平衡级联多电平拓扑电路中需要的电容数目是 m l ，主开关管为3 木( m 一1 ) 一l ，不需要二极管。因此，对于五电平来说需要的 电容数目是4 个，主开关管为1 1 个。 新型自平衡级联五电平拓扑中，如图2 2 1 由于箝位开关管s 。：一s 。的使 用，相邻两级电容由三个开关管组成的桥臂进行连接。桥臂的不同开关状态可实 现两个电容的串联和并联，电容并联的状态下能量可在电容间进行交换。很显然， 在此拓扑电路中，能量是可以进行双向传递的，但是因为是级联的结构，因此能 量传递的路线是唯一的，即必须通过c l c 2 c 3 c 4 依次传递。能量在电容间传递的同 时，各级电容电压也能达到平衡，因此新型自平衡级联多电平拓扑具备自平衡的 特性。该拓扑在结构上具有级联多电平的特点，在能量传递上具有飞跨电容多电 平的特点，因此在控制中可以发挥各自的优势。 和传统多电平拓扑相比，新型自平衡级联多电平拓扑具有以下的优点： 1 ) 、只需要一个电压源，降低了系统复杂性； 2 ) 、没有电压平衡问题，适合不同输出负载下运行； 3 ) 、可以实现电压的升降，输出范围可以从0 到n 圪； 4 ) 、可以解决传统独立电源级联多电平拓扑能量回馈的难题； 5 ) 、不会出现类似二极管箝位多电平和飞跨电容多电平拓扑中元器件数目随 电平数目以平方关系上升的情况。 图2 2 2 表示新型自平衡级联五电平三相电路拓扑图。 江苏大学硕士学位论文 图2 2 2 新型自平衡级联五电平三相电路拓扑 2 3 二极管箝位五电平拓扑( d i o d e - c l a m p e d ) 2 3 1 传统二极管箝位五电平拓扑 图2 3 1 是传统二极管箝位五电平单相电路拓扑的结构示意图n 6 m 9 。2 5 3 。 s 墨和s 。一s 。为主开关管，它们的控制时序对应互补。电路中的b 色和 d 。d t 3 为箝位开关管。分压电容c l = c 2 = c 3 = c 4 。 图2 3 1 传统二极管箝位五电平单相电路拓扑 箝位二极管数目多，尽管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的反相电压。d 。和包由于需要阻断三倍的电平电压，它由 三个相同的二极管串联；d ：和d 2 需要阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相 1 2 江苏大学硕士学位论文 同的二极管串联。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时 间越长，则电流容量值需选的越大。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。 1 代表器件开通，0 代表器件关断。通过改变s 迎s & 的状态和相应的箝位 二极管连接到电容电路的连接点时，可以分别得到输出电平圪为o 、1 、 2 、3 吃和4 。当s 、岛、s 和瓯导通时，匕= 4 吃；当s 、是、s 和& 都关断时，圪= o 。如下表2 3 1 所示。 输出 开关状态 电压 s 是 墨s a 0 矿。 o00o 1 吃 oo0l 2 矿。 0oll 3 矿。 0lll 4k1lll 表2 3 1 输出电压与开关状态的关系 对于m 电平二极管筘位型多电平电路，每个桥臂需要m 1 个直流分压电容， 2 ( 聊一1 ) 主开关器件，( 聊一1 ) ( 所一2 ) 筘位二极管。 图2 3 2 是传统二极管箝位五电平三相电路拓扑的结构示意图。 c 篱蔫 畜 q 乃乃- b 垃- 鬯 等 ，1弗 - 一晤 与 菊孝 与 - 。埽一目一岛 蹄一审一略 图2 3 2 传统二二极管箝位五电平三相电路拓扑 2 3 2 改进的二极管箝位五电平拓扑 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 江苏大学硕士学位论文 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，提出了一种改进 型二极管筘位五电平拓扑1 9 m 6 3 如图2 3 3 所示。 图2 3 3 改进的二极管箝位五电平单相电路拓扑 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位在单电平电压之内。这个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 4 新拓扑的五电平单臂电路 图2 3 4 为新拓扑的五电平单臂电路n 们啪1 ，其中，s 一& 和s 。s 。为主开 关管，用来实现期望的输出电压；s 。s 。为箝位开关管，日一d l ：为箝位二极管， 它们共同实现箝位功能；同时s 。s 。和辅助电容c l 。c l ，能够保证直流端每个 电容c l c 4 的电压平衡。从图中可以看出，除了最靠近直流侧的- - n 箝位元件 为有源开关和二极管反并构成的开关对外，其他均为二极管箝位。该拓扑容易拓 1 4 江苏大学硕士学位论文 展到任意电平。 对于历电平的单臂电路，该拓扑需要研一1 个直流母线电容，2 ( 朋一1 ) 个主开 关管，2 ( 历一2 ) 个箝位开关管，( 川一1 ) ( 脚一2 ) 个箝位二极管和( 朋一2 ) 个辅助电容。 所有电容分担相同的电压，所有开关管和二极管都有相同的电压应力，均为直流 母线电压的l ( 聊一1 ) 啪1 。其输出电压与开关状态的关系如下表2 3 2 所示。 i 输出 开关状态开关状态 电压 s足最只s is 2 虬 s 4 0 儿 ooooilil looolllo 1 吃 0oo lil0i loolll o o 2 o0ill0oi 10lil0oo 3 屹 ollloool 4f 。iliio0oo 表2 3 2 输出电压与开关状态的关系 为了用较少的筘位二极管实现较高的电平输出，一些学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。对于 五电平，由一个两电平桥臂代替传统的三电平变换器的筘位中点得到的；由两电 平桥臂代替传统的三电平变换器的正母线而得到；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；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。 2 3 3 单电源二极管箝位型级联五电平拓扑 图2 3 5 是单电源二极管箝位型级联五电平拓扑图n 射。墨蜀和s 。一s 。为 主开关管，它们的控制时序对应互补。通过控制不同的开关状态，可以分别得到 输出电平圪为0 、1 吆、2 、3 和4 。 江苏大学硕士学位论文 图2 3 5 单电源二极管筘位型级联五电平拓扑 它的输出电压与开关状态之间的关系如下表2 3 3 所示。 输出开关状态 电压 s是s墨 0 比 o0o0 l0oo i 0ol0 lloo 2 0oli l o lo 3 l0ll ilio 1 4 儿 llll 表2 3 3 输出电压与开关状态的关系 综合上述分析，我们可以得n - - 极管箝位型多电平变换器拓扑的优缺点。 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 ) 、背靠背( 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，同时箝位二极管数目随电平级数的上升而成平方 关系增加，大大增加了成本，系统可靠性也被削弱； 2 ) 、每一桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致； 3 ) 、存在直流分压电容电压不平衡问题，特别在传递有功功率时。 因此在高电平场合，二极管箝位型多电平电路的应用受到了很大的限制。 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 4 飞跨电容型五电平拓扑( f l y i n g c a p a c i t o r ) 飞跨电容五电平变换器也叫悬浮电容五电平变换器，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。它是为了去除二极管 箝位型电路中大量的箝位二极管。 2 4 1 传统飞跨电容五电平拓扑 图2 4 1 是传统飞跨电容五电平单相电路拓扑的结构示意图1 6 蝴m 7 l ，开 关器件s 一墨和s 。一s 。为主开关管，用来实现期望的输出电平，c c 。一c c 。为筘 位电容，每个电容都具有相同的容值和电压，c l c 4 为直流分压电容。 图2 4 1 传统飞跨电容五电平单相电路拓扑 它的输出电压与开关状态的关系如下表2 4 1 所示。 输出 开关状态 电压 置是墨 墨 okoooo io00 0l0o i 吃 00l0 oooo ll0 0 ol1o 00ll 2 吃 10ol lolo 0l