多电平逆变器主电路拓扑结构综述.pdf

多电平逆变器主电路拓扑结构综述王鹏帅 等 多电平逆变器主电路拓扑结构综述 S u r v e yo ft h eT o p o lo g ic a l S t r u c t u r eo fM a inC ir c u ito fM u lt ile v e lI n v e r t e r 互鹏帅辫钿成 太原科技大学电子信息工程学院 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 多电平逆变器具有电压等级 逆变效率和输出电能质量高以及电磁干扰小等优点 在中高电压等级的电能变换场合有着广 阔的发展前景 详细阐述了多电平逆变器传统型拓扑的优缺点和适用范围 并重点研究了几种新型拓扑的工作原理 通过对比新型 拓扑与传统型拓扑可知 减少开关器件的使用 简化电路与调制策略是拓扑电路发展的一个重要方向 多电平逆变器拓扑结构向着复 合性 多样性方向的趋势发展 关键词 多电平逆变器拓扑电路混合式新型拓扑 中图分类号 T M 9 2 1文献标志码 A A b s t r a c t M u lt ile v e lin v e r t e rf e a t u r e sh ig h e rv o lt a g ele v e l in v e r t in ge f f ic ie n c y q u a lit yo fo u t p u te le c t r ice n e r g y a n dle s se le c t r o m a g n e t ic in t e r f e r e n c e s oitp o s s e s s e sb r o a dd e v e lo p in gp r o s p e c t sinm e d iu ma n dh ig hv o lt a g ele v e le le c t r ice n e r g yc o n v e r s io no c c a s io n s T h ea d v a n t a g e s a n dd is a d v a n t a g e so ft r a d it io n a l t o p o lo g ya n da p p lic a b les c o p eo fm u lt ile v e l in v e r t e ra r ed e s c r ib e dind e t a il a n dt h eo p e r a t io n a l p r in c ip le so f s e v e r a ln o v e l t y p e so ft o p o lo g ie sa r er e s e a r c he m p h a t ic a lly B yc o m p a r in gt h en e wt o p o lo g ya n dt r a d it io n a lt o p o lo g y itisk n o w nt h a tr e d u c in g t h eu s eo fs w it c h in gd e v ic e s s im p lif y in gc ir c u it r ya n dm o d u la t io ns c h e m ea r et h eim p o r t a n td ir e c t io nf o rd e v e lo p in gt o p o lo g ic a l c ir c u it c o m p o s it ea n dd iv e r s it ya r et h ed e v e lo p in gt r e n do ft h et o p o lo g ic a l s t r u c t u r eo fm u lt ile v e lin v e r t e r K e y w o r d s M u lt ile v e l I n v e r t e rT o p o lo g icc ir c u it H y b r id N o v e l t o p o lo g y 0 引言 多电平逆变器是一种利用多个直流电源作为输入 来生成大于两电平交流输出的电力电子系统 多电平 逆变器以其电磁干扰小 逆变效率高以及输出电能质 量高等突出优点 近几年在电力系统的直流输电 光伏 并网 电力有源滤波器 柔性输电以及高压大功率交流 电动机变频调速等领域得到了广泛的应用 主电路作为多电平逆变器研究的关键内容之一 得到了国内外学者的高度关注 最先提出的拓扑电路 是H 桥级联的形式 之后 1 9 8 0 年日本长冈科技大 学的学者南波江章在I A S 年会上提出了一种二极管钳 位式三电平逆变器拓扑 由此进入了多电平逆变器 研究的新阶段 二极管钳位式多电平逆变器 飞跨电容 钳位式多电平逆变器 级联型多电平逆变器和混合钳 位式多电平逆变器以及各种新型拓扑不断涌现 3 圳 1 传统多电平逆变器拓扑 传统的多电平逆变器拓扑如图1 所示 修改稿收到日期 2 0 1 3 一0 1 0 9 第一作者王鹏帅 1 9 8 7 一 男 现为太原科技大学电力电子与电力传 动专业在读硕士研究生 主要从事谐波抑制与无功补偿方面的研究 自动化仪表 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 3 年1 0 月 k 意 惫 i 一 中 嗨 l l a 二极管钳位式 二卜蓖 蘸 i 一 旮 l V b2 世2l I c l驳蹶瓦 图1 传统多电平逆变器拓扑 F ig 1 T r a d it io n a lm u lt ile v e lin v e r t e rt o p o lo g ie s 图1 所示的三种多电平逆变器是最基本的拓扑形 式 新型的拓扑电路都是由这三种拓扑结构变化而来 9 多电平逆变器主电路拓扑结构综述 王鹏帅 等 传统拓扑电路具有各自独特的优缺点和适用范围 如表1 所示 表1 传统型拓扑的优缺点比较 T a b 1T h ec o m p a r a io no ft h ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e so ft r a d it io n a lt o p o lo g ie s 从表1 可以看出 多电平逆变器存在的一个突出 的问题就是随着电平数的增加 需要的器件数目随之 增加 数目众多的开关器件增加了系统的体积和成 本 并且调制电路也变得异常复杂 所以多电平逆变 器拓扑电路研究的核心问题就是如何在输出电平数相 同的条件下减少器件的使用数或者在器件数目相同的 条件下得到更多的输出电平数 为此 研究学者提出 了很多混合式拓扑结构和新型的拓扑结构 2 混合式多电平逆变器拓扑 本文综合利用各类拓扑的优势 提出了混合式多 电平逆变器电路 最常见的几种混合式拓扑的电路形 式如图2 所示 撼 1 0 b 不同开关器件混合级联式 c 2 H 桥和3 H 桥混合级联式 图2 典型的混合型拓扑结构 F ig 2T y p ic a lh y b r idt o p o lo g ics t r u c t u r e 为了解决二极管钳位式中桥臂内侧的器件存在的 过电压问题 韩国学者Y o u n g S e o kK im 等人将二极管 钳位和电容钳位结合起来 提出了图2 a 中所示的混 合钳位式拓扑结构 8 加入的钳位电容C 减轻了桥 臂内侧器件上的过电压 为电流提供了双向回路 能更 好地实现电压平衡 对于图1 c 中所示的级联式拓扑 每个2 H 桥或 3 H 桥采用相同的开关器件 这就使得级联方式存在两 个缺点 8 一是所有的2 H 桥或3 H 桥都工作在S P W M 状态下 因此不宜采用低频高电压大功率开关器件 二 是在电平数相同的条件下 所需的独立直流电源的个 数较多 这两个缺点在一定程度上限制了多电平逆变 器的适用范围 图2 b 中所示的拓扑 采用不同类型 的开关器件和不同直流电压等级的2 H 桥进行串联叠 加 这样就可以用G T O 等高压大功率的器件来提高输 出电压的等级 用I G B T 等高频器件来改善波形和调 节电压 在很大程度上提高了逆变器的性能 降低了制 造成本 图2 c 中所示为2 H 桥和3 H 桥混合级联的形 式 钳位多电平逆变器的优点是采用电容分压的方式 可以减小开关管电压应力 但是随着电平数的增加所 需的钳位二极管也相应增加 电路复杂 而2 H 桥级 联式虽然具有诸多优点 但是所需的独立直流源数目 较多 将两者结合起来就可以减少直流源数目 输出更 多的电平数 3 新型多电平逆变器拓扑 几年来 基于基本的拓扑电路结构 又产生出几 种新型的拓扑电路阻1 1 1 新型拓朴主电路如图3 所示 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M 毗N T A T I O NV o L3 4N 仉1 0O c t o b e r2 0 1 3 多电平逆变器主电路拓扑结构综述王鹏帅 等 a 开关器件相对最少的拓扑结构 b 基本单元拓展的拓扑结构 c 串并联实现多电平输出的拓扑结构 图3 新型拓扑主电路 F ig 3 T h em a inc ir c u ito fn e wt o p o lo g y 对于图3 a 来说 它是级联型拓扑结构的一种改 进结构 该拓扑结构最大的优点就是能用较少的元件 数目来实现更多电平的输出一 其基本的级联单元和 输出波形如图4 所示 拓朴电路开关状态对应的电压输出情况如表2 所示 一 1 基本单元 基本单元的典型输出波形 图4 基本单元及其输出波形 F ig 4 T h eb a s icu n ita n dit s o u t p u tw a v e f o r m 自动化仪表 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 3 年1 0 月 表2 拓扑电路开关状态对应的电压输出 T a b 2T h es w it c h in gs t a t eo ft o p o lo g ic a l c ir c u itV S v o lt a g eo u t p u t 适时控制H 桥部分开关器件的通断就可以实现 输出电压玑的反向输出 图3 a 中 T T 导通 T 3 T 4 关断可以实现玑 0 T 3 T 4 导通 T T 2 关断可以实 现以 5 时 新型拓扑的开关和二极管数目远远少 于传统型级联拓扑 对于图3 b 中所示的拓扑结构 其基本单元和输 出波形与图3 a 相同 不同的是基本单元的级联形 式 10 其拓展的基本单元如图5 所示 拓展单元开 关状态对应的电压输出如表4 所示 图5 拓展基本单元 F ig 5 E x t e n d e db a s icu n it 表4 拓展单元开关状态对应的电压输出 T a b 4T ile 翱疵她s t a t e0 fe x t e n d e d 血佩v 0 I t 孵o u t p u t 状态序号 写 j 垦萼尝查 i T 以 l 2 3 n 一1 n 0 0 0 100 Ol0 0 1 0 O U U o叽巩 训 n n 0 O O O 1 多电平逆变器主电路拓扑结构综述王鹏帅 等 各个拓展拓扑进行级联 就构成了图3 b 中所示 的拓扑结构 其H 桥部分与图3 a 中H 桥的作用相 同 主要用来进行输出电压的换向 由表4 可知 基本单元拓展的拓扑结构在每一种 输出状态下只需有一个开关进行动作 调制简单 开关 损耗小 并且可以得到的输出电平数较多 这是该拓扑 结构的优点 其缺点是需要的独立直流电源数目较 多 但是在一些特定的系统中 比如光伏发电 燃料电 池以及具有电容或电池的能量存储设备中 独立直流 源的问题可以得到解决 该拓扑在这类系统中具有较 高的应用价值 图3 c 中是日本学者Y o u h e iH in a g o 提出的一种 通过直流源的串并联切换来实现多电平输出的新型拓 扑结构 1 此拓扑中各个直流源均是独立的 先假设 v 0 以 1 2 k 1 2 t 通过控制开关S S S S 和S 一S 就可以实现直流源的串并联切 换 1 5 电平 r t 3 时级联单元串并联的转换如图6 所示 J 巩 S 刨 阮 b 以和 并联后与 串联 c U t 和地串联 图6串并联转化示意图 表5 导通状态对应的开关状态 T a b 5T h es w it c h in gs t a t ec o r r e s p o n d in g t ot h ec o n d u c t iv es t a t e 串并联部分与2 H 桥配合可实现2 n 1 等级的输 出 再与H 桥进行级联即可实现4 n 3 等级的电压输 出 n 为串并联部分的电源个数 此拓扑电路的缺点 是调制电路较为复杂 需采用混合调制的方法 输出 电平数相同时使用的开关设备数目对比如表6 所示 表6 开关设备数目对比 T a b 6C o n t r a s to ft h es w it c hd e v ic en u m b e r 表6 中 在电压比为2 并且输出电平数为1 1 和1 5 的条件下 对传统型和新型拓扑电路所使用的开关设 备数目进行了对比 4 结束语 本文介绍了多电平逆变器主电路拓扑结构的发展 历程与特点 重点对几种新型的拓扑电路的工作原理 进行了比较详细的介绍 并将它们与传统型拓扑进行 了对比 通过对比可以看出 减少开关器件的使用 以简化 电路与调制方法是拓扑电路的一个重要发展方向 此 外 多电平逆变器拓扑结构向着复合性 多样性方向的 趋势发展 这符合应用多元化的需求 参考文献 1 B a k e r R H E le c t r icp o w e rc o n v e r t e r U S 0 3 8 6 7 6 4 3 P 1 9 7 5 2 N a b a eA T a k a h a s h lc A l a g i LAn e wn e u t r a l p o in td a m p e d 嗍 in v e r t e r J I E E ET r a n s a c t io nO nh d m t r yA p p lic a t io n s 1 9 8 1 1 7 5 5 1 R 一蹈 3 L a i JS F a n gZP M u h ile v e l c o iiv e r t e r san e wb r e e do fp o w e r c o n v e r t e r s J I E E ET r a n s a c t io n so nI n d u s t r yA p p lic a t io n s 1 9 9 6 3 2 3 5 0 9 5 1 7 4 M ld h a vD M a n j r e k a rH P e t e rK e ta 1 M u lt ile v e lp o w e rc o n v e r s io n s y s t e m ac o m p e t it iv es o lu t io nf o rh ig h p o w e ra p p lic a t io n s J I E E E T r a n s a c t io n sO ilh d 僦a l A p p lic a t io m 2 0 0 0 3 6 3 8 3 4 8 4 1 5 h iYS S h y uFS N e wt o p o lo g yf o rh y b r idm u lt ile v e lin v e r t e r J F ig 6s c k a i o f s e r ia lt o p 砌如一io n 舞 蠹蕊赢凡 日e c 咖记s K m 一8 导通状态对应的开关状态如表5 所示 下转第1 6 页 1 2 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 1 0O c t o b e r2 0 1 3 发电机转子绕组匝间短路故障诊断研究刘进 等 波包分解后细节信号的关联维数最小 而且变化比较 平稳 短路故障信号的关联维数则随着故障程度增 加 呈上升趋势 同时每种故障状态的关联维数则随着 信号分解层次增加而下降 这是由于故障特征分量的 存在使得信号变得复杂 而小波包分解后各层信号逐 渐简化 由此可以证明小波包 关联维数作为故障表 征量是可行的 以上述4 种状态为标准 设每层细节信号的关联 维数为D 试验测得某一状态下信号的关联维数序列 d 1 4 0 12 1 3 7 56 1 3 6 27 1 3 4 1 3 1 2 9 36 定 1 义维数距离M 二 IO i d 1 这样就可以计算该状态 n 圬1 与上述4 种状态的相近程度 进而判断电机的故障程 度 维数距离计算结果如表1 所示 表1 维数距离 T a b 1D im e n s io nd is t a n c e 状态距离肘状态距离肘 正常0 2 3 99 0短路5 0 0 3 93 0 短路1 0 0 4 64 8短路1 0 0 2 1 37 4 从表1 可以看出 该电机状态与短路5 状态的 维数距离最小 依据此可以判断该电机转子匝问短路 数为5 左右 4 结束语 本文通过分析同步发电机转子匝间短路故障时 励磁磁场特性 提取定子电流信号作为分析对象 定 义小波包 关联维数的概念 计算不同状态及故障程 度下的关联维数和维数距离 并与正常电机的关联 维数对比可以发现 转子匝间短路故障后定子电流 信号中会感应出偶数次和1 2 3 2 等分数次谐波分 量 可以以此作为故障特征进行转子匝间短路故障 诊断 计算得到的关联维数作为故障特征分量诊断故障 简单可靠 同时 得到的维数距离的可以清楚表征某种 状态与试验结论中四种状态的相近程度 以此可以进 行故障程度的判别 参考文献 l1 李永刚 基于多回路理论的转子匝间短路时定子并联支路环流 分析 J 电力系统自动化 2 0 0 9 3 3 1 7 7 l一7 5 2 唐芳轩 隐极同步发电机转子匝间短路的分布电压诊断法 J 高电压技术 2 0 0 5 4 1 1 7 2 7 6 3 张燕平 汽油机轴系振动故障诊断中的信息融合方法研究 D 武汉 华中科技大学 2 0 0 6 4 郝亮亮 大型水电机励磁绕组匝间短路稳态故障特征分析 j 电力系统自动化 2 0 1 1 3 5 4 4 0 4 5 5 郝亮亮 隐极发电机励磁绕组匝间短路故障定位及短路匝数估 算 J 中国电机工程学报 2 0 1 l 3 l 2 1 8 5 9 2 6 侯纪勇 汽轮发电机转子绕组匝间短路分析及实验研究 D 保定 华北电力大学 2 0 1 1 7 邓林峰 一种改进的转子振动信号消噪方法研究 J 仪器仪表 学报 2 0 1 1 3 2 9 1 9 6 1 1 9 6 6 8 刘学琴 小波软阈值去噪和G R N N 网络在月度负荷预测中的应 用 J 电力系统保护与控制 2 0 0 9 3 7 1 4 5 9 6 2 9 张亚楠 基于小波包S h a n n o n 熵S V M 和遗传算法的电机机械故 障诊断 J 电力自动化设备 2 0 1 0 3 0 1 8 7 9 1 flO 夏长亮 基于R S 分析和小波变换的同步发电机定子绕组匝间 短路故障分析 J 电工技术学报 2 0 0 6 2 1 6 1 0 1 1 0 5 1 1 李萌 旋转轴承故障的特征提取与模式识别方法研究 D 长 春 吉林大学 2 0 0 8 1 2 褚岩 小波分析在发电机转子绕组匝间短路故障诊断中的应 用 J 沈阳工程学院学报 自然科学版 2 0 1 l 4 3 3 8 3 4 1 上接第1 2 页 6 R e c hC G r n n d lin g Ag e n e r a liz e dd e s ig nm e t h o d o lo g yf o rh y b r id m u lt ile v e lin v e r t e r s J I E E E2 0 0 22 8 t hA n n u a lC o n f e r e n c eo ft h e I n d u s t r ia lE le c t r o n ic sS o c ie t y 2 0 0 2 l 5 8 3 4 8 3 9 7 K e it hC Y a k o vF An e wc a s c a d e dm u lt ile v e lH b r id g ed r iv e J I E E ET r a n s a t io no nP o w e rE le c t r o n ic s 2 0 0 2 1 7 1 1 2 5 1 3 1 8 刘风君 多电平逆变技术及其应用 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 7 6 6 6 7 9 E b r a h imB S e y e dH N e wc a s c a d e dm u lt ile v e l in v e r t e rt o p o lo g yw it h m in im u mn u m b e ro fs w it c h e s J E n e r g yC o n v e r s io na n dM a n a g e m e n t 2 0 0 9 5 0 2 2 7 6 1 2 7 6 7 1 0 B a e i E Ac a s c a d em u lt ile v e le o n v e g e rt o p o lo g yw it hr e d u c e dn u m b e r o fs w it c h e s J I E E ET r a n s a t io nP o w e rE le c t r o n ic s 2 0 0 8 2 3 6 2 6 5 7 2 6 6 4 11 Y o u h e iH As in g le p h a s em u lt ile v e l in v e r t e ru s in gs w it c h e ds e r ie s p a r a lle lD Cv o lt a g es o u F c e s J I E E ET r a