二极管箝位式多电平逆变器

电力电子学大作业题 目：二极管箝位式多电平逆变器学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电力电子与电力传动 学生姓名： 授课教师： 2011年6 月7日13二极管箝位式多电平逆变器摘要：二极管箝位式多电平逆变器是由箝位二极管和串联的直流电容器实现的多电平交流电压。本文对三电平和四电平二极管箝位式逆变器进行了研究，并通过Matlab/Simulink得出了仿真结果。关键词：二极管、箝位、多电平、逆变器二极管箝位式多电平逆变器通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四和五三种电平。目前，只有三电平二极管箝位式逆变器在中压大功率传动系统中得到了实际应用，通常称为重点箝位式（NPC）逆变器。NPC逆变器的主要特征是，输出电压比两电平逆变器具有更小的电压变化率和THD。更重要的是，这种逆变器无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。本文将对三电平和四电平二极管箝位逆变器进行深入分析和研究，并分别通过同相层叠和相邻反向层叠的移幅调制法得到开关器件的控制信号。最后得出仿真结果，并进行了相关的分析。1. 三电平的二极管箝位式逆变器1.1 拓扑结构 如图1所示为三电平二极管箝位式逆变器的简化结构。逆变器的每相桥臂都由带有两个反并联的二极管的四个开关构成。在实际的系统中，开关器件既可以采用IGBT，也可以采用GCT。图1 三电平NPC逆变器 直流侧两个串联电容的衔接处为逆变器中点Z。连接到中点的二极管Dz1和Dz2为箝位二极管。当S2和S3导通时，逆变器输出端A通过其中一个箝位二极管连接到中点。每个直流电容上的电压E通常为总直流电压Vd的一半。1.2开关状态对于三电平NPC逆变器，每相桥臂有三种导通情况：上桥臂导通，下桥臂关断，用P表示；下桥臂导通，上桥臂关断，用N表示；中间两个开关管导通，另外两个关断，用O表示。开关状态为O时，箝位二极管使得A、B、C到Z电压为零。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。必须注意的是，开关S1和S3运行在互补模式，即一个开关导通，另外一个必须关断。同样，S2和S4也是互补的。2.四电平的二极管箝位式逆变器 如图2所示为单相四电平二极管箝位逆变器的简图。四电平二极管箝位逆变器每相有四种开关状态：S1、S2、S3导通，S4、S5、S6关断；S1、S2、S3关断，S4、S5、S6导通；S2、S3、S4导通，S1、S5、S6关断；S3、S4、S5导通，S1、S2、S6关断。图2 四电平二极管箝位逆变器每相简图3.仿真 已知变流器额定输出电压（基波线电压有效值）为6.6KV ，额定输出功率为5MVA，额定频率为60Hz，阻感负载功率因数为0.9，常量和纹波任意，直流输入待定。（1）负载的计算额定输出功率与输出电流和负载之间有如下关系： 式中，PF为负载功率因素，为相电流，为相电压，且。因此代入数据解得：（2）直流输入电压的计算当时，基波电压电压幅值与输入电压的关系为：式中，为电平数，。 因此，当m=3时，E=7635.3V；当m=4时，E=5090.2V。3.1 三电平NPC逆变器三电平NPC逆变器中所采用的调制方法是IPD移幅调制法。根据移幅调制法调制因数的定义有：式中，为基波电压幅值，为载波幅值。因此，当时，解得；当时，解得。仿真结果如下图所示。图3 和时，A相输出相电压、线电压和相电流图4 和时，S1、S2和S3的控制脉冲图5 和时，A、B之间线电压的谐波分析图图6 和时，A相输出相电压、线电压和相电流图7 和时，S1、S2和S3的控制脉冲图8 和时，A、B之间线电压的谐波分析图3.2 四电平NPC逆变器四电平NPC逆变器中所采用的调制方法是APOD移幅调制法。根据移幅调制法调制因数的定义有：式中，为基波电压幅值，为载波幅值。因此，当时，解得；当时，解得。仿真结果如下图所示。图9 和时，A相输出相电压、线电压和相电流图10 和时，S1、S2和S3的控制脉冲图11 和时，A、B之间线电压的谐波分析图图12 和时，A相输出相电压、线电压和相电流图13 和时，S1、S2和S3的控制脉冲图14 和时，A、B之间线电压的谐波分析图4.结论在三电平NPC逆变器中，比较图5与图8可知，不同幅值调制因数下所得的频谱分析有很大差距。虽然幅值调制因数为0.99时的THD仍不满足要求，但明显优于幅值调制因数为0.33的情况。这与基波频率的不同也有关，载波频率相同时，基波频率越高，频率调制因数越高，相对而言THD值也更小。在四电平NPC逆变器中，当时，输出相电