多电平变换器拓扑及控制技术的发展综述

多电平变换器拓扑及控制技术的发展综述 主要内容 1 现有多电平变换器拓扑和控制方法的简单概述2 APEC 2002 2003中提出的新拓扑和新控制方法3 我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作 1 1多电平变换器拓扑的简单概述 图1单相二级管箝位型五电平变换器主电路结构 特点 可控制无功功率流 但是传递有功功率时 存在直流分压电容电压不平衡问题 back to back连接外加电压调节控制器通过改进拓扑结构通过改进调制方法 图2改进的二极管箝位型五电平变换器电路拓扑 图3二极管箝位 飞跨电容型混合五电平变换器拓扑 图4单相飞跨电容型五电平变换器主电路结构 特点 大量的开关组合冗余 可用于电压平衡控制 一般采用相移PWM调制 在纯无功负载情况下 电容电压不能平衡 因此不能用于无功补偿等场合 图5单相级联型七电平变换器主电路结构 特点 无需箝位二极管和箝位电容 在三种电路结构中 对于相同电平数 所需器件最少 易于封装 需多个独立直流电压源 该结构适用于各种可再生能源 如 燃料电池 光伏电池等 图6混合级联型多电平变换器拓扑 通用的多电平变换器拓扑 图7通用五电平单臂电路 1 2多电平变换器控制方法的简单概述 a 消谐波PWM方法 SHPWM b 开关频率优化PWM方法 SFOPWM c 载波带频率变化的PWM方法 d 相移载波PWM方法 1 2 1基于载波的多电平PWM控制方法 图7基于载波的多电平PWM控制方法 1 2 2多电平逆变器空间矢量PWM控制方法 图8三电平逆变器空间电压矢量图 多电平SVPWM法和两电平SVPWM法一样 是一种建立在空间矢量合成概念上的PWM法 它的最大优点在于概念清晰 反映了SPWM的本质 电压利用率高 易于数字实现等 不足之处在于当电平数超过5时 算法过于复杂 2 APEC 2002 2003中提出的新拓扑和控制方法 在近两年APEC中研究比较多的拓扑和控制方法 拓扑 二极管箝位型和级联型控制方法 空间矢量PWM 四电平Marx逆变器 APEC 2003 四电平Marx逆变器 Marx单元 半桥单元 M级 图9四电平Marx逆变器 一种应用于有源整流或无功补偿的新的混合多电平变换器拓扑 APEC 2002 图10混合多电平变换器原理图 新的控制方法 一种通用的空间矢量PWM控制算法 解决了空间矢量计算的复杂性 并且该法可以应用于任意电平的H 桥级联型多电平拓扑 APEC 2003 用于级联型多电平变换器的错时采样的空间矢量调制方法 大大减小了谐波分量 APEC 2003 减少电流纹波的空间矢量混合PWM技术 级联型 APEC 2003 减少共模电压的滞流调节策略 使用三个独立的多电平滞流调节器来产生三套互补的门极信号 APEC 2003 3 我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作 3 1提出了基于基本单元串 并 并 串 思想生成多电平变换器拓扑的新方法 由该方法不仅可以得到已有的三类基本多电平变换器拓扑 而且可以推导得到一系列新的拓扑结构 从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴之内 为多电平变换器拓扑结构的研究提供了一个新的指导原则 a 多电平变换器的基本单元 b 基本单元的串联 c 基本单元的并联图11基本单元的概念 3 2改进的级联型多电平变换器拓扑 图122 H 3 H级联型多电平变换器拓扑 表1几种多电平拓扑单臂电路输出15电平时所需元件数的比较 a 3 H单元的输出波形 b 3 H单元的输出波形 c 相电压输出波形 图13改进级联型拓扑的仿真波形 图14改进级联型拓扑的实验结果 b Vdc1 3vdc2 c Vdc1 4vdc2 a Vdc1 2vdc2 d Vdc1 6vdc2 3 3提出一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑 图16具有冗余功能的五电平变换器单臂电路 图15通用五电平单臂电路 思想 拓扑存在着多种开关状态组合 当器件发生断路故障时 改变开关状态组合 使发生故障的器件处于关断状态 当器件发生短路故障时 改变开关状态组合 使发生故障的器件处于导通状态 图18器件故障时的实验结果 图17消谐波调制方法 a sp1断路故障时输出电压 b sp2短路故障时输出电压 3 4提出基于控制自由度组合的载波PWM控制方法 载波的自由度 对于载波而言 至少有频率 幅值 相位 水平方向的偏移量和竖直方向的偏移量等多个可调节控制的参数 调制波的自由度对于调制波而言 至少有频率 幅值和相位 叠加零序分量等多个自由度 自由度之间的组合如果把载波自由度和调制波的自由度按照一定的原则进行相互组合 以系统的性能指标优化为目标 将产生一些具有实际意义的新型多电平逆变器PWM控制方法 这种控制自由度组合的思想为多电平变换器高性能的实现提供了可能 二极管箝位式多电平变换器新颖载波PWM控制方法 a 载波交叠式PWM方法原理图 b 载波交叠 开关频率优化PWM方法原理图 图19二极管箝位式多电平变换器新颖载波PWM控制方法 二极管箝位式多电平变换器新颖载波PWM控制方法的优点 多电平逆变器的载波交叠式PWM方法在调制度小于0 85的范围内 其谐波特性要远远优于传统的消谐波PWM方法 在高调制度范围内其谐波特性和传统的消谐波PWM方法基本相同载波交叠 开关频率优化PWM方法除具有载波交叠式PWM方法的优点外 还增加了直流电压的利用率 使调制度达到1 15 该方法适合高电压调制度的三相功率变换场合 二极管箝位式多电平变换器载波PWM控制方法之间的比较 图20新颖调制方法下的实验结果 a 三电平逆变器COPWM方法调制度为0 8的相电压波形和线电压波形的实验结果 b 三电平逆变器COSFOPWM方法调制度为0 8的相电压波形和线电压波形的实验结果 我们对飞跨电容型拓扑也得到了基于控制自由度组合额的载波PWM调制方法 结论与展望 1 对多电平变换器拓扑的系统化研究 2 多电平变换器最优拓扑的