电流型多电平变流器拓扑及PWM控制策略研究

1、浙江人学 硕士学位论文 电流型多电平变流器拓扑及pwm控制策略研究 姓名：陈 阳申请学位级别：硕士专业：屯力电子与电力传动 指导教师：张仲超 20060501浙江人学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 11引言在过去的几十年 里，屯力电子器件经历了晶闸管（scr）,可关断器件（gl'o）、大功率晶 体管（g t r ）和场控器件（igbt和power mo s f e t）三个阶段。近 年來，各种新型功率器件，如i g c t、mc t等又纷纷出现。电力电子的单管容 量开关频率己经得到了极人的提高，既便是这样，在某些应用场合，传统的两电平 拓扑仍不能满足人们对高压大功率的要求，随着电力电

2、子领域各种技术的全而发 展，人们对电力电子装置的髙压、大功率和高频化的要求越来越强烈，人们希望 电 力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级，例如，电力系统中以高压直 流输电（h v d c ）,静态无功补偿（s盯环c om）等为代表的柔性交流输电技 术（facts）,以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置。多电 平变换 器也就是在这种背景下成为高压大功率变换研究的热点002 【3】。h 前，多电平变换器技术【4 j己成为电力电子学屮，以高压大功率变换为研究对象 的个新的研究领域。对于电平数为n的多电平变换器，它具有以下突出优点： 1 .每个功率器件仅承受1 /（iv-1 ）的

3、母线电压（n为电平数），所以可以用 低耐压的器件实现高压人功率输出，且无需动态均压电路。2.电平数的增加,改善了输出屯压波形，减小了输出电压波形畸变（iid）。3,可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗小, 系统的效率高。4.曲于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电 平变换器，开关器件所承受的d v / d t应力大为减少。目前对电压型多电平变 换器研究得很多，但儿乎还没有将多电平技术应用到 电流型变流器中去的研究报 道。随着高温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导技术解决了电流型变流器 中的储能电感储能效率问题，同时电力超导储能系统

4、中储能线圈具有电流源特性, 因此电流型变流器将成为应用最佳选择z-o对浙江人学硕士学位论文 第一章 电流型多电平变流器的研究工作是必要的、可 行的，具有重要的理论意义和应用 前景。 1. 2电压型多电平变流器 传统的 变流电路在实现大功率的同时，在性能上并未有太多突破，且以系统 的复杂性和高 成本为代价。近年來，多电平变换器越來越多受到关注。它一般是出几个电平台阶 合成阶梯波以逼近正弦输出电压。这种变换器的输出波形具有更好的谐波频谱，每 个开关器件所承受的电压应力较小，开关损耗小，因而这种变 换器已成为研究 的热点。常见的多电平变换器有以下几种：1 . 2. 3 .二极管箝位型多电平逆变器(d

5、iode cl 锄 ped m u 1 m e v e 1 inverter) 飞跨电容型多电平逆变器(flyin争capac "o r圳止t i level i n v e r er) 级联型多电平逆变器(cascaded m 1 1 1 t i 1 e v e 1 inverter) 1. 2. 1二极管箝位型多电平逆变器1 s 1 1 6 117 1图1 1所示是二极管箝位型五电平三相逆变器的主电路结构。分压电 容 c 2 c 22 c 32 c 4 ,并且 12%22 % 32%4；每相桥臂有8个开关器件串联，其中每4个开关器件同时处于导通或关断状态，其中s a 1和s a

6、5互补、s a 2和s a 6互补、s a 3和s a 7互补、s “和s a 8互补。 o 图11二极管箝位型五屯平三相逆变器主电路 箝位二极管 的耐压要求较高。每相所需要的二极管数量为(m. 1 )(m-2 ),二浙江人学硕士学位论文 第一章 极管的数量与电平数的平方成正比(目前研究 中的电平数一般不超过7 )。二极管钳位多电平变流器的优点：1 .阶梯波调制 时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高；2.可控制无功功率流；3. b a c k . t o_b a c k连接系统控制简单；缺点：1 需要大量钳位二级管；2 每 桥臂上下侧功率器件的导通时间不一样，造成负荷不一致3.存在直流分压

7、电容电 圧不平衡问题。 12. 2 £跨电容型多电平逆变器i b 1 f 9 1 f 1 () 1j，。 一u驯v本 y丰 y：飞跨电容型五电平三和逆变器主电路 所示是飞跨电容型三辔宓缙侥姪没轉闹輔缠方询境c肯喙疟塾校父？ 8 a s和1 a s中其，态状断关或通导丁处时同件器关开个4每中具，联串关开 器流变型位箝容电。补互5 a s和4 a s、补互6 a s和3 a s、补互7 a s和2 a补互 器流变的平电m,点优等强较力能护保件器关开对、活灵成组式方关开 有具，容电位箝的量大要需器流变型位箝容电。容电助辅个2 /) 2 . m () 1 -m (要一每型位箝容电对，此因。题

8、问衡平不压电容电压分流直在存。差性靠可, 积体。少耍器流变平电多型位箝管极二比究研性用应流变多电平变流器的优点： 波调制时，器件在基频卜开通关断，损耗小，效率高；制无功和有功功率流，因而 可用于高压直流输电等方面：浙江人学硕士学位论文 第一章 3.人量开关组合兀余，可用于电压平衡控制; 缺点：1 .需要人量的钳位电容，体积庞人，可靠性差：2 .用于有功功率传输时, 控制复杂，开关频率高，开关损耗大3 .存在直流分压电容电压不平衡的问题。1 . 2 . 3级联型多电平逆变器1211131图1一3所示是级联型三相五 电平逆变器的主电路结构。这是一种较为新颖的拓扑结构。每相桥臂有2个单相全 桥构成，

9、其中每4个开关器件同时处于导通或关断状态，其中s a 1和s a 3互补、 s a 2和s a 4互补、s a 5和s a 7互补、s a 6和s a 8互补。 v v 图13级联型五电平三相逆变器主电路级联型变流器和前面的两种拓扑相比具有 如下特点：无需钳位二极管和电容，在三种电路拓扑中，对于相同的电平数，所需 器件最少，易于封装；技术成熟，易于模块化，较适于7电平或9电平以上的多电 平场合；易釆用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻容吸收电路；不存在电容电压 平衡问题。但是它需要多个直流电源，不易实现四象限运。13多电平变流器的控制策略 多电平逆变器的p wm控制技术是多电平逆变器研究屮一个很

10、关键 的技术，它是与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定多电平逆 变器的实现与否，而且，对多电平逆变器的电压输出波形质量，系统损耗的减少与 效率4浙江人学硕士学位论文第一章的提高都有直接的影响。多电平逆变器功能的 实现，不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础，还要有相应的pwm控制方式作为 保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。针对大功率变流器，尤其是多电平变 流器，人们在两电平s p wm技术的基础上，提出了许多p wm方法，这些调制方 式主要用于电压型多电平变 流器，其中一些调制方式在电流型变流器中适用，归纳 起来有以下儿种： 13 . 1阶梯波脉宽调制【1 4】115 1典型的阶梯波 调制参考电压和输