多电平逆变器简介

1、多电平逆变器拓扑与控制战略的比较多级逆变器主要有二极管钳、飞轮电容、级联等三种茄子拓扑。二极管箝位电路必须保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中仍以三电平电路为主，一般不超过五级。飞轮容量类型(也称为容量钳位类型)还存在容量电压平衡控制和冗馀交换机状态最优化问题，实际上应用较少。级联多电平逆变器(也称为链式逆变器)以普通单相全桥(H桥)逆变器为基本单元，直接连接多个电源设备，连接数量越多，输出层数就越多。不存在容量平衡问题，提高了电路可靠性，易于模块化，适用于7级、9级以上的多级应用程序，具有目前使用最广泛的多级电路的优点。缺点是需要多通道独立直流电源供应设备，4象限操作不容易。多级逆变器的

2、PWM控制策略可分为：在上述多电平逆变器的PWM控制方法中，空间电压矢量控制方法适用于3-5电平逆变器，5电平以上的多电平逆变器具有大量空间电压矢量，控制算法复杂，不适用于牙齿方法。对于5级以上的多电平逆变器，建议采用载波调制PWM控制方法。载波级联PWM控制法和开关频率最优化PWM控制法均可用于二极管钳位和飞轮电容逆变器，以及具有独立直流电源供应设备的级联逆变器。载波相位变分PWM控制法和开关频率最优化PWM控制法适用于级联多电平逆变器。开关频率最优化PWM控制方法在正弦调制波中添加了三次谐波，仅适用于三相多电平逆变器。对于具有三相独立直流电源供应设备的级联多电平逆变器，结合载波相位变分和开

3、关频率优化的PWM控制方法，可以提高等效开关频率，提高控制效果。在多级三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模式大小多，电压合成更接近正弦波，因此多级空间电压矢量方法具有较高的进展，输出电压的谐波含量低。但是在层数大于5级的多级逆变器中，空间电压矢量PWM方法控制算法非常复杂。一、NPC多电平逆变器优点：1)根据需要选择其他电源设备，以提高电源设备的利用率。2)层数越大，输出电压的谐波含量越低，输出电压波形越接近正弦波。3)可以直接实现高功率和高电压，降低了电力转换装置的成本。缺点：1)每个上桥臂开关设备的工作频率不同，因此每个开关设备的负载不匹配。2)对于M级回路，每个桥臂需要(m-1)

4、(m-2)个钳位二极管。也就是说，随着扁平数的增加，所需钳形二极管的数量迅速增加，成本增加。3)层数越大，使用冗余开关状态平衡分压电容器电压的控制算法就越复杂。二极管钳三电平逆变器1.拓扑三电平逆变器共33=27个空间电压矢量，3个零矢量，独立空间电压矢量为19个(=1 1 * 6 2 * 6)，60个区域的小三角形数为1 3=4。2.控制战略1)开关频率最优化PWM控制方法向正弦调制波添加零序分量，或将正弦波更改为梯形调制波，使正弦波的波平坦，降低开关频率，提高直流电压利用率。但是，牙齿方法仅适用于三相三线制逆变器。牙齿方法可以从中点电压平衡这一方面进行优化。提供直流电压利用率减少开关损耗。

5、实际上，牙齿正弦调制波添加零序谐波的方法基本上与电压空间矢量PWM方法一致，等于在反开关周期开始时均匀分布零矢量。2)特定谐波消除PWM控制方法牙齿方法是一种用于从输出电压波形中消除特定低波形的PWM控制方法。具有以下优点：降低开关频率，减少开关损耗。在线上可以在相同的开关频率下产生最佳输出电压波形。通过控制高基本电压，可以提高直流电压利用率。难点在于要用牛顿迭代法解非线性方程。计算时间长，不能在线计算。3)三相三电平NPC逆变器SVPWM控制战略实施阶段：首先确定参考矢量所在的扇区和具有该扇区的小三角形，然后确定合成参考电压矢量的三个茄子基本矢量。确定三个茄子基本矢量的工作时间，即每个电压矢

6、量的占空比(螺栓超平衡)。确定每个基本电压矢量对应的开关状态。确定每个开关状态的输出顺序(7段或5段)以及每个阶段的输出水平运行的时间。4)基于60坐标系的三电平二极管箝位逆变器SVPWM方法坐标转换使用的60坐标系是g-h坐标系，G轴与alpha轴重合，逆时针旋转60度是H轴，设定参考矢量vref，坐标系-g-h坐标系的坐标转换公式为：坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标转换公式如下：规格化后(矢量坐标整数)，将三电平逆变器的基本矢量转换为g-h坐标系，将其转换为60坐标系下三电平逆变器的空间矢量图。矢量分割方法确定扇区的方法：空间矢量图形可以分为6个扇区(A-F)，在60坐标系中将参考电压

7、矢量的坐标设定为vrefvrg，vrh。参考矢量所在扇区的位置可以通过下表确定。确定小三角形的方法：每个扇区可以分为四个小三角形，并根据下表中的简单计算确定参考矢量所在的区域。选择具有参考向量的小三角形的三个顶点上的向量作为合成参考向量的基础向量。矢量作用时间对于给定参考向量vrefvrg，vrh，在60座标系统中使用V秒平衡，以取得每个基本向量的工作时间或比重。确定输出开关状态设置三个牙齿茄子的基本矢量相应的交换机状态包括开关向量为在满足的条件下选择不同的I，就能得到3个最近的基础与牙齿矢量相对应的所有交换机状态。基于60坐标系的三电平NPC逆变SVPWM方法极大地简化了SVPWM算法，具有

8、准确确定参考电压矢量下降的矢量三角形和计算每个基本矢量运行时间的功能，实现了三电平电压PWM波的输出。二极管钳五电平逆变器1.拓扑单相二极管钳五电平逆变器的拓扑电路由4个等效分压容量、8个IGBT系列构成的开关部件Q1-Q4、Q1-Q4 、12个钳二极管组成。牙齿拓扑的原理是使用多个钳形二极管钳制相应的电源设备，并使用各种开关组合合成所需的多个级别。输出电压与开关管的关系见下表。上下桥开关状态是互补的。也就是说，如果开关对中的一个开关打开，另一个将关闭(控制脉冲相反)。电路具有4对茄子补充：(Q1，Q1 )、(Q2，Q2 )、(Q3，Q3 )和(Q4，Q4 )。此外，在控制过程中，每个相位电位

9、只能切换到相邻电位，不允许输出点的跳跃。这与三级情况相同。五电平逆变器共有53=125个电压空间矢量，有5个0矢量，独立电压矢量为1 1*6 2*6 3*6 4*6=61个，60个区域的小三角形数为1 3 5 7=16。钳制二极管S1所需的逆电压为Ed/4，钳制二极管S2所需的逆电压为Ed/2，钳制二极管S3所需的逆电压为3Ed/4。这将导致每个钳形二极管可承受的逆电压不匹配的问题。同样，河桥臂也有这样的问题。为此，必须改进原始拓扑结构。如果将同一等级的二极管连接到钳制二极管S2，则每个钳制二极管可以承受的逆电压为ED/4。如果将两个相同等级的二极管连接到钳制二极管S3，则每个钳制二极管可承受

10、的反转耐压值也为Ed/4。下桥臂也可以采用类似的串行二极管方法解决这种问题。这样，五电平逆变器的拓扑结构转换为图A所示的形式。这种改进方案还存在一些问题。例如，S10、S11、S11、S6只是简单的连接，但由于二极管开关特性的多样性和参数离散性，串行二极管可能会发生过电压，因此需要引入更大的RC缓冲网络，整个系统成本高，体积大。为此，进一步将图A中所示的五电平逆变电路改进为图B中所示的电路。其工作原理与以前分析的结果相似。2.基于60坐标系的多级二极管箝位逆变器SVPWM方法上图是基于60坐标系的五电平逆变器的电压空间矢量图。坐标转换和扇区评估等于3坪。但是，在5级扇区(A区)中，有1 3 5

11、 7=16个小三角形。有关确定参考向量下落到向量三角形的评估方法，请参阅下表。输出开关状态确定类似于3级。设置牙齿三茄子基础向量。相应的交换机状态包括开关向量为在满意的条件下，选择另一个I，可以得到与3个最近的基本向量相对应的所有开关状态。根据牙齿控制方法，对5电平NPC逆变器进行了仿真，得到了线路电压SVPWM模拟波形。二、飞行跨距电容器多电平逆变器优点：1)层数容易扩展，控制方法更灵活。2)有功和无功控制；3)利用大量交换机状态组合的冗余，实现电压平衡控制。缺点：1)需要大量钳位电容器，M级逆变器需要(m-1)(m-2)/2个钳位电容器，变频器可靠性差。2)电力转换控制电路困难，开关频率和

12、开关损耗高，对逆变器的控制算法要求高。飞行跨距电容器三电平逆变器1.拓扑飞行跨距电容器5电平逆变器1.拓扑显示了飞行跨距容量5电平逆变器拓扑结构。由4个等价物、具有相同电位的分压容量、8个IGBT系列构成的开关部件Q1-Q4、Q1-Q4 和6个钳位电容器组成。电路使用在IGBT部件之间跳接的电容器而不是二极管执行扁平钳制，每个电容器所承受的电压是直流侧电容器的电压值。工作原理与二极管钳电路相同。输出电压和交换机开关状态如下表所示。牙齿电路在输出电压合成中可以更灵活地选择电源开关状态。三、级联多电平逆变器优点：1)m级级联逆变器、所需的独立电源供应设备和H桥的数量为(M-1)/2。2)与钳位逆变

13、器相比，当输出的电平相等时，所需元件数量最小，且易于实现模块化。3)控制方法简单，每个等级可以单独控制。4)损耗小，效率高，谐波含量低，有效减少对电网的污染。5)容易使用软开关技术，避免了笨重、耗能高的电阻吸收电路。6)直流侧徐璐独立，可以解决电压平衡等问题。缺点：1) 4象限操作困难；2)需要多个独立的直流电源供应设备。级联五电平逆变器1.拓扑现有级联五电平逆变电路如图所示。已牙齿连接两个单相全桥逆变单元(h桥)。(2小时桥：由两个两级半桥逆变器组成的逆变桥；3H桥：由两个三电平半桥逆变器组成的逆变桥。)，以获取详细信息2H桥级联三相五电平逆变器的拓扑如图所示。牙齿回路可以通过星形或三角形连

14、接。2小时桥梁的数学模型级联逆变主电路使用2H桥作为基本单位，需要建立数学模型。2H桥单元的等效电路如图所示。分析数学模型之前，必须做出以下假设：(L)直流侧是恒定的直流源，巴士电压是恒定的。(2)使用可双向传导的全控制主开关和并行二极管，可以独立于设备回流过程使用。等效电路的变数定义为：Ud、id分别是直流侧电压和电流。UL，uR分别是2H桥左、右桥臂中点电压和直流侧阴极电压之间的差异，即左右桥臂的输出电压。UH，iH分别是2H桥的输出电压和输出电流。S1、S2、S3、S4分别是4个主开关管的开关状态，由该设备的控制信号确定。值1表示设备传导，O表示设备关闭。SL，SR分别是左右腿手臂的状态

15、变量，同一腿手臂的两个主开关不能同时工作。因此，SL，SR在正常运行时只有1-0个状态。也就是说，上下腿癌不能同时工作。即，S1和S2的控制信号被反转，S3与S4的控制信号被反转，开关状态对应于控制信号。也就是说左右桥臂的输出电压分别为2小时的输出电压为直流侧电流为2.控制战略1)三角形载波相移PWM(PSPWM)控制方法级联多电平逆变器的控制方法，特别是H桥连接多电平逆变器的控制方法，使用了很多三角波移动PWM(PSPWM)控制方法，基本思想是比较M级逆变器中m-1的大小和频率相同，相位差异为360/(m-1)的三角波和调制波。与其他PWM控制方法相比，它具有以下优点：1)在所有曹征系统中，

16、输出电压保持相同的开关频率。其他PWM控制方法在曹征制度降低时，一些H桥单元没有PWM电压输出，输出电压开关频率下降，输出电压的谐波增加。2)H桥单元之间没有输出功率不平衡问题。因为在PSPWM控制方法下，级别间输出电压的PWM波形基本一致。3)与主电路的模块化结构相匹配，在PSPWM控制方法中，表示每个H桥设备的载波和调制波模块化结构。4)对于相同的三角载波频率，PSPWM控制方法的输出电压频率是载波频率的N倍(N是串行H桥单元数，载波的相位变异角度为2/N)。2)载波层叠PWM控制方法其基本思想是，在M级逆变器的情况下，每个相的频率和振幅相等的m-1个对称分布的三角波是载波，上下连续级联，

17、与相同的调制波(通常是正弦波)相比较。采样时根据三角波和正弦调制波的比较结果驱动逆变器的功率开关。如果正弦波振幅大于三角波振幅，则可以通过对开关设备的控制获得不同的输出级别。根据三角载波相位，可以分为相等堆栈、正负反转堆栈和交替反转堆栈。从消除谐波的角度来看，同层PWM方法的谐波消除性能最好。特别是线路电压谐波性能，替代逆叠加法相对第二，正负逆叠加法消除谐波的效果最低。载波级联PWM方法的优点是可以大大降低输出电压的波形含量，输出特性好。等效开关频率高，输入和输出指示线性关系，控制简单，易于实现，适用于所有电平数的多电平逆变器，并且可以在整个调制比更改范围内工作。缺点是曹征制度低时基波电压宽度小，电压利用率低，不太考虑重点电压控制问题。3)2H桥级联五电平逆变器的空间矢量PWM控制方法m级逆变器的每个阶段由(m-1)/2个H桥单元组成，5级逆变器的开关状