移相多重化整流技術(shù)論述

1、電力電子多重化技術(shù)是指在大功率電力電子電路中，采用若干個(gè)相同結(jié)構(gòu)的電路拓?fù)浣?jīng)過移相處理后進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，組成輸入側(cè)或輸出側(cè)等效多脈波的電路形式，有利于降低諧波、減小無功、提高電力電子裝置的電壓等級(jí)及裝置容量。在高頻工作場(chǎng)合，電力電子多重化技術(shù)還可以降低單元電路的工作開關(guān)頻率以提高整體電路的工作頻率，最大限度地利用全控型開關(guān)器件開關(guān)頻率與通流能力、耐壓水平的綜合效力。包括串聯(lián)多重化和并聯(lián)多重化，串聯(lián)多重化除了降低諧波含量、提高功率因素外主要用于高電壓場(chǎng)合，以提高電力電子裝置的電壓等級(jí)；并聯(lián)多重化除了降低諧波、提高功率因素外主要用于大電流場(chǎng)合，以提高電力電子裝置的電流容量。2、多電平逆變器的調(diào)制方法主要為：特定諧波消除法（SHEPWM）；空間矢量法（SVPWM）；基于載波的PWM控制法（SHPWM）三種。消除特定諧波法消除特定諧波PWM控制法有如下優(yōu)點(diǎn)：可以降低開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗；在相同的開關(guān)頻率下，可以生成最優(yōu)的輸出波形；可以通過調(diào)制得到較高的基波電壓，提高了直流電壓利用率，最多可達(dá)1.15。 多電平空間矢量調(diào)制法將三相系統(tǒng)的電壓統(tǒng)一考慮，并在兩相系統(tǒng)進(jìn)行控制。這種控制方法稱為電壓空間矢量控制，它的特點(diǎn)在于對(duì)三相系統(tǒng)的統(tǒng)一表述和控制，以及對(duì)幅值和相位同時(shí)控制這兩個(gè)方面。模型簡(jiǎn)單，便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低，直流電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無論在開環(huán)控制還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛的應(yīng)用。 基于載波的PWM調(diào)制技術(shù)多電平變換器載波PWM控制策略，是兩電平載波SPWM技術(shù)在多電平中的直接推廣應(yīng)用。由于多電平變頻器需要多個(gè)載波，因此在調(diào)制生成多電平PWM波時(shí)有兩類基本方法：首先將多個(gè)幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個(gè)調(diào)制波比較，得到多電平PWM波，即載波層疊法(Carrier Disposition，CD)PWM，該方法可直接用于二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)控制，對(duì)其他類型的多電平結(jié)構(gòu)也適用；用多個(gè)分別移相，幅值相同的三角載波與調(diào)制波比較，生成PWM波分別控制各組功率單元，然后再疊加，形成多電平PWM波形，稱為載波移相法(Phase Shift Carrier，PSD)PWM，一般用在H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)和電容鉗位型結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，多電平載波PWM方法還需要實(shí)現(xiàn)其他的控制目標(biāo)和性能指標(biāo)，如中性點(diǎn)電壓的平衡、優(yōu)化輸出諧波、提高電壓利用率、開關(guān)功率平衡等。解決途徑主要有:在多載波上想辦法，即可以改變?nèi)禽d波之間的相位關(guān)系，如各載波同相位、交替相位、正反相位、以及載波移相；在調(diào)制波上加入相應(yīng)的零序分量；對(duì)于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容鉗位型結(jié)構(gòu)、以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)，當(dāng)橋臂上輸出相同的電壓時(shí)，可以有多種不同的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)，不同的開關(guān)狀態(tài)組合就可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。文檔由本人精心搜集和整理，喜歡大家用得上，非常感謝你的瀏覽與下載。凡本廠職工應(yīng)熱愛電廠、熱愛崗位、熱愛本職工作，發(fā)揚(yáng)“團(tuán)結(jié)務(wù)實(shí)、爭(zhēng)創(chuàng)一流，立足崗位，愛廠敬業(yè)，盡職盡責(zé)，不斷提高工作質(zhì)量和工作效率，圓滿完成各項(xiàng)生產(chǎn)和工作任務(wù)，為華能的建設(shè)和發(fā)展作出貢獻(xiàn)2019整理的各行業(yè)企管，經(jīng)濟(jì)，房產(chǎn)，策劃，方案等工作范文，希望你用得上，不足之處請(qǐng)指正第二章 移相多重化整流技術(shù) 利用移相多重化整流技術(shù)的多脈波整流器目前正被越來越多的電力傳動(dòng)設(shè)備制造廠家所采用，以達(dá)到消除網(wǎng)側(cè)諧波電流的目的，而移相變壓器（Phase Shift Transformer,PST）是諧波消除的關(guān)鍵所在。因?yàn)榇蠊β蕚鲃?dòng)系統(tǒng)的多電平逆變器需要多個(gè)獨(dú)立的直流電源，因此移相變壓器也需要多重的次級(jí)繞組。然而，多脈波整流器的脈波數(shù)越多，向其供電的移相變壓器的次級(jí)繞組也會(huì)相應(yīng)增多，這使得移相變壓器的生產(chǎn)變得更加復(fù)雜，也會(huì)使移相變壓器的移向角度產(chǎn)生更大的誤差，因此30脈波以上的多脈波整流器極少投入實(shí)際應(yīng)用。本章將會(huì)討論在不降低些波消除效果的前提下減少移相變壓器次不同結(jié)構(gòu)的級(jí)繞組數(shù)目的可能性。雙18脈波整流器，通過采用復(fù)合型多重化結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到36脈波整流器的諧波消除效果。2.1諧波電流的產(chǎn)生與危害2.1.1 諧波電流的產(chǎn)生諧波污染的產(chǎn)生主要是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的非線性負(fù)載引起的。非線性負(fù)載主要有這么幾方面25:傳統(tǒng)的不控整流電路，即橋式整流后跟一大的平波電容，這種電路只有在輸入電壓的絕對(duì)值大于電容電壓時(shí)才會(huì)有電流的輸入，因而使得輸入電流成為一種不連續(xù)的近似為脈沖式的波形，這種波形含有大量的諧波。采用這種電路的電力裝置如線性穩(wěn)壓源，當(dāng)今流行的大多數(shù)開關(guān)電源，其前置輸入整流部分基本采用這種電路。相控變流裝置。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是品閘管的發(fā)明，使得各種變流技術(shù)和電力控制相應(yīng)產(chǎn)生，這種技術(shù)由于只是在每個(gè)電壓周期的某一段相角范圍內(nèi)導(dǎo)電，因而其輸入電流也有大量的諧波成分，而且在調(diào)壓過程中隨著相控角的加大，功率因數(shù)減小，交流回路中的較低次諧波電流相對(duì)較大。這種裝置如各種由直流電壓供電的逆變和斬波裝置，它們的直流電源由相控的整流電路得到。從上面可以看出，引起諧波的污染源絕大部分是電力設(shè)備的電源部分，尤其是AC-DC部分。因此，改進(jìn)現(xiàn)有的整流裝置，改善它們的輸入電流波形，是減少諧波污染的最根本的途徑。2.1.2 諧波電流的危害隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高,特別是電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展及自動(dòng)化技術(shù)的普及,電力需求量增長(zhǎng)迅速,而且對(duì)供電質(zhì)量及可靠性的要求也越來越高。例如,工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、飛機(jī)場(chǎng)、大型金融商廈、通信機(jī)房等重要場(chǎng)所的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一旦失電 ,或受電磁干擾,致使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行,將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其中諧波電流的危害巨大 ,應(yīng)引起高度重視。諧波電流的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：諧波電流會(huì)向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，增加輸電線路損耗，造成過載、發(fā)熱，加速電力設(shè)備的老化，諧波電流也會(huì)造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全26；諧波發(fā)射出大功率的相應(yīng)頻率的電磁波，干擾電子設(shè)備的運(yùn)行；諧波電流，特別是3的奇數(shù)倍次的諧波電流侵入三角形連接的變壓器時(shí)，會(huì)使變壓器繞組中形成環(huán)流，加大繞組發(fā)熱量，降低設(shè)備效率，影響其正常工作；大量的 3的奇數(shù)倍次諧波電流疊加將在中性線上產(chǎn)生過大的諧波電流 ,從而使中性線過熱，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí),甚至出現(xiàn)中性線電流大于相線電流的情況,這樣就會(huì)導(dǎo)致中性線嚴(yán)重過載,進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)爆炸事故27-29。2.1.3 不控整流電路給電網(wǎng)帶來諧波危害的機(jī)理最簡(jiǎn)單的AC-DC變換器單相橋式二極管整流電路如圖2.1所示，其輸出為不可調(diào)直流電壓Vd，一個(gè)大電容Cd用來濾除低頻紋波。 圖2.1 單相橋式二極管整流電路 圖2.2二極管整流橋?qū)?yīng)輸入電流波形負(fù)載不大時(shí)，濾波電容Cd上電壓被充至接近于輸入電壓的峰值，整流二極管只有在輸入電壓峰值附近的瞬時(shí)值大于電容電壓的短時(shí)間內(nèi)才有電流流通，輸入電流波形如圖2.2所示，其他大部分時(shí)間里，二極管被反向偏置而處于截止?fàn)顟B(tài)。圖2.2中的電流波形包含豐富的高次諧波，表2.1給出了單相整流環(huán)節(jié)輸入電流波形諧波含量的典型值。表2.1 單相橋式二極管整流電路輸入電流諧波含量的典型值諧波電流注入電網(wǎng)造成電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，其原理如圖2.3所示。故電力系統(tǒng)對(duì)用電設(shè)備規(guī)定了在公共點(diǎn)的諧波電壓應(yīng)不超過規(guī)定值，如GB 14549中就規(guī)定了諧波電壓的限定值。圖2.3 諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響另一種則直接對(duì)產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備規(guī)定其允許的諧波電流值，如IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)30,名稱為“家用設(shè)備及類似電器設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)的干擾”，歐洲也于1987年制定了類似的標(biāo)準(zhǔn)EN60555-2。這些標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)不斷補(bǔ)充和修訂，內(nèi)容逐步完善。其中IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)自1994年起己在歐盟國(guó)家全面實(shí)施，所有在歐盟市場(chǎng)銷售的用電裝置都必須滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。表2.2 IEC555對(duì)A級(jí)設(shè)備諧波電流的限定值2.2多脈波整流器2.2.1 多脈波整流器概述諧波是電力系統(tǒng)的大敵。當(dāng)今拖入使用的大多數(shù)開關(guān)電源，及交流調(diào)速系統(tǒng)的整流部分基本采用不控整流電路。直接接入電網(wǎng)的這類設(shè)備非常多，若不采取有效措施，這種采用二極管整流的不控整流環(huán)節(jié)由于其本身的非線性特性，會(huì)使網(wǎng)側(cè)輸入電流嚴(yán)重畸變，諧波含量多，降低了設(shè)備的電磁兼容性能，給電網(wǎng)及其它用電設(shè)備帶來許多危害，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。隨著開關(guān)電源設(shè)備功率的增大，這種不控整流裝置所產(chǎn)生的諧波更加嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大31-33。對(duì)于中小功率場(chǎng)合，采用PFC技術(shù)能夠較好的解決問題，而對(duì)于大功率整流設(shè)備，為了提高功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)諧波電流，必須提高整流設(shè)備的脈波數(shù)。為此，可以采用移相的方法來實(shí)現(xiàn)。移相的目的是使整流變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個(gè)相位移，從而可以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)以達(dá)到抑制甚至完全消除輸入電流中某些特定次數(shù)的諧波，如12脈波、18 脈波、甚至24脈波以上的多脈波整流電路。但在實(shí)際的產(chǎn)品中很少采用脈波數(shù)多于30的二極管整流器，主要原因在于給其供電的移相變壓器次級(jí)繞組的增多，同時(shí)還要保證其移相角度的精確，從而使移相變壓器的制造更加復(fù)雜，成本也會(huì)大幅增加，但性能的改善卻不明顯。最常用的是12脈波整流的方法，是使用三相變壓器電路使交流線電壓實(shí)現(xiàn)相移，將兩個(gè)三相橋式整流電路移相30相位差并聯(lián)或者串聯(lián)起來，達(dá)到完全消除輸入電流中的5次、7次、17次、19次諧波的目的，使最低次諧波為11次，更容易濾除。2.2.2 整流移向變壓器移相變壓器是多脈波二極管/晶閘管整流器的不可缺少的組成部分，它具有三個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移以消除諧波；變換得到需要的二次側(cè)電壓值；實(shí)現(xiàn)整流器與電網(wǎng)間的電氣隔離。整流移相變壓器可以有兩種移相方式，即網(wǎng)側(cè)移相方式和閥側(cè)移相方式。2.2.2.1 網(wǎng)側(cè)移相方式整流移相變壓器網(wǎng)側(cè)移相有曲折形、多邊形及延邊三角形三種聯(lián)結(jié)方式。這種聯(lián)結(jié)方式可以保證閥側(cè)繞組結(jié)構(gòu)相同，有助于均衡各變壓器的阻抗，保證移相角度的精確度。2.2.2.1.1曲折形接線網(wǎng)側(cè)曲折形接線整流移相變壓器的接線圖見圖2.4（a），移相角度的大小由短繞組來決定，閥側(cè)繞組可以是Y形與形用于橋式整流系統(tǒng)。 (2-1) (a)接線圖 （b）電壓向量圖圖2.4 曲折形連線移相變壓器假定輸入和輸出的交流相電壓有效值分別為Ea和Ea1,則加于網(wǎng)側(cè)短繞組上的電壓有效值和長(zhǎng)繞組上的電壓有效值分別為： (2-2) (2-3)原邊短繞組，長(zhǎng)繞組和副邊繞組的匝比與各個(gè)繞組上的電壓有效值成正比，為：。這種聯(lián)結(jié)方式，中性點(diǎn)可以引出直接接地，故可用在110kV及以上的半絕緣系統(tǒng)中。其缺點(diǎn)是沒有3倍頻的諧波電流回路。2.2.2.1.2 多邊形接線網(wǎng)側(cè)多邊形接線移相變壓器在35kV以下的系統(tǒng)上應(yīng)用的比較普遍，它消除了曲折形接線在閥側(cè)Y形連接時(shí)因缺乏三次諧波勵(lì)磁電流而使感應(yīng)電勢(shì)畸變的問題。但用在更高壓的電網(wǎng)上時(shí)，由于繞組承受的電壓為曲折形接法的倍，而顯得不經(jīng)濟(jì)。多邊形接線整流移相變壓器的接線圖見圖2.5（a）。 (a)接線圖 （b）電壓向量圖圖2.5 多邊形接線移相變壓器假定輸入和輸出的交流相電壓有效值分別為Ea和Ea1,則加于網(wǎng)側(cè)短繞組上的電壓有效值和長(zhǎng)繞組上的電壓有效值分別為： (2-4) (2-5)原邊短繞組，長(zhǎng)繞組和副邊繞組的匝比與各個(gè)繞組上的電壓有效值成正比，為：。這種聯(lián)結(jié)方式，是3倍頻諧波電流的天然回路，故不論二次繞組采用何種聯(lián)結(jié)方式，都不會(huì)使感應(yīng)電壓波形出現(xiàn)畸變。由于這種聯(lián)結(jié)方式?jīng)]有中性點(diǎn)可以引出，故只能用于63kV以下的全絕緣系統(tǒng)中。2.2.2.1.3 延邊三角形接線網(wǎng)側(cè)延邊三角形接線的移相變壓器可以根據(jù)移相角度的需要將一次側(cè)繞組從三角形接線演變?yōu)樾切谓泳€，因此其移相角度范圍為-30至30。網(wǎng)側(cè)多邊形接線整流移相變壓器的接線圖見圖2.6（a）。假定輸入和輸出的交流相電壓有效值分別為Ea和Ea1,則由圖（b）的電壓向量圖可知加于o、p之間繞組上的電壓有效值為： (2-6)而m、p之間繞組上的電壓有效值與o、p之間繞組上的電壓有效值相等，只是在相位上相差120，因此三角形部分q、p之間繞組上的電壓有效值為： (2-7)(a)接線圖 （b）電壓向量圖圖2.6 多邊形接線移相變壓器原邊短繞組，長(zhǎng)繞組和副邊繞組的匝比與各個(gè)繞組上的電壓有效值成正比，為：。這種聯(lián)結(jié)方式，也是3倍頻諧波電流的天然回路。同時(shí)由于無中性點(diǎn)可以引出，所以它也只適用于63kV及以下的全絕緣系統(tǒng)中。2.2.2.2 閥側(cè)移相方式閥側(cè)移向變壓器二次側(cè)一般為多繞組結(jié)構(gòu)，其一次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)，即星形（Y）與三角形（）兩種接法，而二次側(cè)繞組一般都為延邊三角形聯(lián)結(jié)，延邊三角形聯(lián)結(jié)又有兩種形式，即與接法。因此，閥側(cè)移相變壓器共有四種接法：Y/型，Y/型，/型，/型。以Y/型移向變壓器為例，圖2.7給出了其繞組接線圖和電壓向量圖。（a）繞組接線圖（b）電壓向量圖圖2.7 Y/型移向變壓器令移相變壓器變壓比為kv,輸入線電壓為VAX,輸出相電壓為Vab,則有： (2-8)由輸入與輸出電壓的向量關(guān)系可得： (2-9) (2-10)將式(2-8)代入式(2-9)和式(2-10)中有： (2-11) (2-12)移相變壓器各個(gè)繞組線圈匝數(shù)與其上的電壓成正比，可得網(wǎng)側(cè)繞組，閥側(cè)延邊三角形繞組的三角形聯(lián)結(jié)部分繞組和延邊部分繞組的匝數(shù)之比(N1:N2:N3)為：1：。對(duì)于移相角度，可以考慮兩種極端情況。當(dāng)N2=0時(shí)，此時(shí)閥側(cè)為Y形聯(lián)結(jié)，輸入輸出電壓相位一致，。當(dāng)N3=0時(shí)，閥側(cè)為形聯(lián)結(jié)，這時(shí)。因此，Y/型移相變壓器的移相角度為0至30。其他三種閥側(cè)移相變壓器的各繞組匝比和移相角度范圍可由相同的方法得出，四種類型的移相變壓器的移相角度可歸納如表2.3所示。2.3 四種類型移相變壓器移相角度采用閥側(cè)移相變壓器的多脈波整流器可用來為需要多個(gè)獨(dú)立直流電源的串聯(lián)H橋多電平逆變器和NPC多電平逆變器以及電容懸浮式多電平逆變器供電，若采用網(wǎng)側(cè)移相變壓器的多脈波整流器，那么變壓器的數(shù)量將太多。但有一個(gè)問題就是在高壓大功率場(chǎng)合，閥側(cè)母排的延邊三角形聯(lián)結(jié)接頭較多，難于處理。2.2.3 移相多重化整流技術(shù)移相多重化主要有以下四種形式：閥側(cè)串聯(lián)移相多重化；閥側(cè)移相分離型多重化；網(wǎng)側(cè)移相多重化；復(fù)合型多重化。首先以常用的12脈波整流器來介紹前兩種移相多重化技術(shù)。三相橋式整流電路的直流輸出含有6個(gè)波頭，所以被稱為6脈波整流器，6脈波整流是多脈波整流器的基礎(chǔ)。若有個(gè)6脈波整流器，并由一個(gè)移相變壓器的個(gè)二次側(cè)繞組分別供電，這個(gè)二次繞組依次相差角度，便可以構(gòu)成一個(gè)脈波的多脈波整流器。2.2.3.1閥側(cè)串聯(lián)型移相多重化 圖2.8（a）給出了采用閥側(cè)串聯(lián)移相多重化技術(shù)的12脈波串聯(lián)型整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中就包括兩個(gè)完全相同的6脈波整流器，分別由移相變壓器二次側(cè)兩個(gè)三相對(duì)稱組供電，兩個(gè)整流器的直流輸出串聯(lián)連接。為了消除網(wǎng)側(cè)電流中（a）12脈波二極管整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（b）12脈波二極管整流器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖圖2.8 12脈波串聯(lián)型二極管整流器的低次諧波，移相變壓器的兩個(gè)次級(jí)繞組輸出線電壓存在的相移。在串聯(lián)型多脈波二極管整流器中，所有6脈波二極管整流器在直流側(cè)串聯(lián)連接。這種類型的二極管整流器可以作為中壓傳動(dòng)系統(tǒng)中僅需要一個(gè)直流供電的變頻器前端，例如二極管鉗位式三電平逆變器和電容懸浮式多電平逆變器。其中，為移相變壓器三角形連接的次級(jí)繞組輸出線電壓的相角，為移相變壓器星形連接的次級(jí)繞組輸出線電壓的相角。假設(shè)二次側(cè)繞組線電壓的有效值為： （2-13）那么，移相變壓器的匝數(shù)比： ， （2-14）圖2.8(a)中的LS表示供電電源和變壓器之間的總電感，LLK為折算到二次側(cè)的變壓器總的漏電感。在下面的分析中，假定直流濾波電容Cd足夠大，從而可以忽略直流電源Vd中的紋波含量。圖2.8(b)為12脈波串聯(lián)型二極管整流器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，變壓器繞組中用中心含“Y”和“”的圓圈表示，其中“Y”表示星形連接的三相繞組，“”表示三角形連接的三相繞組。12脈波串聯(lián)型多脈波整流器的一個(gè)典型的應(yīng)用是為中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器提供直流母線電壓Vd，其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。圖2.9 12脈波串聯(lián)型多脈波整流器為NPC三電平逆變器供電的應(yīng)用實(shí)例2.2.3.2閥側(cè)分離型移相多重化圖2.10給出了采用閥側(cè)分離型移相多重化技術(shù)的12脈波串聯(lián)型二極管整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。它和12脈波串聯(lián)型二極管整流器的結(jié)構(gòu)基本相同，唯一的區(qū)別在于它有兩個(gè)獨(dú)立的負(fù)載。在分離性多脈波整流器中，每一個(gè)6脈波二極管整流器給一個(gè)單獨(dú)的直流負(fù)載供電。這種類型的二極管整流器可以用在需要多個(gè)獨(dú)立直流供電電源的串聯(lián)H橋多電平逆變器中圖2.10 12脈波分離型二極管整流器結(jié)構(gòu)圖分離型12脈波整流器可以作為串聯(lián)H橋多電平逆變器的前端輸入，圖2.11圖2.11 分離型12脈波整流器為串聯(lián)H橋多電平逆變器供電的應(yīng)用實(shí)例給出了其一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。移相變壓器有6個(gè)二次側(cè)繞組，3個(gè)為星形連接，其他3個(gè)為三角形連接，。每個(gè)二次側(cè)繞組給一個(gè)6脈波二極管整流器供電。由于所有星形連接二次側(cè)繞組相同，所有三角形連接二次側(cè)繞組也相同，所以這個(gè)移相變壓器實(shí)際上是一個(gè)12脈波變壓器。所有6脈波二極管整流器各為一個(gè)H橋逆變器提供獨(dú)立的直流電源，逆變器的輸出串聯(lián)連接，形成一個(gè)三相交流電壓為電動(dòng)機(jī)供電。2.3.3.3網(wǎng)側(cè)移相多重化網(wǎng)側(cè)移相多重化即將多個(gè)網(wǎng)側(cè)移相整流變壓器的網(wǎng)側(cè)并聯(lián)連接，統(tǒng)一由交流電網(wǎng)供電實(shí)現(xiàn)移相多重化整流的技術(shù)。例如在電解電化工業(yè)中，所需直流電流很大，往往需要多臺(tái)大電流整流機(jī)組在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，在交流側(cè)由統(tǒng)一的電網(wǎng)供電。圖2.12給出了電解電化工業(yè)中采用網(wǎng)側(cè)移相多重化技術(shù)的多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。圖2.12采用網(wǎng)側(cè)移相多重化整流技術(shù)的多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D 其中，為移相角度，為整流移相變壓器的數(shù)目。且有，為每一整流機(jī)組的脈波數(shù)。圖2.12所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了等效相數(shù)為的多相整流系統(tǒng)。 等效多相系統(tǒng)中的多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行要滿足一些要求，除了要求負(fù)載合理平均分配之外，還要求限制均衡電流到適當(dāng)程度，這主要是為了滿足網(wǎng)側(cè)諧波電流消除的需要。2.2.3.4復(fù)合型移相多重化 復(fù)合型移相多重化整流技術(shù)即同時(shí)采用網(wǎng)側(cè)移相多重化和閥側(cè)串聯(lián)型或者閥側(cè)分離型的多重化移相技術(shù)，對(duì)這種類型的移相多重化技術(shù)將在下一節(jié)中利用具體的實(shí)例進(jìn)行介紹。2.3 雙18脈波整流器2.3.1 36脈波整流器與雙18脈波整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在目前一些先進(jìn)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，已經(jīng)采用了24或者30脈波的多脈波整流器來達(dá)到更好的網(wǎng)側(cè)諧波電流消除效果，使網(wǎng)側(cè)電流THD降到標(biāo)準(zhǔn)之下。這樣就減小了濾波器的體積，甚至可以省去濾波器。由上一節(jié)的介紹，很容易就能推導(dǎo)出36脈波整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.13所示，其中6個(gè)整流器由移向變壓器的6個(gè)二次側(cè)繞組供電，為了消除5、7、11、13、17和19次6個(gè)主要的諧波，變壓器的6個(gè)次級(jí)繞組線電壓之間都存在10的相移，事實(shí)上可以是能夠滿足移相變壓器的移相范圍的任何角度。 圖2.13 36脈波整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙18脈波整流器通過減少次級(jí)繞組數(shù)目，同樣能夠到達(dá)36脈波的諧波消除效果，也稱之為等效36脈波整流器，它是由兩個(gè)18脈波整流器并聯(lián)而成，每個(gè)18脈波整流器分別由一個(gè)移相變壓器供電，如圖2.9所示，PST1為結(jié)構(gòu)而PST2為/Z結(jié)構(gòu)。PST1的原副邊移相角度分別為，和，實(shí)際上可以是能夠滿足移相變壓器的移相范圍的任何角度，PST2與PST1的三個(gè)副邊線電壓對(duì)應(yīng)存在角度的相移。圖2.14 雙18脈波整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，雙18脈波整流器采用了網(wǎng)側(cè)移相的二重化結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)負(fù)載情況來決定次級(jí)繞組直流側(cè)輸出的連接方式，以確定閥側(cè)是采用分離型還是串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，因此，雙18脈波整流器是一種采用復(fù)合型多重化整流技術(shù)的多脈波整流器。2.3.2 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較 36脈波整流器在結(jié)構(gòu)上非常復(fù)雜，主要原因在于各個(gè)次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)都不相同，不利于移相變壓器的生產(chǎn)。而雙18脈波整流器利用兩個(gè)18脈波整流器的并聯(lián)同樣能夠達(dá)到36脈波的諧波消除效果，在結(jié)構(gòu)上相對(duì)于36脈波整流器具有優(yōu)越性，由于PST2的與PST1的三個(gè)副邊線電壓對(duì)應(yīng)存在角度的相移，因此只要改變PST2的初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)，使其相對(duì)于PST1的原邊輸入電壓存在角度的相移即可，可保證兩個(gè)移相變壓器的次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)相同，這就相當(dāng)于減少了次級(jí)繞組的數(shù)目，使得移相變壓器的生產(chǎn)大大簡(jiǎn)化，也在更大程度上降低了兩個(gè)移相變壓器的移向角度的誤差，同時(shí)保證了變壓器漏感的均衡。兩個(gè)18脈波整流器共有6個(gè)直流電壓輸出，每個(gè)直流電壓均可為逆變橋單元供電，用于中壓傳動(dòng)系統(tǒng)中。2.3.3 諧波消除原理分析由移相變壓器供電的6脈波整流器如圖2.10所示，該移相變壓器的原邊為連接，副邊為延邊連接，其移相角度為： (2-15)圖2.15 由閥側(cè)繞組延邊移相變壓器供電的6脈波整流器如圖2.15所示，假定移相變壓器原副邊電壓比為，對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，線電流的諧波成分中不含偶次和3的倍數(shù)次諧波。,和分別為圖2.15所示對(duì)應(yīng)線圈匝數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)角度的移向，匝比關(guān)系應(yīng)該滿足： (2-16)假定副邊線電流為： (2-17)其中，為第次的諧波幅值，為電網(wǎng)角頻率，為移向變壓器移相角度， (2-18)這些副邊線電流都對(duì)應(yīng)通過次級(jí)繞組的延邊線圈部分（N2）。如圖所示，通過次級(jí)繞組形連接部分線圈的電流為，和。所有的這六個(gè)電流量都按照匝比的反比這樣一個(gè)比例折算到原邊，因此，對(duì)應(yīng)的原邊線電流為：以A相為例，其原邊線電流為： (2-19)將式(2-18)代入式(2-19)中得： (2-20)將式(2-16)和(2-17)代入式(2-20)中，可以得出，移相變壓器副邊線電流折算到原邊線電流: (2-21)其中，為第次的諧波幅值，為電網(wǎng)角頻率，為移相角度。可以證明，在任何移相角度下（2-21）式均成立。可以得出這樣的結(jié)論，移相變壓器二次側(cè)諧波電流折算到一次側(cè)后電流之間的相角關(guān)系如下： (2-22)式（2-22）中，和分別為次諧波電流與的相角34。由式（2-22）可得，若雙18脈波整流器的移相變壓器的某一副邊線電流為： （2-23）而另一副邊相對(duì)于該副邊移相角，那么這一副邊的線電流為： （2-24）將折算到原邊，折算后的電流為： （2-25）為移相變壓器原副邊電壓比，從式（2-25）可得：如果副邊的移相角為，則副邊諧波電流折算到原邊，正序諧波電流移相角度，負(fù)序諧波電流移相角度；原邊線電流幅值為副邊線電流幅值的。 用上述結(jié)果來探討18脈波整流器的移相變壓器：PST1的三個(gè)副邊移相角度分別為和；PST2的三個(gè)副邊移相角度分別為和。那么各諧波電流的移相角度如表2.4所示：從表2.4可以歸納出移相變壓器原邊諧波電流的消除共有2種方式：方式1：在移相變壓器內(nèi)直接消除，即不管取什么值該次諧波都能抵消掉，如表1中的5，7，11，13，25.次諧波。方式2:在取特定角度時(shí)該次諧波才能消除，如表2.4中的17，19，35，37.次諧波。當(dāng)=或時(shí)，能消除第17，19，53，55.次諧波；而第35，37.次諧波在=或者時(shí)能夠被消除，而此時(shí)17，19.次諧波卻不能相互抵消，所以這樣做并沒有什么實(shí)際意義。2.4 各副邊電流折算到原邊后各諧波電流的移相角度當(dāng)=時(shí)，由表2.4可得，雙18脈波整流器網(wǎng)側(cè)諧波電流最低為35次。而此時(shí)由于兩個(gè)移相變壓器的原邊分別采用和結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在有30的移相，因此兩個(gè)移相變壓器的副邊保持結(jié)構(gòu)相同便能滿足要求，這樣能夠平衡副邊各繞組漏抗，同時(shí)也方便了移相變壓器的生產(chǎn)。對(duì)于雙18脈波整流器諧波電流的消除分析，要考慮到以下的兩種情況：（1）理想的18脈波移相變壓器。理想意味著移相角度和變壓比誤差可以忽略，次級(jí)繞組漏感平衡。此種情況下如表2.4所示可知網(wǎng)側(cè)諧波電流的最低諧波次數(shù)為35次，同36脈波整流器的諧波消除效果是一樣的。（2）非理想的18脈波移相變壓器，即移相角度和變壓比誤差很大，次級(jí)繞組漏感不均衡。毫無疑問網(wǎng)側(cè)電流中會(huì)出現(xiàn)某些低次諧波電流，取決于這種非理想的情況有多嚴(yán)重。2.4 本章小結(jié) 本章介紹了諧波的產(chǎn)生和危害，指出采用移相多重化整流技術(shù)的多脈波整流器可以達(dá)到消除網(wǎng)側(cè)諧波電流的功效。簡(jiǎn)要介紹了整流移相變壓器的移相方式，和各種方式下的多重化整流結(jié)構(gòu)，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。通過對(duì)12脈波整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的探討，進(jìn)而分析了36脈波整流器和雙18脈波整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們都能達(dá)到36脈波的諧波消除效果，但是雙18脈波整流器在結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)越性，主要是通過減少結(jié)構(gòu)相同次級(jí)繞組的數(shù)目方便了移向變壓器的生產(chǎn)。在理論上分析了雙18脈波整流器消除諧波的原理，為本文后面章節(jié)的仿真分析提供了理論依據(jù)電力電子多重化技術(shù)是指在大功率電力電子電路中，采用若干個(gè)相同結(jié)構(gòu)的電路拓?fù)浣?jīng)過移相處理后進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，組成輸入側(cè)或輸出側(cè)等效多脈波的電路形式，有利于降低諧波、減小無功、提高電力電子裝置的電壓等級(jí)及裝置容量。在高頻工作場(chǎng)合，電力電子多重化技術(shù)還可以降低單元電路的工作開關(guān)頻率以提高整體電路的工作頻率，最大限度地利用全控型開關(guān)器件開關(guān)頻率與通流能力、耐壓水平的綜合效力，電力電子多重化技術(shù)是當(dāng)今高頻、大功率電力電子電路廣泛采用的技術(shù)6889。包括串聯(lián)多重化和并聯(lián)多重化，串聯(lián)多重化除了降低諧波含量、提高功率因素外主要用于高電壓場(chǎng)合，以提高電力電子裝置的電壓等級(jí)；并聯(lián)多重化除了降低諧波、提高功率因素外主要用于大電流場(chǎng)合，以提高電力電子裝置的電流容量。多脈波整流器的主要特點(diǎn)是可以降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變，其主要原因在于所采用的移相變壓器，通過它可使各閥側(cè)繞組連接的6脈波整流器產(chǎn)生的低次諧波相互抵消。一般來說，多脈波整流器脈波數(shù)目越多，輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變?cè)叫　６嗝}波整流器可以提高變流裝置整體電壓等級(jí)，尤其在高壓場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)顯著，使電力電子器件串聯(lián)的難題得以解決。多脈波整流器還可以降低直流側(cè)電壓的諧波畸變，直流電壓更加平穩(wěn)，脈動(dòng)更小、電流紋波更小。多脈波整流器還有一些其它的特點(diǎn)，如通常不需要LC濾波器或者功率因素補(bǔ)償器，這就解決了LC濾波器有可能引起的諧振問題。采用的移相變壓器，可以有效防止整流器和逆變器在電動(dòng)機(jī)接線端產(chǎn)生共模電壓，該電壓會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣的過早損壞。多重化整流技術(shù)有以下特點(diǎn)：器件的開關(guān)頻率是基波頻率，開關(guān)損耗小。這種頻率下，器件的通態(tài)損耗是主要損耗；輸出功率大，運(yùn)行效率高；在逆變場(chǎng)合中，控制采用PAM方式，通過調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓幅值來實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、控制不靈活；為了減小諧波，網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)繞組需錯(cuò)開一定的相位，這將影響輸出的基波迭加，造成基波損失，增大變壓器容量；變壓器直接參與諧波抑制和消除工作。在整流多重化電路中，必須精心設(shè)計(jì)變壓器的變比和聯(lián)結(jié)方式，以達(dá)到消除諧波的目的。移相多重化主要有以下五種形式：閥側(cè)串聯(lián)移相多重化；閥側(cè)移相分離型多重化；閥側(cè)并聯(lián)移相多重化；網(wǎng)側(cè)移相多重化；復(fù)合型多重化。延邊三角形聯(lián)結(jié)（Y形和形聯(lián)結(jié)方式分別是圖3.4(a)中延邊三角形繞組匝數(shù)N2=0和N3=0的兩種特殊情況）有兩種形式，即與接法。（a）繞組接線圖（b）電壓向量圖圖3.4 Y/型移相變壓器令移相變壓器變壓比為kv，輸入相電壓為VAX，輸出線電壓為Vab，則有： (3-8)由輸入與輸出電壓的向量關(guān)系可得： (3-9) (3-10)將式(3-8)代入式(3-9)和式(3-10)中有： (3-11) (3-12)移相變壓器各個(gè)繞組線圈匝數(shù)與其上的電壓成正比，可得網(wǎng)側(cè)繞組，閥側(cè)延邊三角形繞組的三角形聯(lián)結(jié)部分繞組和延邊部分繞組的匝數(shù)之比(N1:N2:N3)為：1: :。對(duì)于移相角度，可以考慮兩種極端情況。當(dāng)N2=0時(shí)，此時(shí)閥側(cè)為Y形聯(lián)結(jié)，輸入輸出電壓相位一致，。當(dāng)N3=0時(shí)，閥側(cè)為形聯(lián)結(jié)，這時(shí)。因此，Y/型移相變壓器的移相角度為0至30。采用圖3.4(a)移相變壓器供電的6脈波整流器，該移相變壓器的原邊為連接，副邊為延邊連接，其移相角度為： (3-13)假定移相變壓器原副邊電壓比為，對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，線電流的諧波成分中不含偶次和3的倍數(shù)次諧波。,和分別為圖所示對(duì)應(yīng)線圈匝數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)角度的移相，匝比關(guān)系應(yīng)該滿足： (3-14)假定副邊線電流為： (3-15)其中，為第次的諧波幅值，為電網(wǎng)角頻率，為移相變壓器移相角度，這些副邊線電流都對(duì)應(yīng)通過次級(jí)繞組的延邊線圈部分（N2）。如圖所示，通過次級(jí)繞組形連接部分線圈的電流為，和。所有的這六個(gè)電流量都按照匝比的反比這樣一個(gè)比例折算到原邊，因此，對(duì)應(yīng)的原邊線電流為： (3-16)以A相為例，其原邊線電流為： (3-17)將式(3-16)代入式(3-17)中得： (3-18)將式(3-14)和(3-15)代入式(3-18)中，可以得出，移相變壓器副邊線電流折算到原邊線電流：(3-19)其中，為第次的諧波幅值，為電網(wǎng)角頻率，為移相角度。可以證明，在任何移相角度下(3-19)式均成立?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論，移相變壓器二次側(cè)諧波電流折算到一次側(cè)后電流之間的相角關(guān)系如下： (3-20)式(3-20)中，和分別為次諧波電流與的相角。由式(3-20)可得，若由兩個(gè)18脈波移相變壓器組成的等效36脈波整流器中移相變壓器的某一副邊線電流為： (3-21)而另一副邊相對(duì)于該副邊移相角，那么這一副邊的線電流為： (3-22)將折算到原邊，折算后的電流為： (3-23)為移相變壓器原副邊電壓比，從式(3-23)可得：如果副邊的移相角為，則副邊諧波電流折算到原邊，正序諧波電流移相角度，負(fù)序諧波電流移相角度，原邊線電流幅值為副邊線電流幅值的。用上述結(jié)果來探討等效36脈波整流器的移相變壓器：PST1的三個(gè)副邊移相角度分別為和；PST2的三個(gè)副邊移相角度分別為和。那么各諧波電流的移相角度如表3.1所示：表3.1 各副邊電流折算到原邊后各諧波電流的移相角度從表3.1可以歸納出移相變壓器原邊諧波電流的消除共有2種方式：方式1：在移相變壓器內(nèi)直接消除，即不管取什么值該次諧波都能抵消掉，如5，7，11，13，25次諧波。方式2：在取特定角度時(shí)該次諧波才能消除，如表3.1中的17，19，35，37次諧波。當(dāng)=或時(shí)，能消除第17，19，53，55，次諧波；而第35，37，次諧波在=或者時(shí)能夠被消除，而此時(shí)17，19，次諧波卻不能相互抵消，所以取特定角度的做法應(yīng)由消除主次諧波效果決定。當(dāng)=時(shí)，由表3.1可得，等效36脈波整流器網(wǎng)側(cè)諧波電流最低為35次。而此時(shí)由于兩個(gè)移相變壓器的原邊分別采用Y和結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在有30的移相，因此兩個(gè)移相變壓器的副邊保持結(jié)構(gòu)相同便能滿足要求，這樣能夠平衡副邊各繞組漏抗，同時(shí)也方便了移相變壓器的生產(chǎn)。對(duì)于等效36脈波整流器諧波電流的消除分析，要考慮到以下的兩種情況：（1）理想的18脈波移相變壓器。理想意味著移相角度和變壓比誤差可以忽略，次級(jí)繞組漏感平衡。此種情況下如表3.1所示可知網(wǎng)側(cè)諧波電流的最低諧波次數(shù)為35次，同36脈波整流器的諧波消除效果是一樣的。（2）非理想的18脈波移相變壓器，即移相角度和變壓比誤差很大，次級(jí)繞組漏感不均衡。毫無疑問網(wǎng)側(cè)電流中會(huì)出現(xiàn)某些低次諧波電流，取決于這種非理想的情況有多嚴(yán)重。1.3 多重化與多電平變流器1.3.1 多重化變流器目前世界各國(guó)的大功率變流設(shè)備制造商都越來越多的采用多重化（多脈波）整流器，如12、18、24脈波的整流器。這種整流器由都帶有多個(gè)二次側(cè)繞組的移相變壓器供電，每個(gè)二次側(cè)組合給一個(gè)6脈波的二極管或晶閘管整流器供電，各整流器的直流輸出側(cè)可連接一個(gè)電壓源逆變器。多脈波整流器的主要特點(diǎn)是可以降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變，其主要原因在于所采用的移相變壓器，通過它可使各6脈波多整流器產(chǎn)生的低次諧波相互抵消。一般來說，多脈波整流器脈波數(shù)目越多，輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變?cè)叫　Ｔ趯?shí)際的產(chǎn)品中很少采用單臺(tái)脈波數(shù)多于48的整流器，主要原因在于變壓器的成本會(huì)增加很多，而性能的改善卻不明顯。多脈波整流器還有一些其它的特點(diǎn)，如通常不需要LC濾波器或者功率因素補(bǔ)償器，這就解決了LC濾波器有可能引起的諧振問題。采用的移相變壓器，可以有效防止整流器和逆變器在電動(dòng)機(jī)接線端產(chǎn)生共模電壓，該電壓會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣的過早損壞9。多脈波整流器可以分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、分離型及混合型。串聯(lián)型多脈波整流器中，所有6脈波整流器在直流輸出串聯(lián)連接，即裝置級(jí)串聯(lián)，這種類型的多重化整流器對(duì)提高裝置的輸出電壓等級(jí)最為優(yōu)越。并聯(lián)型多脈波整流器中，所有6脈波整流器在直流輸出并聯(lián)連接，即裝置級(jí)并聯(lián)，為了消除并聯(lián)整流電路間環(huán)流，需要在并聯(lián)整流電路間加設(shè)抑制諧波的平衡電抗器，這種類型的多重化整流器對(duì)提高裝置的輸出電流容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。分離型與串聯(lián)型多脈波整流器類似，只是所有6脈波整流器在直流輸出不串聯(lián)連接，而是接各自獨(dú)立的負(fù)載，負(fù)載間的平衡與否將影響到移相變壓器網(wǎng)側(cè)的諧波消除效果?；旌闲投嗝}波整流器是上述幾種的某種組合，當(dāng)變流器的容量非常大時(shí)，單臺(tái)移相變壓器很難實(shí)現(xiàn)，由多臺(tái)移相變壓器在網(wǎng)側(cè)并聯(lián)，各臺(tái)移相變壓器又帶有串聯(lián)型、并聯(lián)型或分離型的多脈波整流器，其網(wǎng)側(cè)的諧波消除效果視這些多脈波整流器的平衡情況略有差異。1.3.2 串聯(lián)H橋多電平變流器CHB是中壓大功率變流系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，它是由多個(gè)單相H橋逆變器組成的，把每個(gè)功率單元的交流輸出端串聯(lián)連接，來實(shí)現(xiàn)中壓輸出，并減小輸出電壓的諧波。在實(shí)際系統(tǒng)中，功率單元的數(shù)目由逆變器工作電壓和制造成本決定23,24。圖1.1給出了H橋逆變單元的電路圖，它包括兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT串聯(lián)組成。在每個(gè)H橋逆變單元上有2個(gè)開關(guān)互補(bǔ)對(duì)，為(S1，S4)和（S3，S2）。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變單元的控制，每個(gè)H橋只需2個(gè)(S1，S3)獨(dú)立的門（柵）極信號(hào)即可。開關(guān)狀態(tài) J 代表(S1，S3)狀態(tài)（1，0），H橋逆變單元輸出為；開關(guān)狀態(tài) K 代表（1，1），H橋逆變單元輸出為0；開關(guān)狀態(tài) L 代表（0，0），H橋逆變單元輸出為0；開關(guān)狀態(tài) M 代表（0，1），H橋逆變單元輸出為。圖1.1 H橋逆變單元串聯(lián)H橋采用由多個(gè)直流電源分別供電的H橋單元，各個(gè)單元的輸出串聯(lián)連接輸出較高的交流電壓。串聯(lián)H橋逆變器的輸出電壓的電平數(shù)，其中N為每相中H橋單元的數(shù)目。可以看出，這種逆變器的電平數(shù)目總是奇數(shù)。表1.1 H橋逆變單元開關(guān)工作狀態(tài)的定義開 關(guān)狀 態(tài)器件開關(guān)狀態(tài)逆變器端電壓S1S2S3S4 J 通通斷斷K通斷通斷0 L斷通斷通0M斷斷通通在其它類型的多電平逆變器中，例如二極管中點(diǎn)鉗位型逆變器的輸出電平數(shù)目可以是奇數(shù)，也可以是偶數(shù)。串聯(lián)H橋逆變器可以拓展到任意奇數(shù)的電平數(shù)。對(duì)于電平數(shù)為的逆變器，所需要的功率器件數(shù)。一種典型的單相5電平串聯(lián)H橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2所示，其中每相有兩個(gè)H橋單元，分別由電壓為E的兩個(gè)獨(dú)立直流電源供電，此直流電源可由分離性多脈波二極管整流器提供。圖1.2 單相5電平串聯(lián)H橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1.2中所示的逆變器每相可輸出含有5個(gè)不同電平的相電壓。當(dāng)S11、S21、S12和S22導(dǎo)通時(shí)，H橋單元H1和H2的輸出都是E，即，則逆變器的輸出的相電壓，例如端點(diǎn) A對(duì)于逆變器中性點(diǎn)N的電壓為。與此類似，當(dāng)S31、S41、S32和S42導(dǎo)通時(shí)，。其他三個(gè)可以輸出的電壓電平分別為E，0和-E，它們分別對(duì)應(yīng)不同的開關(guān)狀態(tài)組合，如表1.2所示。表1.2 5電平串聯(lián)H橋逆變器的輸出電壓與其對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)輸出電壓開關(guān)狀態(tài)H1H22EJJEEEJKE0JLE0KJ0ELJ0E0LL00LK00KL00KK00JME-EMJ-EE-EMK-E0ML-E0KM0-ELM0-E-2EMM-E-E單相H橋逆變器采用由多個(gè)直流電源分別供電的H橋單元，各單元的輸出串聯(lián)連接輸出高交流電壓。需要指出的是，逆變器輸出的相電壓并不一定是和負(fù)載電壓相等，負(fù)載相電壓為負(fù)載側(cè)端點(diǎn)A相對(duì)于負(fù)載中性點(diǎn)的電壓。1.3.3 二極管中性點(diǎn)箝位型多電平變流器二極管箝位多電平逆變器通過箝位二極管和串聯(lián)直流電容器產(chǎn)生多電平電壓。這種逆變器的結(jié)構(gòu)通常有三、四、五等三種電平，由于直流電容電壓偏移帶來的問題一直沒有得到有效解決，目前只有三電平二極管箝位式逆變器在中壓變流系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用。NPC逆變器的主要特征是，輸出電壓比兩電平逆變器具有更小的和THD。更重要的是，這種逆變器無需采用器件串聯(lián)，就可以應(yīng)用于一定電壓等級(jí)的變流系統(tǒng)25,26。圖1.3給出了NPC三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,逆變器的A相橋臂是由4個(gè)主開關(guān)器件（S1S4），4個(gè)續(xù)流二極管(D1D4)和2個(gè)鉗位二極管(D5D6)組成的，B相和C相與其具有相同的結(jié)構(gòu)。在其直流側(cè)有兩個(gè)參數(shù)完全相同的電容C1，C2串聯(lián)，將直流電壓分為三個(gè)電平，直流電壓為2E，每個(gè)電容上承受電壓為E。兩電容的中點(diǎn)O定義為中性點(diǎn)，則輸出電壓UAO有三個(gè)電平: E、 0、-E。圖1.3 三電平NPC逆變器表1.3 三電平NPC逆變器有源開關(guān)工作狀態(tài)的定義開 關(guān)狀 態(tài)器件開關(guān)狀態(tài)（A相）逆變器端電壓UAOS1S2S3S4P通通斷斷EO斷通通斷0N斷斷通通-E三電平NPC逆變器的有源開關(guān)的工作狀態(tài)可由表1.3中的開關(guān)狀態(tài)表示。以A相橋臂為例,以開關(guān)狀態(tài)P表示橋臂上端的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，逆變器A相對(duì)于中點(diǎn)O的端電壓UAO為；以開關(guān)狀態(tài)N表示下端的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，逆變器A相對(duì)于中點(diǎn)O的端電壓UAO為-E；以開關(guān)狀態(tài)O表示中間的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)鉗位二極管將UAO鉗位在零電壓上，逆變器A相對(duì)于中點(diǎn)O的端電壓UAO為。從表1.3可以看到，開關(guān)和運(yùn)行在互補(bǔ)狀態(tài)，同樣，和也工作在互補(bǔ)狀態(tài)。在開關(guān)狀態(tài)從O 轉(zhuǎn)換到P （及PO、NO）的過程中，三電平NPC逆變器的開關(guān)器件上只承受一半的直流母線電壓，即VSn=E。因此，三電平NPC逆變器沒有動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。但是，禁止在開關(guān)狀態(tài)P和N 之間切換，因?yàn)槿绻@樣的切換需要一個(gè)橋臂的所有四個(gè)開關(guān)參與：兩個(gè)導(dǎo)通、兩個(gè)關(guān)斷，在此期間，有源開關(guān)的動(dòng)態(tài)電壓可能無法保持一致。另外，也將使開關(guān)損耗加倍。三電平NPC逆變器無需額外器件就可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均壓，這是因?yàn)楫?dāng)逆變器橋臂最上端和最下端有源開關(guān)的漏電流小于中間開關(guān)的漏電流時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓均衡。其輸出線電壓由五個(gè)電平組成，在相同的電壓容量和器件開關(guān)頻率下，THD和比兩電平逆變器的低。線電壓基波最大值為UAB1,max=0.612Ud，例如，采用4500V器件的NPC三電平逆變器，完全適用于額定線電壓3000V的三相交流系統(tǒng)。器件電壓裕量KAU1.5。三電平NPC逆變器的不足之處在于，需要額外的箝位二極管、較為復(fù)雜的PWM開關(guān)模式設(shè)計(jì)，隨著開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，兩個(gè)電容分別被充電或放電，兩個(gè)電容連接中點(diǎn)電壓將發(fā)生偏移，使輸出電壓波形畸變，THD增大。1.3