多電平換流器技術(shù)

1、電力電子專題課程結(jié)課作業(yè) 題目： 多電平換流器技術(shù) 姓名： 倪曉軍 學(xué)號(hào)： 1122201133 班級(jí)： 研電1206 任課老師： 韓民曉 一 多電平換流器技術(shù)概述 按照輸出電壓的電平數(shù)，換流器可以分為兩電平換流器和多電平換流器。兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-1所示，圖中采用的開關(guān)器件是帶反并聯(lián)二極管的IGBT，通過控制可關(guān)斷器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，在換流器輸出端將直流電容電壓的正極性(p)與負(fù)極性(n)電壓分別引出，實(shí)現(xiàn)直流電能與交流電能互相轉(zhuǎn)換。兩電平換流器的主要優(yōu)點(diǎn)有：電路結(jié)構(gòu)簡單，電容器數(shù)量少，占地面積小，所有閥容量相同等優(yōu)點(diǎn)。但是，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，兩電平換流器的閥需要承受的電壓很高，所以單

2、個(gè)閥需要串聯(lián)大量開關(guān)器件，由此帶來串聯(lián)器件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓問題。兩電平換流器還會(huì)產(chǎn)生很高的階躍電壓，對(duì)交流設(shè)備極為有害。為了避免出現(xiàn)上述技術(shù)難題，于20世紀(jì)80年代，一種新型的換流器新思路多電平換流器開始出現(xiàn)，并受到了越來越多的關(guān)注。所謂多電平換流器是指換流器輸出電壓波形中的電平數(shù)等于或者大于3的換流器，如三電平、五電平、七電平等。所謂電平數(shù)，是指換流器輸出電壓波形中，從正的最大值到負(fù)的最大值之間所含的階梯數(shù)。多電平換流器降低了兩電平換流器對(duì)開關(guān)器件開關(guān)一致性和均壓性的要求，可通過合適的調(diào)制方式減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗，同時(shí)保持交流側(cè)較低的諧波，降低了換流器的階躍電壓。圖1-1兩電平換流器主電路

3、二 多電平換流器拓?fù)?經(jīng)過多年的發(fā)展，按照多電平換流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要形成了以下幾種多電平換流器拓?fù)洌?(1)二極管鉗位型多電平換流器； (2)飛跨電容型多電平換流器； (3)級(jí)聯(lián)型多電平換流器； (4)模塊化多電平換流器（MMC）。2.1二極管鉗位型多電平換流器二極管鉗位型多電平換流器的主電路拓?fù)淙缦聢D所示。圖2-1二極管箝位型三電平換流器主電路如圖2-1所示，二極管鉗位型三電平換流器每相都需要4個(gè)主開關(guān)器件、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)鉗位二極管，VTa1與與VTa2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出端a對(duì)中性點(diǎn)O點(diǎn)的電平為+Udc/2；當(dāng)VTa2與VTa3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出端與O點(diǎn)相連，因此它的電平為0；當(dāng)VTa3

4、與VTa4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)；輸出電平為-Udc/2，所以每相橋臂能輸出3個(gè)電平狀態(tài)，由三相這種橋臂組成的變換電路就叫做二極管鉗位型三電平換流器。每相橋臂都有三種工作狀態(tài)，輸出三種電平。二極管鉗位型多電平換流器的輸出電壓如下圖所示：圖2-2二極管箝位型三電平輸出電壓波形這種換流器的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡單，便于雙向功率流動(dòng)的控制，功率因數(shù)控制也方便。缺點(diǎn)是電容分壓的均壓比較復(fù)雜和困難。由于拓?fù)浔旧淼脑蛟斐傻闹悬c(diǎn)電位不平衡問題，是制約二極管鉗位多電平換流器應(yīng)用的主要原因。2.2 飛跨電容型多電平換流器飛跨電容型多電平換流器也稱為電容鉗位型多電平換流器，是由法國學(xué)者T.A.Meynard和H.F

5、och于1992年首先提出的。該換流器結(jié)構(gòu)不存在二極管鉗位型多電平換流器中主、從功率開關(guān)的阻斷電壓不均衡和鉗位二極管反向電壓難以快速恢復(fù)的問題。圖2-3為飛跨電容型多電平換流器的主電路拓?fù)?。圖2-3飛跨電容型三電平換流器主電路 飛跨電容型三電平輸出電壓波形和二極管箝位型三電平輸出電壓波形類似，這里不再累贅。飛跨電容型三電平換流器與二極管鉗位型三電平換流器相比，其優(yōu)點(diǎn)是： (1)在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更多的靈活性； (2)由于飛跨電容的引進(jìn)，可以通過在同一電平不同的開關(guān)組合，使直流電容電壓保持平衡； (3)可以控制有功功率和無功功率的流量。但是，飛跨電容型三電平換流器也有其缺點(diǎn)： (

6、1)每個(gè)橋臂上需要一個(gè)鉗位電容，成本高，且不易封裝； (2)控制方法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。2.3級(jí)聯(lián)型多電平換流器級(jí)聯(lián)型H橋逆變器由若干功率單元級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)單元有其獨(dú)立的直流電源。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-4所示：該電路為單相N單元級(jí)聯(lián)型逆變器，其輸出波形所含電平數(shù)為2N+1，所含電平數(shù)越多，則諧波含量越低，開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力越低。級(jí)聯(lián)型多電平逆變器，是采用具有獨(dú)立直流電源的H橋作為基本功率單元級(jí)聯(lián)而成的一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，它不存在直流電容分壓的問題。因此也不存在直流電容分壓的均壓問題，相對(duì)于箝位型多電平逆變器，在控制上簡單了很多。圖2-4 三相級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)渫O管箝位型逆變器及飛跨電

7、容型逆變器相比，級(jí)聯(lián)型逆變器不需要大量的箝位二極管或電容，也不存在中間直流電壓中性點(diǎn)偏移問題；采用模塊化安裝，結(jié)構(gòu)緊湊；而采用載波相移的控制策略，其計(jì)算量不會(huì)隨著輸出電平數(shù)的增多而變得更加復(fù)雜。當(dāng)然，級(jí)聯(lián)H橋型變流器也有不足之處，主要就是在需要提供有功功率的場(chǎng)合必須采用獨(dú)立直流電源。顯然，在不需要提供有功功率的場(chǎng)合比如靜止無功補(bǔ)償器、電力有源濾波器(APF)等，級(jí)聯(lián)型多電平變流器具有更大的優(yōu)勢(shì)。2.4模塊化多電平換流器模塊化多電平換流器的拓?fù)淙鐖D2-5所示，其基本的電路單元稱為子模塊，各相橋臂均是通過一定量的具有相同結(jié)構(gòu)的子模塊和一個(gè)閥電抗器串聯(lián)形成。圖2-5 模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)MMC的

8、子模塊由一個(gè)作為開關(guān)單元的IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成，如圖2-6所示。圖2-6 子模塊結(jié)構(gòu)圖每個(gè)子模塊都是兩端元件，通過兩個(gè)開關(guān)單元T1和T2的作用，USM可以同時(shí)在兩種電流方向的情況下進(jìn)行電容電壓UC與0之間的切換。一個(gè)子模塊共有三種開關(guān)狀態(tài)： (1)子模塊上下IGBT均關(guān)斷，此狀態(tài)為閉鎖狀態(tài)，一般在故障與啟動(dòng)時(shí)使用。 (2)子模塊中上IGBT導(dǎo)通，下IGBT關(guān)斷，子模塊端口電壓等于子模塊中電容電壓，這樣根據(jù)電流的方向來決定電容處于充電或是放電狀態(tài)，此狀態(tài)為投入狀態(tài)。 (3)子模塊中上IGBT關(guān)斷，下IGBT導(dǎo)通，子模塊的端口電壓等于0，子模塊中電容被旁路，子模塊電容電壓保持穩(wěn)定，此

9、狀態(tài)為切除狀態(tài)。MMC具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)MMC可以運(yùn)用較低的開關(guān)頻率得到較優(yōu)的輸出電壓波形，低開關(guān)頻率帶來器件開關(guān)損耗及系統(tǒng)總損耗的降低，提高了換流器系統(tǒng)的效率、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。(2)具有模塊化的構(gòu)造特點(diǎn)，極易擴(kuò)展到不同的電壓等級(jí)及功率等級(jí)，滿足不同等級(jí)的工程需求，具有較強(qiáng)的靈活性。 (3)MMC的元件采用在工業(yè)應(yīng)用上成熟的標(biāo)準(zhǔn)部件，并且可以容易地被替換為最新型的器件。 (4)具有較強(qiáng)的故障保護(hù)能力。通過子模塊單元結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，配之以一定的開關(guān)器件，即可實(shí)現(xiàn)換流器閥的冗余設(shè)計(jì)。 (5)能夠?qū)崿F(xiàn)低電平臺(tái)階變化的多電平電壓輸出，降低了電壓變化的幅度和梯度，有效緩解了換流器閥承受的電氣應(yīng)力，同時(shí)，

10、具有較優(yōu)的波形品質(zhì)及較低的諧波含量， 然而MMC也存在著缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下： (1)同樣的直流電壓等級(jí)下所使用的開關(guān)器件數(shù)為兩電平VSC串聯(lián)時(shí)的2倍，經(jīng)濟(jì)性略低。 (2)電容電壓的平衡問題。 (3)相單元間的環(huán)流問題。三 多電平換流器調(diào)制策略1） SPWM 調(diào)制SPWM 調(diào)制通過比較正弦調(diào)制波和載波得到脈沖波來控制開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，PWM 在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能，并且電壓利用率高，適合于實(shí)時(shí)控制。但是該種調(diào)制方式造成開關(guān)器件的開關(guān)頻率比較高，相應(yīng)的開關(guān)損耗也高。比較適合三電平換流器，當(dāng)電平數(shù)比較高時(shí)該種調(diào)制方式不再適用。2）空間矢量調(diào)制空間矢量調(diào)制算法屬于基頻PWM調(diào)制，它依據(jù)三相

11、電壓空間矢量在空間矢量圖上的位置選出合適的開關(guān)狀態(tài)及開關(guān)時(shí)刻。SVM能大大降低開關(guān)頻率、消減計(jì)算量、消除或減少共模電壓、有助于電容電壓平衡、波形畸變小，能適用于多相系統(tǒng)或三相不平衡系統(tǒng)Error! Reference source not found.。但是，由于空間矢量的數(shù)目是電平數(shù)的立方，當(dāng)電平數(shù)很高時(shí)，各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量冗余度很高，如何定位并在較短時(shí)間挑選出合適的空間矢量都會(huì)相當(dāng)困難，甚至無法執(zhí)行。3）特定次諧波消去法應(yīng)用于較高電平換流器的特定次諧波消去法因其輸出波形呈現(xiàn)階梯狀又稱為階梯波調(diào)制法。特點(diǎn)是觸發(fā)角度(1, 2, , M)先根據(jù)欲消去的任意某些次諧波離線計(jì)算出來，使得器件的開

12、關(guān)頻率降低、諧波畸變率減少。其缺點(diǎn)是觸發(fā)角度的計(jì)算是基于穩(wěn)態(tài)波形的傅里葉級(jí)數(shù)，通過求解一系列超越方程組得到的，動(dòng)態(tài)性差，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)計(jì)算。4） 載波移相調(diào)制策略載波移相調(diào)制技術(shù)是多重化和 SPWM 技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，該調(diào)制策略指，對(duì)于每個(gè)橋臂中的 N 個(gè)子模塊，均采用較低開關(guān)頻率的 SPWM，并具有相同的頻率調(diào)制比 kc和幅度調(diào)制比 m，使它們對(duì)應(yīng)的三角載波依次移開 1/N 三角載波周期，即2/N 相位角，然后與同一條正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生出 N 組 PWM 調(diào)制波信號(hào)，去分別驅(qū)動(dòng) N 個(gè)子模塊單元，來決定它們是否投入或切除。將投入的各子模塊輸出電壓相疊加，從而得到 MMC 的橋臂PWM

13、輸出電壓波形。 5）載波層疊脈寬調(diào)制載波層疊脈寬調(diào)制方法是雙極性PWM調(diào)制技術(shù)在多電平領(lǐng)域的拓展，根據(jù)三角載波之間相位關(guān)系的排列不同，可分為同相層疊式、正負(fù)反相層疊式和交替反相層疊式三種其中同相層疊式諧波性能最好，尤其是線電壓諧波性能，交替反相層疊式次之，正負(fù)反相層疊式最差。 6）最近電平逼近法最近電平逼近控制也稱作量化取整法，原理與數(shù)字電路中的A/D變換類似。它的工作機(jī)理是從換流器所能生成的電平中選擇與調(diào)制波采樣值最接近的作為控制指令，然后，觸發(fā)相應(yīng)數(shù)目的子模塊產(chǎn)生所需的電平輸出。使用 NLM 策略的 MMC 在較大的工作范圍內(nèi)都具有很好的調(diào)制波跟蹤能力和較低的諧波水平。適用于電平數(shù)比較高的

14、情況。四 模塊化多電平換流器的典型應(yīng)用模塊化多電平換流器在柔性直流輸電（VSC-HVDC）中有著典型的應(yīng)用。已有柔性直流輸電工程采用的VSC主要有三種，即兩電平換流器、二極管箝位換流器和模塊化多電平換流器（MMC）。而MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有制造難度低、損耗小、階躍電壓低、波形質(zhì)量好、故障處理能力強(qiáng)等幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。MMC在VSC-HVDC受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，MMC_HVDC工程在全世界范圍內(nèi)不斷得到應(yīng)用。表1列舉了國內(nèi)外的一些MMC_HVDC工程。表1 全球范圍內(nèi)已建成或在建的MMC-HVDC實(shí)際工程工程名稱容量/MW直流電壓/kV直流電纜/km換流器拓?fù)湓O(shè)備供應(yīng)商投運(yùn)時(shí)間備注海底地下TB

15、C（美國）400±20086-MMCSiemens2013城市供電南匯柔性直流輸電示范工程（中國）18±308-MMC中電普瑞2011風(fēng)電并網(wǎng)INELFE（法-西）2*1000±320-60MMCSiemens2013電網(wǎng)互聯(lián)BorWin2（德國）800±300125 75MMCSiemens2013風(fēng)電并網(wǎng)DolWin1（德國）800±3207590CTLABB2013風(fēng)電并網(wǎng)DolWin2（德國）900±3204590CTLABB2015風(fēng)電并網(wǎng)HelWin1（德國）576±2508540MMCSiemens2013風(fēng)電

16、并網(wǎng)HelWin2（德國）690±3208545MMCSiemens2015風(fēng)電并網(wǎng)SylWin1（德國）864±32016045MMCSiemens2014風(fēng)電并網(wǎng)大連柔性直流輸電工程（中國）1000±32050-MMC待定2014城市供電南澳多端柔性直流輸電工程（中國）200±16040MMC（4/5）待定2013-2015海島風(fēng)電并網(wǎng)舟山多端柔性直流輸電示范工程（中國）400±200141MMC（5）待定2014海上風(fēng)電并網(wǎng)及海島供電五 結(jié)論 本文介紹了四種多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管鉗位型多電平換流器、飛跨電容型多電平換流器、級(jí)聯(lián)型多電平換流器和模塊化多電平換流器。其中二極管鉗位型多電平換流器和飛跨電容型多電平換流器是應(yīng)用較早的多電平換流器，其電路結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡單，但是只適用于電平數(shù)較低的場(chǎng)合，當(dāng)電平數(shù)增加時(shí)，這兩種多電平換流器所用的鉗位二極管和飛跨電容數(shù)量將急劇增加，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)