電力電子 多電平技術(shù)

1、Flexible AC transmission SystemFACTS靈活交流輸電系統(tǒng)或柔性交流輸電系靈活交流輸電系統(tǒng)或柔性交流輸電系統(tǒng)統(tǒng) n多電平技術(shù)多電平技術(shù)概念最早由日本長岡科技大學(xué)的概念最早由日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在等人在1980年年IAS年會上提出來。目前已經(jīng)成為電力年會上提出來。目前已經(jīng)成為電力電子學(xué)中，以高壓大功率變換為研究對象的一個新的電子學(xué)中，以高壓大功率變換為研究對象的一個新的研究領(lǐng)域。研究領(lǐng)域。n多電平變換器主要采用器件箝位或輸出串聯(lián)等方式將多電平變換器主要采用器件箝位或輸出串聯(lián)等方式將低壓的功率開關(guān)器件連接在一起，實現(xiàn)了高電壓、大低壓的功率開關(guān)器件連接在

2、一起，實現(xiàn)了高電壓、大容量。多電平變換技術(shù)已經(jīng)在有源電力濾波器、高壓容量。多電平變換技術(shù)已經(jīng)在有源電力濾波器、高壓直流變換和功率因數(shù)校正等方面取得了成功的應(yīng)用。直流變換和功率因數(shù)校正等方面取得了成功的應(yīng)用。4.2 多電平技術(shù)多電平技術(shù)n每個功率器件僅僅承受單級電壓，所以可以用低耐壓每個功率器件僅僅承受單級電壓，所以可以用低耐壓的器件實現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需均壓電路。的器件實現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需均壓電路。P102n電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，減小了輸出電電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，減小了輸出電壓波形畸變，輸出電壓諧波含量降低。壓波形畸變，輸出電壓諧波含量降低。n可以以較低的開關(guān)

3、頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平變可以以較低的開關(guān)頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同換器相同THDTHD的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗小、效的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗小、效率高。率高。 n無需輸出變壓器，減少了系統(tǒng)的體積和損耗。無需輸出變壓器，減少了系統(tǒng)的體積和損耗。 4.2 1 多電平技術(shù)的優(yōu)點多電平技術(shù)的優(yōu)點n二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器n電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器n級聯(lián)型變流器級聯(lián)型變流器4.2 2 多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)4.2 3 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器 圖中，兩個串聯(lián)的電容圖中，兩個串聯(lián)的電容C1C1和

4、和C2C2把直流總線電壓分成把直流總線電壓分成 3 3 個等級。個等級。其中兩個電容的中點其中兩個電容的中點 n n 定義為零定義為零點電壓。輸出端點電壓。輸出端VanVan有三個狀態(tài)：有三個狀態(tài)：Vdc/2Vdc/2，0 0，Vdc/2Vdc/2。 對應(yīng)于對應(yīng)于Vdc/2 Vdc/2 狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)S1S1和和S2S2導(dǎo)通；對應(yīng)于導(dǎo)通；對應(yīng)于Vdc/2 Vdc/2 狀態(tài)，開狀態(tài)，開關(guān)關(guān)S1 S1 和和S2 S2 導(dǎo)通；對應(yīng)于導(dǎo)通；對應(yīng)于 0 0 狀態(tài)，狀態(tài)，S2S2和和S1 S1 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 P102 特點：任意時刻控制導(dǎo)通的器件數(shù)是橋臂器件特點：任意時刻控制導(dǎo)通的器件數(shù)是橋臂器件數(shù)

5、的一半。此例橋臂器件數(shù)的一半。此例橋臂器件4個，每次控制個，每次控制2個。個。優(yōu)點：絕對不會形成電源通過橋臂短路，所以優(yōu)點：絕對不會形成電源通過橋臂短路，所以不用設(shè)死區(qū)時間。不用設(shè)死區(qū)時間。三電平二極管嵌位三電平二極管嵌位逆變器逆變器4.23 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器二極管嵌位逆變器二極管嵌位逆變器五電平二極管嵌位逆變器五電平二極管嵌位逆變器 P1054.23 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器 設(shè)中點設(shè)中點 n n 為輸出相電壓的參考點來說明階梯波電為輸出相電壓的參考點來說明階梯波電壓的合成。壓的合成。 在在 a a 點和點和 n n 點間有五種開關(guān)模式

6、的組合來合成五點間有五種開關(guān)模式的組合來合成五電平。電平。 1 1）對應(yīng)于）對應(yīng)于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，導(dǎo)通，導(dǎo)通S1-S4S1-S4。 2 2）對應(yīng)于）對應(yīng)于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，導(dǎo)通，導(dǎo)通S2-S4S2-S4和和S1S1。 3 3）對應(yīng)于）對應(yīng)于Van = 0Van = 0，導(dǎo)通，導(dǎo)通S3-S4S3-S4，S1S1和和S2S2。 4 4）對應(yīng)于）對應(yīng)于Van =-Vdc/4Van =-Vdc/4，導(dǎo)通，導(dǎo)通S4S4和和S1-S3S1-S3。 5 5）對應(yīng)于）對應(yīng)于Van =-Vdc/2Van =-Vdc/2，導(dǎo)通，導(dǎo)通S1-S4S1-S4。

7、四組互補(bǔ)的開關(guān)存在于每一相中?；パa(bǔ)開關(guān)被定義四組互補(bǔ)的開關(guān)存在于每一相中?；パa(bǔ)開關(guān)被定義為，當(dāng)其中的一個開關(guān)導(dǎo)通時另一個開關(guān)就截止，反為，當(dāng)其中的一個開關(guān)導(dǎo)通時另一個開關(guān)就截止，反之亦然。上例中，四組互補(bǔ)開關(guān)為之亦然。上例中，四組互補(bǔ)開關(guān)為(S1(S1，S1)S1)，(S2(S2，S2)S2)，(S3(S3，S3)S3)，(S4(S4，S4)S4)。4.23 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器的缺點：二極管箝位多電平變流器的缺點：P106 1. 1. 需大量二極管，大大提高了成本，安裝困需大量二極管，大大提高了成本，安裝困難，實際應(yīng)用僅限于難，實際應(yīng)用僅限于

8、7 7電平或電平或9 9電平。電平。 2. 2. 器件負(fù)荷不一致，電流等級不同。器件負(fù)荷不一致，電流等級不同。 3. 3. 單變流器難以控制用功功率。單變流器難以控制用功功率。 4. 4. 電容電壓不平衡，增加了控制的復(fù)雜度和電容電壓不平衡，增加了控制的復(fù)雜度和難度。難度。4.23 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器的元件：二極管箝位多電平變流器的元件：P105 設(shè)變流器的電平數(shù)為設(shè)變流器的電平數(shù)為m，則：，則： 1. 1. 需分壓電容：需分壓電容： m1 2. 2. 每相開關(guān)元件：每相開關(guān)元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相二極管：每相二極管： （m1

9、）（）（m2） 4.24 電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器 此電路又被稱為飛跨此電路又被稱為飛跨( (懸浮懸浮) )電容逆電容逆變器，獨(dú)立的嵌位電容使每個逆變單變器，獨(dú)立的嵌位電容使每個逆變單元的電壓被嵌制在一個電容電壓。圖元的電壓被嵌制在一個電容電壓。圖中中a a點和點和n n點間輸出三電平，點間輸出三電平，Van=Vdc/2, 0, Van=Vdc/2, 0, 或或-Vdc/2-Vdc/2。 P106 1) 1) 對應(yīng)于對應(yīng)于Vdc/2Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)S1S1和和S2S2導(dǎo)通；導(dǎo)通； 2) 2) 對應(yīng)于對應(yīng)于-Vdc/2-Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)S1S1和和

10、S2S2導(dǎo)通；導(dǎo)通； 3) 3) 對應(yīng)于對應(yīng)于0 0狀態(tài)，狀態(tài)， (S1(S1，S1)S1)導(dǎo)通，或者導(dǎo)通，或者(S2(S2，S2)S2)導(dǎo)通。導(dǎo)通。 當(dāng)當(dāng)(S1(S1，S1)S1)導(dǎo)通時，電容導(dǎo)通時，電容C1C1被充電，當(dāng)被充電，當(dāng)(S2(S2，S2)S2)導(dǎo)通時，電容導(dǎo)通時，電容C1C1放電。電容放電。電容C1C1被充被充電可由適當(dāng)選擇電可由適當(dāng)選擇 0 0 狀態(tài)開關(guān)組合來實現(xiàn)。狀態(tài)開關(guān)組合來實現(xiàn)。三電平電容嵌位三電平電容嵌位逆變器逆變器4.2 4 電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器 電容嵌位五電平逆變器，它的電壓合成比二極電容嵌位五電平逆變器，它的電壓合成比二極管方式更具有靈活

11、性。管方式更具有靈活性。VanVan可有以下開關(guān)組合方式可有以下開關(guān)組合方式合成：合成： 1) 1) 對應(yīng)于對應(yīng)于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，導(dǎo)通，導(dǎo)通S1-S4S1-S4。 2) 2) 對應(yīng)于對應(yīng)于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，則有，則有3 3種組合方式：種組合方式： a) a) 導(dǎo)通導(dǎo)通S1S1，S2S2，S3S3，S1 S1 b) b) 導(dǎo)通導(dǎo)通S2S2，S3S3，S4S4，S4S4 c) c) 導(dǎo)通導(dǎo)通S1S1，S3S3，S4S4，S3 S3 3) 3) 對于對于Van = 0Van = 0，則有，則有6 6種組合方式：種組合方式： d) d) 導(dǎo)通導(dǎo)

12、通S1S1，S2S2，S1S1，S2 S2 e) e) 導(dǎo)通導(dǎo)通S3S3，S4S4，S3S3，S4 S4 f) f) 導(dǎo)通導(dǎo)通S1S1，S3S3，S1S1，S3 S3 g) g) 導(dǎo)通導(dǎo)通S1S1，S4S4，S2S2，S3 S3 h) h) 導(dǎo)通導(dǎo)通S2S2，S4S4，S2S2，S4 S4 i) i) 導(dǎo)通導(dǎo)通S2S2，S3S3，S1S1，S4 S4 4) 4) 對應(yīng)于對應(yīng)于Van = -Vdc/4Van = -Vdc/4，則有，則有3 3種組合方式：種組合方式： 5) 5) 對應(yīng)于對應(yīng)于Van = -Vdc/2Van = -Vdc/2，導(dǎo)通，導(dǎo)通S1-S4 S1-S4 。五電平電容嵌位五電平

13、電容嵌位逆變器逆變器 P1064.2 4 電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器電容箝位多電平變流器的元件：電容箝位多電平變流器的元件：P106 設(shè)變流器的電平數(shù)為設(shè)變流器的電平數(shù)為m，則：，則： 1. 1. 需分壓電容：需分壓電容： m1 2. 2. 每相開關(guān)元件：每相開關(guān)元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相箝位電容：（每相箝位電容：（m1）（）（m2）/2/24.2 4 電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器n電容箝位型多電平變流器的缺點：電容箝位型多電平變流器的缺點： P107 1. 1. 需大量電容，電容體積大，成本高，需大量電容，電容體積大，成本高，封裝難。封裝難。

14、2. 2. 器件負(fù)荷不一致，電流等級不同。器件負(fù)荷不一致，電流等級不同。 3. 3. 控制用功功率時，開關(guān)頻率高，開關(guān)控制用功功率時，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大。損耗大。 4. 4. 為使電容充放電保持平衡，增加了系為使電容充放電保持平衡，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度。統(tǒng)控制的復(fù)雜度。4.25 級聯(lián)型多電平變流器級聯(lián)型多電平變流器級聯(lián)型逆變器級聯(lián)型逆變器n具有獨(dú)立直流電源的級具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)型逆變器最初應(yīng)用在聯(lián)型逆變器最初應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，每個全電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，每個全橋單元需要一個絕緣的橋單元需要一個絕緣的和獨(dú)立的直流電源。級和獨(dú)立的直流電源。級聯(lián)的逆變器適用于所有聯(lián)的逆變器適用于所有的功率狀況，特別是中的功率狀況，特別是中壓系統(tǒng)。在線性功率串壓系統(tǒng)。在線性功率串并聯(lián)狀態(tài)下，與傳統(tǒng)的并聯(lián)狀態(tài)下，與傳統(tǒng)的 PWM PWM 控制的逆變器相比，控制的逆變器相比，此逆變器的比較優(yōu)勢是此逆變器的比較優(yōu)勢是低成本，高性能，低電低成本，高性能，低電磁干擾