電力電子 多電平技術

1、精選課件1Flexible 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) 精選課件2n多電平技術多電平技術概念最早由日本長岡科技大學的概念最早由日本長岡科技大學的A.Nabae等人在等人在1980年年IAS年會上提出來。目前已經成為電力年會上提出來。目前已經成為電力電子學中，以高壓大功率變換為研究對象的一個新的電子學中，以高壓大功率變換為研究對象的一個新的研究領域。研究領域。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器件連接在一起，實現(xiàn)了高電壓、大低壓

2、的功率開關器件連接在一起，實現(xiàn)了高電壓、大容量。多電平變換技術已經在有源電力濾波器、高壓容量。多電平變換技術已經在有源電力濾波器、高壓直流變換和功率因數(shù)校正等方面取得了成功的應用。直流變換和功率因數(shù)校正等方面取得了成功的應用。4.2 多電平技術多電平技術精選課件3n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

3、波含量降低。n可以以較低的開關頻率獲得和高開關頻率下兩電平變可以以較低的開關頻率獲得和高開關頻率下兩電平變換器相同換器相同THDTHD的輸出電壓波形，因而開關損耗小、效的輸出電壓波形，因而開關損耗小、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 多電平技術的優(yōu)點多電平技術的優(yōu)點精選課件4n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 多電平技術的電路結構多電平技術的電路結構精選課件54.2 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

4、圖中，兩個串聯(lián)的電容圖中，兩個串聯(lián)的電容C1C1和和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。 對應于對應于Vdc/2 Vdc/2 狀態(tài)，開關狀態(tài)，開關S1S1和和S2S2導通；對應于導通；對應于Vdc/2 Vdc/2 狀態(tài)，開狀態(tài)，開關關S1 S1 和和S2 S2 導通；對應于導通；對應于 0 0 狀態(tài)，狀態(tài)，S2S2和和S1 S1 導通。導通。 P102 特點：任意時刻控制導通的器件數(shù)是

5、橋臂器件特點：任意時刻控制導通的器件數(shù)是橋臂器件數(shù)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，所以不用設死區(qū)時間。不用設死區(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精選課件64.23 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 P105精選課件74.23 二極管箝位型多電平變流器二極管箝位型多電平變流器 設中點設中點 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

6、的合成。壓的合成。 在在 a a 點和點和 n n 點間有五種開關模式的組合來合成五點間有五種開關模式的組合來合成五電平。電平。 1 1）對應于）對應于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，導通，導通S1-S4S1-S4。 2 2）對應于）對應于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，導通，導通S2-S4S2-S4和和S1S1。 3 3）對應于）對應于Van = 0Van = 0，導通，導通S3-S4S3-S4，S1S1和和S2S2。 4 4）對應于）對應于Van =-Vdc/4Van =-Vdc/4，導通，導通S4S4和和S1-S3S1-S3。 5 5）對應于）對應于Van =

7、-Vdc/2Van =-Vdc/2，導通，導通S1-S4S1-S4。 四組互補的開關存在于每一相中。互補開關被定義四組互補的開關存在于每一相中。互補開關被定義為，當其中的一個開關導通時另一個開關就截止，反為，當其中的一個開關導通時另一個開關就截止，反之亦然。上例中，四組互補開關為之亦然。上例中，四組互補開關為(S1(S1，S1)S1)，(S2(S2，S2)S2)，(S3(S3，S3)S3)，(S4(S4，S4)S4)。精選課件84.23 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

8、，安裝困需大量二極管，大大提高了成本，安裝困難，實際應用僅限于難，實際應用僅限于7 7電平或電平或9 9電平。電平。 2. 2. 器件負荷不一致，電流等級不同。器件負荷不一致，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，增加了控制的復雜度和電容電壓不平衡，增加了控制的復雜度和難度。難度。精選課件94.23 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 設變流器的電平數(shù)為設變流器的電平數(shù)為m，則：，則： 1. 1. 需分壓電容：需分壓電容： m1 2. 2.

9、每相開關元件：每相開關元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相二極管：每相二極管： （m1）（）（m2） 精選課件104.24 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，獨立的嵌位電容使每個逆變單變器，獨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) 對應于對應于Vdc/2Vdc/2狀態(tài)，開關狀態(tài)，開關S1S1和和

10、S2S2導通；導通； 2) 2) 對應于對應于-Vdc/2-Vdc/2狀態(tài)，開關狀態(tài)，開關S1S1和和S2S2導通；導通； 3) 3) 對應于對應于0 0狀態(tài)，狀態(tài)， (S1(S1，S1)S1)導通，或者導通，或者(S2(S2，S2)S2)導通。導通。 當當(S1(S1，S1)S1)導通時，電容導通時，電容C1C1被充電，當被充電，當(S2(S2，S2)S2)導通時，電容導通時，電容C1C1放電。電容放電。電容C1C1被充被充電可由適當選擇電可由適當選擇 0 0 狀態(tài)開關組合來實現(xiàn)。狀態(tài)開關組合來實現(xiàn)。三電平電容嵌位三電平電容嵌位逆變器逆變器精選課件114.2 4 電容箝位型多電平變流器電容箝

11、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性。管方式更具有靈活性。VanVan可有以下開關組合方式可有以下開關組合方式合成：合成： 1) 1) 對應于對應于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，導通，導通S1-S4S1-S4。 2) 2) 對應于對應于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，則有，則有3 3種組合方式：種組合方式： a) a) 導通導通S1S1，S2S2，S3S3，S1 S1 b) b) 導通導通S2S2，S3S3，S4S4，S4S4 c) c) 導通導通S1S1，S3S3，S4S4，S3 S

12、3 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) 導通導通S1S1，S2S2，S1S1，S2 S2 e) e) 導通導通S3S3，S4S4，S3S3，S4 S4 f) f) 導通導通S1S1，S3S3，S1S1，S3 S3 g) g) 導通導通S1S1，S4S4，S2S2，S3 S3 h) h) 導通導通S2S2，S4S4，S2S2，S4 S4 i) i) 導通導通S2S2，S3S3，S1S1，S4 S4 4) 4) 對應于對應于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

13、于對應于Van = -Vdc/2Van = -Vdc/2，導通，導通S1-S4 S1-S4 。五電平電容嵌位五電平電容嵌位逆變器逆變器 P106精選課件124.2 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 設變流器的電平數(shù)為設變流器的電平數(shù)為m，則：，則： 1. 1. 需分壓電容：需分壓電容： m1 2. 2. 每相開關元件：每相開關元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相箝位電容：（每相箝位電容：（m1）（）（m2）/2/2精選課件134.2 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

14、：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。 2. 2. 器件負荷不一致，電流等級不同。器件負荷不一致，電流等級不同。 3. 3. 控制用功功率時，開關頻率高，開關控制用功功率時，開關頻率高，開關損耗大。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)控制的復雜度。統(tǒng)控制的復雜度。精選課件144.25 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具有獨立直流電源的級具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器最初應用在聯(lián)型逆變器最初應用在電機驅動領域，每個全電機驅動領域，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立的直流電源。級和獨立的直流電源。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，低電磁干擾磁干擾(EMI)