多電平變換器

1、陳阿蓮 王鴻雁 何湘寧浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院03/011/0111?，F(xiàn)有多電平變換器拓?fù)浜涂刂品椒ǖ暮唵胃攀觥，F(xiàn)有多電平變換器拓?fù)浜涂刂品椒ǖ暮唵胃攀?。APEC2002-2003中提出的新拓?fù)浜托驴刂品椒ㄖ刑岢龅男峦負(fù)浜托驴刂品椒?。我們在多電平拓?fù)浜涂刂品矫嫠鞯墓ぷ?。我們在多電平拓?fù)浜涂刂品矫嫠鞯墓ぷ鱏a1Sa2Sa3Sa4Sa1Sa2Sa3Sa4Sb1Sb2Sb3Sb4Sb1Sb2Sb3Sb4C1C2C3C4+-Da1Da2Da3Da1Da2Da3Db1Db2Db3Db1Db2Db3VdcLOAD0V1V2V3V4V5ab圖1 單相二級管箝位型五電平變換器主電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 可控制無功功

2、率流，但是傳遞有功功率時，存在直流分壓電容電壓不平衡問題。 v back-to-back連接v外加電壓調(diào)節(jié)控制器v通過改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)v通過改進(jìn)調(diào)制方法VoOVoO圖3 二極管箝位/飛跨電容型混合五電平變換器拓?fù)銼a1Sa2Sa3Sa4Sa1Sa2Sa3Sa4Sb1Sb2Sb3Sb4Sb1Sb2Sb3Sb4C1C2C3C4+-Ca3Ca2Ca3Ca1Ca2Ca3Cb3Cb2Cb3Cb1Cb2Cb3Vdc0V1V2V3V4V5abLOAD特點(diǎn)：大量的開關(guān)組合冗余，可用于電壓平衡控制；（一般采用相移PWM調(diào)制） 在純無功負(fù)載情況下，電容電壓不能平衡，因此不能用于無功補(bǔ)償?shù)葓龊?。VdcVdcLoadVd

3、cVdc特點(diǎn)：無需箝位二極管和箝位電容，在三種電路結(jié)構(gòu)中，對于相同電平數(shù)，所需器件最少，易于封裝；需多個獨(dú)立直流電壓源。該結(jié)構(gòu)適用于各種可再生能源，如，燃料電池，光伏電池等。2VdcLoadVdc圖6 混合級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)銼n1Sp1Dp1Dn1C1Sc1Sp2Dp2Dc1C2Sn2Sc2Dc2Dn2C3Sc3Sp3Dp3Dc3C4Sc5Sc4Dc4Dc5C5Sn3Sc6Dc6Dn3C6Sc7Sp4Dp4Dc7C7Sc9Sc8Dc8Dc9C8Sc11Sc10Dc10Dc11C9Sn4Sc12Dc12Dn4C102-Level3-Level4-Level5-LevelVoVdcVdcVdc

4、Vdc圖7 通用五電平單臂電路(a) 消諧波消諧波PWM方法（方法（SHPWM） (b) 開關(guān)頻率優(yōu)化開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法方法（SFOPWM） (c) 載波帶頻率變化的載波帶頻率變化的PWM方法方法 (d) 相移載波相移載波PWM方法方法1.2.1 基于載波的多電平PWM控制方法圖7 基于載波的多電平PWM控制方法V2(101)(0-10)V8(1-10)V17(11-1)V16(01-1)V15(-11-1)V18(10-1)V6(110)(00-1)V5(010)(-10-1)V14(-110)V7(1-1-1)(0-1-1)V1(100)(-1-1-1)(000)V0(111)(-10

5、0)V4(011)V13(-111)(-1-10)V3(001)V12(-101)V9(1-11)V10(0-11)V11(-1-11)234561BDCAABDC圖8 三電平逆變器空間電壓矢量圖 多電平SVPWM法和兩電平SVPWM法一樣，是一種建立在空間矢量合成概念上的PWM法，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于概念清晰，反映了SPWM的本質(zhì)，電壓利用率高，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等，不足之處在于當(dāng)電平數(shù)超過5時，算法過于復(fù)雜。 在近兩年APEC中研究比較多的拓?fù)浜涂刂品椒ǎ和負(fù)洌憾O管箝位型和級聯(lián)型拓?fù)洌憾O管箝位型和級聯(lián)型控制方法：空間矢量控制方法：空間矢量PWM四電平Marx逆變器Marx 單元半橋單元（M級）圖

6、9 四電平Marx逆變器v一種通用的空間矢量PWM控制算法：解決了空間矢量計算的復(fù)雜性，并且該法可以應(yīng)用于任意電平的H-橋級聯(lián)型多電平拓?fù)?。（APEC2003） v用于級聯(lián)型多電平變換器的錯時采樣的空間矢量調(diào)制方法，大大減小了諧波分量。（APEC2003）v減少電流紋波的空間矢量混合PWM技術(shù)。（級聯(lián)型）（APEC2003） v減少共模電壓的滯流調(diào)節(jié)策略。使用三個獨(dú)立的多電平滯流調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生三套互補(bǔ)的門極信號。（APEC2003） 3.1 提出了基于基本單元串并（并串）思想生成多電平變換器提出了基于基本單元串并（并串）思想生成多電平變換器拓?fù)涞男路椒ㄍ負(fù)涞男路椒ㄓ稍摲椒ú粌H可以得到已有的三類基

7、本多電平變換器拓?fù)?，而且可以推?dǎo)得到一系列新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而將多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究統(tǒng)一在基本構(gòu)成單元的范疇之內(nèi)，為多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究提供了一個新的指導(dǎo)原則。Sa1Sa2V1V2VoutSa1V2Vout1V1V3Vout2Sa3Sa2Sa4V1Sa2Sa1Vout1V2Sa4Sa3Vout2（a）多電平變換器的基本單元 （b） 基本單元的串聯(lián) （c） 基本單元的并聯(lián)圖11 基本單元的概念sa2sa4sa3+sa2-+vdc1sa5sa1vo1sa1vdc2vo2sa6vo+sa4sa3sa7sa8-+圖12 2H/3-H級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)浔? 幾種多電平拓?fù)鋯伪垭娐份敵?5電

8、平時所需元件數(shù)的比較(b) 3-H單元的輸出波形 (c) 相電壓輸出波形 圖13 改進(jìn)級聯(lián)型拓?fù)涞姆抡娌ㄐ?C5Dc10Dc6sc1sn11VdcDc9Dp4Dc5sc12Dn1Dc8Dc12Dn4C6sc8sn2C4sc7sc9Dp3Sa2C71Vdcsc2Dc2sc4sp2C1Dc4Dc1sc6sc3Dn3sn4sp4sp1Da1Dc7Dc3sc5Dp2sn3sp3C3Sa1Dc11C2sc11Dn2Da21Vdcsc101VdcDp1vo圖16 具有冗余功能的五電平變換器單臂電路 Sn1Sp1Dp1Dn1C1Sc1Sp2Dp2Dc1C2Sn2Sc2Dc2Dn2C3Sc3Sp3Dp3Dc3

9、C4Sc5Sc4Dc4Dc5C5Sn3Sc6Dc6Dn3C6Sc7Sp4Dp4Dc7C7Sc9Sc8Dc8Dc9C8Sc11Sc10Dc10Dc11C9Sn4Sc12Dc12Dn4C102-Level3-Level4-Level5-LevelVoVdcVdcVdcVdc圖15 通用五電平單臂電路思想思想：拓?fù)浯嬖谥喾N開關(guān)狀態(tài)組合，當(dāng)器件發(fā)生斷路故障時，改變開關(guān)狀態(tài)組合，使發(fā)生故障的器件處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)器件發(fā)生短路故障時，改變開關(guān)狀態(tài)組合，使發(fā)生故障的器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。l載波的自由度： 對于載波而言，至少有頻率、幅值、相位、水平方向的偏移量和豎直方向的偏移量等多個可調(diào)節(jié)控制的參數(shù)l調(diào)制波的自由

10、度 對于調(diào)制波而言，至少有頻率、幅值和相位，疊加零序分量等多個自由度l自由度之間的組合 如果把載波自由度和調(diào)制波的自由度按照一定的原則進(jìn)行相互組合，以系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)化為目標(biāo)，將產(chǎn)生一些具有實(shí)際意義的新型多電平逆變器PWM控制方法，這種控制自由度組合的思想為多電平變換器高性能的實(shí)現(xiàn)提供了可能00.02-4-2024time(s)Voltage(p.u.)00.02-4-2024time(s)Voltage(p.u.)（a） 載波交疊式PWM方法原理圖 （b） 載波交疊開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法原理圖 2),min(),max(cbacbazeroVVVVVVVzeroaaVVV*zerobbVVV

11、*zeroccVVV*l多電平逆變器的載波交疊式PWM方法在調(diào)制度小于0.85的范圍內(nèi)，其諧波特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的消諧波PWM方法；在高調(diào)制度范圍內(nèi)其諧波特性和傳統(tǒng)的消諧波PWM方法基本相同 l載波交疊開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法除具有載波交疊式PWM方法的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了直流電壓的利用率，使調(diào)制度達(dá)到1.15，該方法適合高電壓調(diào)制度的三相功率變換場合%100%121nnVVTHD0.10.20.30.40.50.60.70.80.911.1020406080100120140Modulation IndexTHD%SHPWMCOPWMSFOPWMCOSFOPWM（a） 三電平逆變器COPWM方法調(diào)制度為0.8的相電壓波形和線電壓波形的實(shí)驗結(jié)果 （b） 三電平逆變器COSFOPWM方法調(diào)制度為0.8的相電壓波形和線電壓波形的實(shí)驗結(jié)果 我們對飛跨電容型拓?fù)湟驳玫搅嘶?/p>