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)制方法圖2 改進(jìn)的二極管箝位型五電平變換器電路拓?fù)銿oOVoO圖3 二極管箝位/飛跨電容型混合五電平變換器拓?fù)鋱D4 單相飛跨電容型五電平變換器主電路結(jié)構(gòu) Sa1Sa2Sa3Sa4Sa1Sa2Sa3Sa4Sb1Sb2Sb3Sb4Sb1Sb2Sb3Sb4C1C2C3C4+-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

3、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?。圖5 單相級聯(lián)型七電平變換器主電路結(jié)構(gòu)VdcVdcLoadVdcVdc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n1Sp1Dp1Dn1C1Sc1Sp2Dp2Dc1C2Sn2Sc2Dc2Dn2C3Sc3Sp3Dp3Dc3C4Sc5Sc4Dc4Dc5C5Sn3Sc6Dc6Dn3C6Sc7Sp4Dp4Dc7C7Sc9Sc8Dc8Dc9C8Sc11Sc10Dc1

4、0Dc11C9Sn4Sc12Dc12Dn4C102-Level3-Level4-Level5-LevelVoVdcVdcVdcVdc圖7 通用五電平單臂電路1.2 多電平變換器控制方法的簡單概述多電平變換器控制方法的簡單概述(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1.2.2 多電平逆變器空間矢量多電平逆變器空間矢量PWM控制方法控制方法V2(101)

5、(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)(-100)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)，

6、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(jì)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

7、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本多電平變換器拓?fù)洌铱梢酝茖?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

8、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3.2 改進(jìn)的級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)涓倪M(jìn)的級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)鋝a2sa4sa3+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電平時所需元件數(shù)的比較(a) 3-H單元的輸出波形(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?C5Dc10Dc6sc1sn11VdcDc9Dp4Dc5sc12Dn1Dc8Dc12Dn4C6sc8sn2C4sc7sc9Dp3Sa

9、2C71Vdcsc2Dc2sc4sp2C1Dc4Dc1sc6sc3Dn3sn4sp4sp1Da1Dc7Dc3sc5Dp2sn3sp3C3Sa1Dc11C2sc11Dn2Da21Vdcsc101VdcDp1vo圖16 具有冗余功能的五電平變換器單臂電路 Sn1Sp1Dp1Dn1C1Sc1Sp2Dp2Dc1C2Sn2Sc2Dc2Dn2C3Sc3Sp3Dp3Dc3C4Sc5Sc4Dc4Dc5C5Sn3Sc6Dc6Dn3C6Sc7Sp4Dp4Dc7C7Sc9Sc8Dc8Dc9C8Sc11Sc10Dc10Dc11C9Sn4Sc12Dc12Dn4C102-Level3-Level4-Level5-Leve

10、lVoVdcVdcVdcVdc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

11、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*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(yàn)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(yàn)結(jié)果 我們對飛跨電