多電平逆變器

1、多電平變換器概述1、多電平變換器產(chǎn)生的背景2、多電平變換器的分類3、箝位式多電平變換器4、級聯(lián)型的多電平變換器5、開繞組雙端供電式多電平變換器多電平變換器多電平變換器 在電壓型逆變器中，最早廣泛應(yīng)用的是兩電平逆變器。兩電平逆變器一個最大的弱點就是，受開關(guān)管功率和耐壓的的限制，不宜實現(xiàn)高壓大功率輸出。為了解決這個問題，通常的辦法是將開關(guān)管直接串聯(lián)，但是這樣做還需要解決開關(guān)管串聯(lián)引起的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，同時還需要加入輸出濾波器，以降低輸出諧波和du/dt。為了解決上述技術(shù)難題，于20世紀80年代，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)電力系統(tǒng)直流輸電、無功補償、電力有源濾波以及高壓大功率交流電動機變頻調(diào)速的需要

2、，多電平逆變器開始出現(xiàn)，并受到越來越多人們的關(guān)注。多電平逆變器產(chǎn)生的背景 自三電平中點箝位式逆變器拓撲結(jié)構(gòu)被提出以來，引起人們的普遍關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，多電平逆變器的逆變器的結(jié)構(gòu)形成可以分為以下幾類多電平變換器的分類 箝位式多電平逆變器是由基本逆變單元通過串并聯(lián)組合而成的一種單一直流電源、半橋式結(jié)構(gòu)形式的多電平逆變器。這一類結(jié)構(gòu)形式的多電平逆變器包括二極管箝位式、飛跨電容箝位式、混合箝位式和有源中點箝位式多電平逆變器。箝位式多電平逆變器 二極管箝位多電平逆變器的特點是采用多個二極管對相應(yīng)的開關(guān)管進行箝位，同時利用不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到不同的輸出電壓電平數(shù)。假定輸出電壓的電平數(shù)為m，則直流分壓

3、電容的個數(shù)為m-1，主功率開關(guān)管的串聯(lián)個數(shù)為2(m-1)，箝位二極管的個數(shù)為（m-2）(m-1)。二極管箝位式多電平逆變器單相二極管箝位五電平逆變器的原理電路輸出電壓輸出電壓電平電平uAN開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)Sa1Sa2Sa3Sa4Sa5Sa6Sa7Sa8E/211110000E/401111000000111100-E/400011110-E/200001111二極管箝位式多電平逆變器中點箝位型五電平逆變器輸出端口電壓電平與開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)關(guān)系 針對箝位二極管串聯(lián)均壓的問題，一種二極管自箝位式五電平逆變器電路被提出來。這種電路的結(jié)構(gòu)形式不但可以將功率開關(guān)管的電位箝位在單個直流分壓電容的

4、電壓上，而且箝位二極管也被箝位在單個直流分壓電容的電壓上，從而解決了箝位二極管承受電壓不均勻的問題，避免了二極管直接串聯(lián)存在的安全隱患。二極管箝位式多電平逆變器二極管自箝位五電平逆變器 這種二極管箝位式五電平逆變器增多了電平數(shù)，因而可以使輸出電壓和輸出電流的總諧波含量大大減小。這種電路結(jié)構(gòu)形式的顯著優(yōu)點是利用二極管進行箝位，解決了功率開關(guān)管串聯(lián)均壓的問題。但也存在一些缺點：二極管箝位式多電平逆變器 1）為保證每個箝位二極管承受相同的反向電壓，箝位二極管的數(shù)量將按電平數(shù)的二次方快速增加。 2）如果采用單一直流電源供電，母線上各個電容的電壓很難控制平衡。 3）內(nèi)外管的開關(guān)應(yīng)力不同或者說損耗不平衡。

5、 電容箝位型多電平逆變器需要采用多個電容對相應(yīng)的開關(guān)管進行箝位，同時利用不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到不同的輸出電壓電平數(shù)。假定輸出電壓的電平數(shù)為m，則直流分壓電容的個數(shù)為m-1，主功率開關(guān)管的串聯(lián)個數(shù)為2(m-1)，箝位電容的個數(shù)為(m-1)(m-2)/2。電容箝位型多電平逆變器單相電容箝位型五電平逆變器的原理電路輸出電壓輸出電壓電平電平uAO開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)V1V2V3V4E/211110000E/411101000011001100-E/410001110-E/200001111電容箝位型多電平逆變器1V2V3V4V輸出電壓電平與開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)關(guān)系注：電容箝位型五電平逆變器電壓合成比

6、較靈活。當輸出為E/2和-E/2時，具有一種開關(guān)狀態(tài)；當輸出為E/4和-E/4時，具有4種開關(guān)狀態(tài)；當輸出為0時，具有6種開關(guān)狀態(tài)。電容箝位型多電平逆變器 這種電容箝位型五電平逆變器具有以下特點： 1）電容箝位多電平逆變器具有大量的冗余相電壓開關(guān)狀態(tài)組合。因此與二極管箝位多電平逆變器相比，電容箝位多電平逆變器的電壓合成控制和電容平衡控制都更加靈活。 2）由于存在大量的箝位電容，運行前電容的預(yù)充電問題是比較復(fù)雜的。 3）需要大量的箝位電容，而且在運行過程中必須嚴格控制箝位電容電壓的平衡。對于電容電壓的平衡問題，可以用輸出相電壓時采用不同的開關(guān)組合對電容進行充放電來解決，但因電容太多，控制比較復(fù)雜

7、，并要求較高的開關(guān)頻率，這與大功率高壓變頻要求的低開關(guān)頻率相矛盾。有源中點箝位型五電平變換器有源中點箝位型五電平變換器優(yōu)缺點優(yōu)點： 1）相比二極管鉗位式五電平逆變器它減少了箝位二極管的數(shù)量并且降低了母線電容平衡的控制難度； 2）相比電容箝位式的五電平逆變器它減少了電容器的數(shù)目，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；缺點： 1）有一個懸浮電容，當懸浮電容的容量較小時，控制其平衡存在一定的問題。混合箝位式多電平逆變器二極管電容混合箝位多電平逆變器電路 二極管電容混合箝位式多電平逆變器電路能夠比較好地解決單純二極管箝位式多電平逆變電路的內(nèi)側(cè)開關(guān)管的耐壓問題以及直流側(cè)電容電壓的平衡問題。電路的特點是，在二極管箝位多電

8、平逆變器的單相電路中，增加了(m-1)(m-2)/2個電容。 電容箝位自平衡式多電平逆變器是針對逆變器的電容電壓具有自平衡功能而定的名稱，它屬于電容箝位式多電平逆變器的一種改進形式。這種逆變器不需要借助附加的電路來抑制直流側(cè)電容電壓的偏移問題，從理論上實現(xiàn)了電容電壓的自平衡。電容箝位自平衡式多電平逆變器(通用拓撲)電容箝位自平衡式多電平逆變器電路工作原理：電容箝位自平衡式多電平逆變器 1）每個開關(guān)級都是一個獨立的開關(guān)單元。 2）每個開關(guān)級相鄰的任何兩個開關(guān)都工作在互補狀態(tài)下。 3）在一個開關(guān)級和周圍互補開關(guān)組成的范圍內(nèi)，任何一個開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)一旦確定，則其他的開關(guān)狀態(tài)也就由電路規(guī)律隨之確定。

9、這種電容箝位自平衡式多電平逆變器電路的特點是：電容箝位自平衡式多電平逆變器 1）這種逆變器電路的電能損耗與電容量和開關(guān)頻率成正比。降低開關(guān)頻率或加入一些特定的開關(guān)狀態(tài)，可以大大減少損耗，提高效率。 2）和一般的二極管箝位和電容箝位電路相比，這種逆變器各級的中點電壓都能得到很好的控制。 3）對一個m級電平的通用式多電平逆變器，所需的開關(guān)器件、開關(guān)管數(shù)量為m(m-1)；需要的電容數(shù)量為m(m-1)/2。 4）計算簡單，器件應(yīng)力可以達到最小。 5）通用拓撲，易于衍生出新的拓撲結(jié)構(gòu)，具有很高的研究價值。三電平H橋級聯(lián)式的五電平變頻器(轉(zhuǎn)自ABB ACS5000用戶手冊)三電平H橋級聯(lián)式的五電平變頻器級

10、聯(lián)式三電平輸出的線電壓電平狀態(tài)三電平H橋級聯(lián)式的五電平變頻器 優(yōu)點： 1）可以輸出6kV，電壓等級符合國標要求； 2）輸出相電壓電平數(shù)由3增至5，減小諧波； 缺點： 1）三相懸空，喪失了三電平變頻器的變壓器和整流器電源簡單、實現(xiàn)回饋容易的優(yōu)點。 開繞組雙端供電式電路是將電動機的定子繞組打開，由兩個逆變器從繞組兩端分別供電的電路結(jié)構(gòu)。開繞組雙端供電式電路Udc/2-Udc/2Udc/2-Udc/2C3C4C1C2a1b1c1a2b2c2開繞組三電平逆變器雙端供電電路 開繞組雙端供電式電路的特點：開繞組雙端供電式電路1）通過向三相定子繞組的中點打開的異步電機雙端供電可以提供更多的相電壓電平數(shù)，在相

11、同開關(guān)頻率下電壓波形比定子繞組單端供電更接近正弦波，并可以顯著降低開關(guān)損耗。2）開繞組雙端供電式電路，增加了相電壓階梯數(shù)和可供選擇的電壓矢量數(shù)，減少諧波的同時增加了控制的靈活性。3）兩套逆變器可以共用一套直流源，為抑制零序電壓，需要一臺零序電抗器（又稱共模電抗器），這樣就可以為能量回饋提供方便；同時，由于加入了零序電抗器，可以進一步降低dv/dt?？?結(jié)拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)開關(guān)管開關(guān)管二極管二極管*電容器電容器總計總計二極管箝位式8*3=2412*3=36464電容箝位式8*3=2406*3+4=2246有源中點箝位式12*3=3601*3+2=541混合箝位式8*3=2412*3=366*3+4=2282通用拓撲20*3=6006*3+4=2282三電平級聯(lián)式8*3=244*3=122*3=642開繞組4*3*2=242*3*2=122*2=440以三相五電平逆變器為例分析各拓撲結(jié)構(gòu)所用器件數(shù)目：注:*不包含反并聯(lián)二極管變換器拓撲類型變換器拓