多電平技術(shù)講解課件

1、多電平變換器Multilevel Converter主講人：牛得存目錄 1 多電平變換器研究的背景及意義2 多電平逆變器研究現(xiàn)狀 2.1 二極管箝位型多電平逆變器 2.2 飛跨電容型多電平逆變器 2.3 級聯(lián)型多電平逆變器3 多電平調(diào)制策略4 H橋級聯(lián)型逆變器仿真1多電平變換器研究的背景及意義 隨著社會工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對能源的需求量也越來越大，對于現(xiàn)有的有限能源，如何合理利用，是各國政府關(guān)心的問題。我國政府制定的“十二五”規(guī)劃，把節(jié)能減排定為規(guī)劃綱要，以保證我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。 電動機作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等領(lǐng)域的主動力源，是能源消耗的大戶，根據(jù)國家權(quán)威部門統(tǒng)計，我國的發(fā)電量有

2、60%左右被電動機消耗，而其中的90%被交流電動機消耗。1多電平變換器研究的背景及意義 因此，對于交流電動機的變頻調(diào)速研究，存在著巨大的節(jié)能空間。廣泛應(yīng)用的高壓大功率風(fēng)機、泵類的高壓電機，由于傳統(tǒng)的工作方式為電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動，存在電機轉(zhuǎn)速不能根據(jù)實際工況進行有效地調(diào)節(jié)，造成了很大的電能損失。 而高壓變頻技術(shù)正是能夠解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)，但現(xiàn)有功率開關(guān)受耐壓等級的制約，傳統(tǒng)的兩電平逆變器無法有效應(yīng)用于高壓變調(diào)速領(lǐng)域，即使是采用功率器件直接串聯(lián)的兩電平逆變器，也存在動、靜均壓問題，并且dv/dt較大，會產(chǎn)生難以處理的電磁干擾問題。多電平變換器研究的背景及意義 為此，有學(xué)者提出一種多電平功率變換技

3、術(shù)，旨在解決功率開關(guān)耐壓不足與高壓大功率驅(qū)動之間的矛盾，并且可以有效減小dv/dt，降低輸出電壓的諧波含量，已成為高壓大功率驅(qū)動場合的發(fā)展趨勢。2 多電平逆變器研究現(xiàn)狀 多電平逆變器作為一種新型的高壓大功率逆變器從電路拓撲結(jié)構(gòu)入手，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時，克服兩電平電路的諸多缺點：無需輸出變壓器和動態(tài)均壓電路，開關(guān)頻率低,因而開關(guān)器件應(yīng)力小，系統(tǒng)效率高,對電網(wǎng)污染少等。多電平逆變器研究現(xiàn)狀 多電平逆變器的思想從提出至今，出現(xiàn)了很多拓撲，但歸納起來主要有三種：(1) 二極管箝位型逆變器(2) 飛跨電容型逆變器(3) 具有獨立電源的級聯(lián)型逆變器多電平逆變器研究現(xiàn)狀 這三種結(jié)構(gòu)具有共同的優(yōu)點：

4、(1) 電平數(shù)越高，輸出電壓諧波含量越低；(2) 器件開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小；(3) 器件應(yīng)力小，無需動態(tài)均壓。二極管箝位型多電平逆變器 1977年德國學(xué)者Holtz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路。 1980年日本的A Nabae等人對其進行了發(fā)展，提出了二極管箝位式逆變電路。 圖1為單相二極管箱位逆變電路，它具有2個電容，能輸出3電平的電壓。 Bhagwat和Stefanovic在1983年進一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)。二極管箝位式多電平變換電路的特點是采用多個二極管對相應(yīng)的開關(guān)器件進行箝位，同時利用不同的開關(guān)組合輸出所需的不同電平。 對于N電平三相二極管箝位型電

5、路，直流側(cè)需N-1個電容，能輸出N電平的相電壓，線電壓為(2N-1)電平。顯然輸出電平越多、其輸出電壓和輸出電流的總諧波畸變率越小。 在圖1中，通過兩個串聯(lián)的大電容C1和C2將直流母線電壓分成三個電平，即，E/2，0和-E/2(以兩個電容的中點定義為中性點)。稍加分析就可以發(fā)現(xiàn)，不論在表1的哪一種工況，二極管D1，D2都將每個開關(guān)器件的電壓箝位到直流母線電壓的一半。例如，當S1，S2同為導(dǎo)通時，二極管D2平衡了開關(guān)器件S1，S2上的電壓分配。表1二極管箝位型三電平逆變器工況 若要得到更多電平數(shù)，如N電平，只需將直流分壓電容改為(N-1)個串聯(lián)，每橋臂主開關(guān)器件改為2(N-1)個串聯(lián)，每橋臂的箝

6、位二極管數(shù)量改為(N-1)(N-2)個，每(N-1)個串聯(lián)后分別跨接在正負半橋臂對應(yīng)開關(guān)器件之間進行箝位，再根據(jù)與三電平類似的控制方法進行控制即可。二極管箝位型逆變器的優(yōu)點 二極管箝位結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點：就是利用二極管箝位解決了功率器件串聯(lián)的均壓問題，適于高電壓場合。二極管箝位型逆變器的優(yōu)點 由于沒有兩電平逆變器中兩個串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和同時關(guān)斷的問題，所以該拓撲對器件的動態(tài)性能要求低，器件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性有所提高。在輸出性能上也擁有多電平逆變器所固有的優(yōu)點，如電壓畸變小，du/dt小，對電機負載的沖擊小等。二極管箝位型逆變器的缺點 但是二極管箝位型多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)仍然有其固有不足：

7、雖然開關(guān)器件被箝位在E/(N-1)電壓上，但是二極管卻要承受不同倍數(shù)的反向耐壓；如果使二極管的反向耐壓與開關(guān)器件相同，則需要多管串聯(lián)，當串聯(lián)數(shù)目很大時，增加了實際系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。當逆變器傳輸有功功率時，由于各個電容的充電時間不同，將形成不平衡的電容電壓。飛跨電容型多電平逆變器 1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出了如圖2所示結(jié)構(gòu)的飛跨電容箝位型逆變電路，其特點是用箝位電容代替圖1中所述的箝位二極管。 直流側(cè)電容不變，其工作原理與二極管箝位型逆變器相似。若要輸出更多的電平，須按照層疊接法進行擴展。因此也稱為多單元層疊型逆變(Imbricated Cell Multi-level

8、Inverter)。同樣對于三相N電平逆變器可輸出N電平相電壓，(2N-1)電平的線電壓。 對于三電平電容箝位型拓撲，如圖2所示，當S1，S2同時導(dǎo)通時， Uan=E/2，而S1，S2 同時導(dǎo)通時，輸出Uan=-E/2。 但是對于輸出Uan為0電平時，導(dǎo)通的開關(guān)既可以是S1，S1，又可以是S2，S2。這個電路的要點是維持箝位電容C1的端電壓等于E/2；該電容器在S1，S1閉合時充電，在S2，S2閉合時放電。適當?shù)剡x取0電平的開關(guān)組合，C1上的充電和放電的電荷可以達到平衡。表2給出了二電平電容箝位型電路拓撲的常用工況。表2飛跨電容箝位型三電平逆變器工況飛跨電容型逆變器的缺點 但由于該結(jié)構(gòu)需要大量

9、的箝位電容，對于N電平的逆變器，其所需的懸浮電容需要(N-1)(N-2)/2個。而且在運行過程中必須嚴格控制懸浮電容電壓的平衡以保證逆變器的運行安全，而電容器件本身存在可靠性較差，壽命較短的問題，所以導(dǎo)致逆變器可靠性差。 飛跨電容型逆變器的缺點 對于電容電壓平衡的問題，可以在輸出相同電平時采用不同的開關(guān)組合對電容進行充放電來解決，但因電容太多，如何選擇開關(guān)組合將非常復(fù)雜，并要求較高的切換頻率。 缺點：逆變器每個橋臂需要的電容數(shù)量隨輸出電平數(shù)增加而增加，再加上直流側(cè)的大量電容使得系統(tǒng)成本高且封裝困難。其次控制方法非常復(fù)雜，實現(xiàn)起來很困難，并且還存在電容的電壓不平衡問題。 鑒于此，對于該拓撲的應(yīng)用

10、性研究，近年來已經(jīng)相對較少。飛跨電容型逆變器的優(yōu)點 飛跨電容型逆變器相對于二極管箱位型逆變器，具有以下優(yōu)點：(1) 在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性；(2) 由于電容的引進，可通過在同一電平上不同開關(guān)的組合，使直流側(cè)電容電壓保持均衡；(3) 可以控制有功功率和無功功率的流量，因此可用于高壓直流輸電。級聯(lián)型多電平逆變器 1975年P(guān).Hammond提出了多個H橋采用隔離的直流電源作輸入，輸出端串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。田納西大學(xué)的FZPeng等人于1996年系統(tǒng)地提出了級聯(lián)型H橋型變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，并用于無功補償。 級聯(lián)型H橋逆變器由若干功率單元級聯(lián)而成，每個單元有其獨立的直流電源。其主電路拓撲

11、結(jié)構(gòu)如圖3所示，該電路為單相N單元級聯(lián)型逆變器，其輸出波形所含電平數(shù)為2N+1，所含電平數(shù)越多，則諧波含量越低，開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力越低。H級聯(lián)型逆變器有如下特點(1) 每相由多個H橋單元級聯(lián)而成，逆變器輸出相電壓電平數(shù)L與單元級聯(lián)數(shù)目N之間存在L=2N+1的關(guān)系。由于各功率單元結(jié)構(gòu)相同，易于模塊化設(shè)計和封裝；當某單元出現(xiàn)故障，可將其旁路，其余單元可繼續(xù)運行，系統(tǒng)可靠性大大得到了提高； (2) 直流側(cè)采用獨立電源供電，不需箝位器件，也不存在電壓均衡問題。若直流側(cè)由三相不控整流電路供電時，整流側(cè)需要采用多抽頭變壓器，雖然增大了裝置體積，但多重化整流減小了輸入側(cè)電流諧波；(3) 按特定規(guī)律分別對每

12、一單元進行PWM控制，各單元輸出波形疊加即可得多電平輸出，控制方法比箝位型電路對各橋臂的簡單，也易于擴展。圖7所示為級聯(lián)型H橋逆變器的單元結(jié)構(gòu)，稱之為單個H橋單元。其輸入為直流電壓源E，通過4個帶反并聯(lián)二極管并聯(lián)IGBT(V1-V4)輸出uab的交流電壓。H橋功率單元工作機理 通過控制H橋臂上的V1-V4的導(dǎo)通與關(guān)斷，可使H橋單元輸出所需要的電壓和頻率。由圖7可以看出，單個H橋單元的輸出電壓Uab與四個開關(guān)V1-V4的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。 圖8（a)所示為該單個H橋單元輸出三電平方式的輸出波形示意圖。從該示意圖中可以看出，其輸出電平包括E，0，-E。 其中每個功率器件所施加的驅(qū)動信號如表3所示。由于

13、逆變器有四個IGBT，而每個IGBT有兩個工作狀態(tài)，在同橋臂的兩個IGBT不同時導(dǎo)通的情況下，共有2*2=4種輸出狀態(tài)，對應(yīng)三個電平。 圖8（b）所示為該單個H橋單元輸出兩電平方式的輸出波形示意圖。輸出電平包括E，-E。其中每個功率器件上所施加的驅(qū)動信號如表4所示?？梢娫谠谀孀冸娐吠粯虮凵系膬蓚€IGBT不同時導(dǎo)通的情況下，V1和V4，V2和V3同時通斷可輸出兩電平。H橋級聯(lián)型逆變器工作機理 對于2個H橋級聯(lián)的逆變器，逆變器輸出電壓等于各單個H橋輸出電壓的疊加，當單個H橋單元工作在三電平方式下，該級聯(lián)型逆變器(含兩個H橋單元)，輸出電壓為： 其中，Uab為該級聯(lián)型逆變器兩個H橋單元輸出的總電壓

14、，Uabi(i=1，2)為各單個H橋單元的輸出電壓。 從前述單個H橋的工作原理中，可知當單個H橋工作在三電平方式的情況下，可以輸出三個電平：+E，0，-E。式(2-1)中Uabi(i=1，2)可取三種電平中的任意一種，從而得知，輸出電壓的最大值Uabmax和最小值Uabmin分別:結(jié)合式(2-2)及(2-3)可以計算出該級聯(lián)型逆變器可實現(xiàn)的最大電平數(shù)： 對于三相系統(tǒng)，可以有星型和三角型兩種連接方式，三角形連接中由于相電壓等于線電壓，其分析結(jié)果與上述單相的分析結(jié)果相同。對于星型連接的三相系統(tǒng)而言，線電壓為兩相電壓的差值，等效為2N個單個H橋單元輸出電壓的疊加，類比上面的結(jié)果可以得到五電平逆變器線

15、電壓電平數(shù)的以下結(jié)論：同理，對于N單元級聯(lián)型逆變器而言，輸出相電壓電平數(shù)為： 為了利用低壓開關(guān)器件獲得多電平高壓輸出，二極管箝位型和飛跨電容型多電平逆變器共同采用的辦法是，將電力電子開關(guān)器件串聯(lián)組成半橋式結(jié)構(gòu)，用一個高壓直流電源供電，并采用多個直流電容串聯(lián)分壓，采用二極管或電容，將主開關(guān)管上的電壓箝位在一個直流電容電壓上，來達到用低壓開關(guān)器件實現(xiàn)高壓輸出的目的。但因此出現(xiàn)了直流電容分壓的均壓問題。這給多電平逆變器帶來了麻煩，只能采用控制算法來解決這個問題 而級聯(lián)型多電平逆變器，是采用具有獨立直流電源的H橋作為基本功率單元級聯(lián)而成的一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，它不存在直流電容分壓的問題。因此也不存在直流電

16、容分壓的均壓問題，相對于箝位型多電平逆變器，在控制上簡單了很多。 同二極管箝位型逆變器及飛跨電容型逆變器相比，級聯(lián)型逆變器不需要大量的箝位二極管或電容，也不存在中間直流電壓中性點偏移問題；采用模塊化安裝，結(jié)構(gòu)緊湊；而采用載波相移的控制策略，其計算量不會隨著輸出電平數(shù)的增多而變得更加復(fù)雜。 當然，級聯(lián)H橋型變流器也有不足之處，主要就是在需要提供有功功率的場合必須采用獨立直流電源。顯然，在不需要提供有功功率的場合比如靜止無功補償器、電力有源濾波器(APF)等，級聯(lián)型多電平變流器具有更大的優(yōu)勢。 H橋級聯(lián)型多電平逆變器可應(yīng)用于高壓大功率場合，如柔性輸變電場合、靜態(tài)無功補償場合、風(fēng)力發(fā)電的功率變換場合

17、，集成光伏發(fā)電的功率變換場合、艦船推進場合、高速列車牽引場合、抽水蓄能等大功率驅(qū)動場合。在大功率驅(qū)動場合，發(fā)電廠大量使用的風(fēng)機、泵類為高壓電機，現(xiàn)多采用H橋級聯(lián)型多電平逆變器來變頻調(diào)速，以達到20%左右的節(jié)能效果。3 多電平調(diào)制策略的研究現(xiàn)狀 多電平逆變器的PWM控制技術(shù)是多電平逆變器研究中一個相當關(guān)鍵的技術(shù)，它是與多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的提出是共生的，因為它不僅決定多電平逆變器的實現(xiàn)與否，而且，對多電平逆變器的電壓輸出波形質(zhì)量，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高都有直接的影響。多電平逆變器功能的實現(xiàn)，不僅要有適當?shù)碾娐吠負浣Y(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，還要有相應(yīng)的PWM控制方式作為保障，才能保證系統(tǒng)高性能和高效率的運

18、行。 在過去的近二十年里，大量的多電平逆變器PWM控制方法被提出，它們基本上都發(fā)源于業(yè)己成熟的兩電平PWM技術(shù)，歸納起來可以分為以下幾大類: (1) 多電平階梯波調(diào)制， (2) 多電平開關(guān)點預(yù)制PWM法， (3) 多電平載波PWM技術(shù)， (4) 多電平空間矢量PWM技術(shù)。階梯波調(diào)制策略 階梯波調(diào)制策略的目的是用階梯波來逼近正弦波。其典型輸出波形如圖4所示。顯然，輸出電壓電平臺階的產(chǎn)生，實際上是對作為模擬信號的參考電壓的一個量化逼近過程，這種調(diào)制方法對功率器件的開關(guān)頻率沒有很高的要求，所以可以用低開關(guān)頻率的大功率器件，如GTO實現(xiàn)。 該方法的缺點是，由于開關(guān)頻率較低，輸出電壓諧波含量較大。輸出電

19、壓的調(diào)節(jié)依賴于直流母線電壓或者移相角。開關(guān)點預(yù)置PWM調(diào)制策略 該方法類似于兩電平開關(guān)點預(yù)制PWM方法。不同的是，在多電平逆變器的控制中，預(yù)制的“凹槽”位于階梯波上，而不是位于方波上，如圖5所示。用于消除特定次諧波的“凹槽”位置信息，先離線計算后存于存儲器中，運行時，實時讀出后進行輸出控制。因此，這種方法受到計算時間和存儲容量的限制。空間矢量PWM調(diào)制策略 多電平SVPWM方法是根據(jù)兩電平SVPWM的原理推廣而得到的。其基本原理與兩電平SVPWM方法相似，只是開關(guān)組合的方式隨著電平數(shù)的增加而有所增加，其規(guī)律是對于l電平逆變器，其電壓空間矢量的數(shù)目為l3個，當然這些電平中有些在空間上時重合的。

20、以三電平逆變器為例，其電壓空間矢量的數(shù)目為27個，其中獨立的電壓空間矢量為19個，1個零矢量，18個非零矢量，同樣的，在空間旋轉(zhuǎn)坐標下，對于任意時刻的矢量由相鄰的3個非零矢量合成，在一個開關(guān)調(diào)制周期內(nèi)對3個非零矢量與零矢量的作用時間進行優(yōu)化安排，得到PWM輸出波形。由于電平數(shù)與電壓空間矢量的數(shù)目之間是立方關(guān)系，所以多電平SVPWM方法在電平數(shù)較高時受到很大限制，因此目前多電平SVPWM方法的研究一般只限于五電平以下。載波相移SPWM調(diào)制策略 載波相移SPWM技術(shù)的關(guān)鍵是要求各級聯(lián)單元三角載波的相位角依次差一個角度，然后利用SPWM技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加原理產(chǎn)生載波相移SP

21、WM波形。SPWM波生成原理圖如圖6所示。 載波相移SPWM法是針對等電壓的單元級聯(lián)型逆變電路特點提出的。 SPWM波生成原理圖如圖6所示。每個H橋單元的驅(qū)動信號由一個正弦調(diào)制波和相位互差180。兩個三角載波比較生成，同一相的級聯(lián)單元之間正弦調(diào)制波相同，而三角載波互差180/N(N為每相單元級聯(lián)數(shù))。 通過載波移相使各單元輸出的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使各單元最終疊加的輸出SPWM的等效開關(guān)頻率提高到原來的2N倍，在不提高各功率開關(guān)器件開關(guān)頻率的情況下大大減小了輸出諧波，同時采用單元級聯(lián)型的多電平逆變器以低壓方式實現(xiàn)了高壓領(lǐng)域的電能轉(zhuǎn)換，解決了功率器件容量與電能等級的矛盾，并有效降低電壓

22、變化率應(yīng)力，顯著改善了輸出波形質(zhì)量，在高壓大功率交流電機變頻調(diào)速領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。由于各單元的調(diào)制方法相同，只是載波或參考波相位不同，因而控制算法容易實現(xiàn)，也便于向更多電平數(shù)擴展。4 H橋級聯(lián)型逆變器仿真 CPS-SPWM(Carriers Phase-Shifted PWM)原理及級聯(lián)型多電平逆變器的基本原理進行了詳細的闡述，理論上N個H橋級聯(lián)而成的的級聯(lián)型H橋多電平逆變器輸出相電壓最多可達到2N+1電平，但是逆變器輸出的電平數(shù)及波形也會受到調(diào)制度與載波頻率等的影響。相應(yīng)的諧波含量也會有所不同，因而，本章通過Matlab10.0/Simulink對基于CPS-SPWM方法的級聯(lián)型逆變器進行仿真分析。 本章通過對單相五電平以及三相五電平逆變器的仿真實驗，分析其輸出電壓電流波形，并進行諧波分析。單相H橋級聯(lián)型五電平逆變器仿真 圖16為單相五電平的Simulink仿真原理圖。圖16的仿真模型包括P