電力電子-多電平技術(shù)課件

FlexibleACtransmissionSystem

FACTS靈活交流輸電系統(tǒng)或柔性交流輸電系統(tǒng)

FlexibleACtransmissionSyste多電平技術(shù)概念最早由日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在1980年IAS年會(huì)上提出來。目前已經(jīng)成為電力電子學(xué)中，以高壓大功率變換為研究對(duì)象的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。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(guān)器件連接在一起，實(shí)現(xiàn)了高電壓、大容量。多電平變換技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用。4.2

多電平技術(shù)多電平技術(shù)概念最早由日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在1每個(gè)功率器件僅僅承受單級(jí)電壓，所以可以用低耐壓的器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需均壓電路。P102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?？梢砸暂^低的開關(guān)頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同THD的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗小、效率高。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(shù)的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)功率器件僅僅承受單級(jí)電壓，所以可以用低耐壓的器件實(shí)現(xiàn)高壓二極管箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器級(jí)聯(lián)型變流器4.2－2多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)二極管箝位型多電平變流器4.2－2多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)4.2－3二極管箝位型多電平變流器

圖中，兩個(gè)串聯(lián)的電容C1和C2把直流總線電壓分成3個(gè)等級(jí)。其中兩個(gè)電容的中點(diǎn)n定義為零點(diǎn)電壓。輸出端Van有三個(gè)狀態(tài)：Vdc/2，0，－Vdc/2。對(duì)應(yīng)于Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1和S2導(dǎo)通；對(duì)應(yīng)于－Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1‘和S2’導(dǎo)通；對(duì)應(yīng)于0狀態(tài)，S2和S1‘導(dǎo)通。P102特點(diǎn)：任意時(shí)刻控制導(dǎo)通的器件數(shù)是橋臂器件數(shù)的一半。此例橋臂器件4個(gè)，每次控制2個(gè)。優(yōu)點(diǎn)：絕對(duì)不會(huì)形成電源通過橋臂短路，所以不用設(shè)死區(qū)時(shí)間。三電平二極管嵌位逆變器4.2－3二極管箝位型多電平變流器圖中，兩個(gè)串4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管嵌位逆變器五電平二極管嵌位逆變器P1054.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管嵌位逆變器五電平4.2－3二極管箝位型多電平變流器

設(shè)中點(diǎn)n為輸出相電壓的參考點(diǎn)來說明階梯波電壓的合成。在a點(diǎn)和n點(diǎn)間有五種開關(guān)模式的組合來合成五電平。

1）對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/2，導(dǎo)通S1-S4。

2）對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/4，導(dǎo)通S2-S4和S1'。

3）對(duì)應(yīng)于Van=0，導(dǎo)通S3-S4，S1'和S2'。

4）對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/4，導(dǎo)通S4和S1'-S3'。

5）對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/2，導(dǎo)通S1'-S4'。四組互補(bǔ)的開關(guān)存在于每一相中?；パa(bǔ)開關(guān)被定義為，當(dāng)其中的一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)開關(guān)就截止，反之亦然。上例中，四組互補(bǔ)開關(guān)為(S1，S1')，(S2，S2')，(S3，S3')，(S4，S4')。4.2－3二極管箝位型多電平變流器設(shè)中點(diǎn)n4.2－3二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(diǎn)：P1061.需大量二極管，大大提高了成本，安裝困難，實(shí)際應(yīng)用僅限于7電平或9電平。2.器件負(fù)荷不一致，電流等級(jí)不同。3.單變流器難以控制用功功率。4.電容電壓不平衡，增加了控制的復(fù)雜度和難度。4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器4.2－3二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：P105

設(shè)變流器的電平數(shù)為m，則：1.需分壓電容：m－12.每相開關(guān)元件：2（m－1）3.每相二極管：（m－1）（m－2）

4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器4.2－4電容箝位型多電平變流器

此電路又被稱為飛跨(懸浮)電容逆變器，獨(dú)立的嵌位電容使每個(gè)逆變單元的電壓被嵌制在一個(gè)電容電壓。圖中a點(diǎn)和n點(diǎn)間輸出三電平，Van=Vdc/2,0,或-Vdc/2。P106

1)對(duì)應(yīng)于Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1和S2導(dǎo)通；

2)對(duì)應(yīng)于-Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1'和S2'導(dǎo)通；

3)對(duì)應(yīng)于0狀態(tài)，(S1，S1')導(dǎo)通，或者(S2，S2')導(dǎo)通。當(dāng)(S1，S1')導(dǎo)通時(shí)，電容C1被充電，當(dāng)(S2，S2')導(dǎo)通時(shí)，電容C1放電。電容C1被充電可由適當(dāng)選擇0狀態(tài)開關(guān)組合來實(shí)現(xiàn)。三電平電容嵌位逆變器4.2－4電容箝位型多電平變流器此電路又被稱為飛4.2－4電容箝位型多電平變流器

電容嵌位五電平逆變器，它的電壓合成比二極管方式更具有靈活性。Van可有以下開關(guān)組合方式合成：

1)對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/2，導(dǎo)通S1-S4。

2)對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/4，則有3種組合方式：

a)導(dǎo)通S1，S2，S3，S1'b)導(dǎo)通S2，S3，S4，S4'c)導(dǎo)通S1，S3，S4，S3'

3)對(duì)于Van=0，則有6種組合方式：

d)導(dǎo)通S1，S2，S1'，S2'e)導(dǎo)通S3，S4，S3'，S4'f)導(dǎo)通S1，S3，S1'，S3'g)導(dǎo)通S1，S4，S2'，S3'h)導(dǎo)通S2，S4，S2'，S4'i)導(dǎo)通S2，S3，S1'，S4'4)對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/4，則有3種組合方式：

5)對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/2，導(dǎo)通S1'-S4'。五電平電容嵌位逆變器P1064.2－4電容箝位型多電平變流器電容嵌位五電4.2－4電容箝位型多電平變流器電容箝位多電平變流器的元件：P106

設(shè)變流器的電平數(shù)為m，則：1.需分壓電容：m－12.每相開關(guān)元件：2（m－1）3.每相箝位電容：（m－1）（m－2）/24.2－4電容箝位型多電平變流器電容箝位多電平變流器的4.2－4電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器的缺點(diǎn)：P107

1.需大量電容，電容體積大，成本高，封裝難。2.器件負(fù)荷不一致，電流等級(jí)不同。3.控制用功功率時(shí)，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大。4.為使電容充放電保持平衡，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度。4.2－4電容箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器4.2－5級(jí)聯(lián)型多電平變流器級(jí)聯(lián)型逆變器具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型逆變器最初應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，每個(gè)全橋單元需要一個(gè)絕緣的和獨(dú)立的直流電源。級(jí)聯(lián)的逆變器適用于所有的功率狀況，特別是中壓系統(tǒng)。在線性功率串并聯(lián)狀態(tài)下，與傳統(tǒng)的PWM控制的逆變器相比，此逆變器的比較優(yōu)勢(shì)是低成本，高性能，低電磁干擾(EMI)，高效率等優(yōu)點(diǎn)。4.2－5級(jí)聯(lián)型多電平變流器級(jí)聯(lián)型逆變器具有獨(dú)立直流電源4.2－6多電平技術(shù)的矢量控制P107五電平逆變器的電壓矢量圖多電平技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是矢量合成的優(yōu)越性利用電壓空間矢量定義式,可得到N電平逆變器的電壓矢量圖。N電平逆變器共有N3種電壓空間矢量4.2－6多電平技術(shù)的矢量控制P107五電平TheendTheendFlexibleACtransmissionSystem

FACTS靈活交流輸電系統(tǒng)或柔性交流輸電系統(tǒng)

FlexibleACtransmissionSyste多電平技術(shù)概念最早由日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在1980年IAS年會(huì)上提出來。目前已經(jīng)成為電力電子學(xué)中，以高壓大功率變換為研究對(duì)象的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。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(guān)器件連接在一起，實(shí)現(xiàn)了高電壓、大容量。多電平變換技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用。4.2

多電平技術(shù)多電平技術(shù)概念最早由日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在1每個(gè)功率器件僅僅承受單級(jí)電壓，所以可以用低耐壓的器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需均壓電路。P102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?？梢砸暂^低的開關(guān)頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同THD的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗小、效率高。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(shù)的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)功率器件僅僅承受單級(jí)電壓，所以可以用低耐壓的器件實(shí)現(xiàn)高壓二極管箝位型多電平變流器電容箝位型多電平變流器級(jí)聯(lián)型變流器4.2－2多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)二極管箝位型多電平變流器4.2－2多電平技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)4.2－3二極管箝位型多電平變流器

圖中，兩個(gè)串聯(lián)的電容C1和C2把直流總線電壓分成3個(gè)等級(jí)。其中兩個(gè)電容的中點(diǎn)n定義為零點(diǎn)電壓。輸出端Van有三個(gè)狀態(tài)：Vdc/2，0，－Vdc/2。對(duì)應(yīng)于Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1和S2導(dǎo)通；對(duì)應(yīng)于－Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1‘和S2’導(dǎo)通；對(duì)應(yīng)于0狀態(tài)，S2和S1‘導(dǎo)通。P102特點(diǎn)：任意時(shí)刻控制導(dǎo)通的器件數(shù)是橋臂器件數(shù)的一半。此例橋臂器件4個(gè)，每次控制2個(gè)。優(yōu)點(diǎn)：絕對(duì)不會(huì)形成電源通過橋臂短路，所以不用設(shè)死區(qū)時(shí)間。三電平二極管嵌位逆變器4.2－3二極管箝位型多電平變流器圖中，兩個(gè)串4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管嵌位逆變器五電平二極管嵌位逆變器P1054.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管嵌位逆變器五電平4.2－3二極管箝位型多電平變流器

設(shè)中點(diǎn)n為輸出相電壓的參考點(diǎn)來說明階梯波電壓的合成。在a點(diǎn)和n點(diǎn)間有五種開關(guān)模式的組合來合成五電平。

1）對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/2，導(dǎo)通S1-S4。

2）對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/4，導(dǎo)通S2-S4和S1'。

3）對(duì)應(yīng)于Van=0，導(dǎo)通S3-S4，S1'和S2'。

4）對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/4，導(dǎo)通S4和S1'-S3'。

5）對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/2，導(dǎo)通S1'-S4'。四組互補(bǔ)的開關(guān)存在于每一相中。互補(bǔ)開關(guān)被定義為，當(dāng)其中的一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)開關(guān)就截止，反之亦然。上例中，四組互補(bǔ)開關(guān)為(S1，S1')，(S2，S2')，(S3，S3')，(S4，S4')。4.2－3二極管箝位型多電平變流器設(shè)中點(diǎn)n4.2－3二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(diǎn)：P1061.需大量二極管，大大提高了成本，安裝困難，實(shí)際應(yīng)用僅限于7電平或9電平。2.器件負(fù)荷不一致，電流等級(jí)不同。3.單變流器難以控制用功功率。4.電容電壓不平衡，增加了控制的復(fù)雜度和難度。4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器4.2－3二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：P105

設(shè)變流器的電平數(shù)為m，則：1.需分壓電容：m－12.每相開關(guān)元件：2（m－1）3.每相二極管：（m－1）（m－2）

4.2－3二極管箝位型多電平變流器二極管箝位多電平變流器4.2－4電容箝位型多電平變流器

此電路又被稱為飛跨(懸浮)電容逆變器，獨(dú)立的嵌位電容使每個(gè)逆變單元的電壓被嵌制在一個(gè)電容電壓。圖中a點(diǎn)和n點(diǎn)間輸出三電平，Van=Vdc/2,0,或-Vdc/2。P106

1)對(duì)應(yīng)于Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1和S2導(dǎo)通；

2)對(duì)應(yīng)于-Vdc/2狀態(tài)，開關(guān)S1'和S2'導(dǎo)通；

3)對(duì)應(yīng)于0狀態(tài)，(S1，S1')導(dǎo)通，或者(S2，S2')導(dǎo)通。當(dāng)(S1，S1')導(dǎo)通時(shí)，電容C1被充電，當(dāng)(S2，S2')導(dǎo)通時(shí)，電容C1放電。電容C1被充電可由適當(dāng)選擇0狀態(tài)開關(guān)組合來實(shí)現(xiàn)。三電平電容嵌位逆變器4.2－4電容箝位型多電平變流器此電路又被稱為飛4.2－4電容箝位型多電平變流器

電容嵌位五電平逆變器，它的電壓合成比二極管方式更具有靈活性。Van可有以下開關(guān)組合方式合成：

1)對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/2，導(dǎo)通S1-S4。

2)對(duì)應(yīng)于Van=Vdc/4，則有3種組合方式：

a)導(dǎo)通S1，S2，S3，S1'b)導(dǎo)通S2，S3，S4，S4'c)導(dǎo)通S1，S3，S4，S3'

3)對(duì)于Van=0，則有6種組合方式：

d)導(dǎo)通S1，S2，S1'，S2'e)導(dǎo)通S3，S4，S3'，S4'f)導(dǎo)通S1，S3，S1'，S3'g)導(dǎo)通S1，S4，S2'，S3'h)導(dǎo)通S2，S4，S2'，S4'i)導(dǎo)通S2，S3，S1'，S4'4)對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/4，則有3種組合方式：

5)對(duì)應(yīng)于Van=-Vdc/2，導(dǎo)通S1'-S4'。五電平電容嵌位逆變器P1064.2－4電容箝位型多電平變流器電容嵌位五電4.2－4電容箝位型多電