電力電子技術(shù)多電平技術(shù)新演示文稿

電力電子技術(shù)多電平技術(shù)新演示文稿當(dāng)前第1頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)優(yōu)選電力電子技術(shù)多電平技術(shù)新當(dāng)前第2頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)3/47多重逆變電路和多電平逆變電路■電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生不利影響。■常常采用多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來，使之成為接近正弦波的波形?！鲆部梢愿淖冸娐方Y(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波靠近。

當(dāng)前第3頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)4/47多重逆變電路■二重單相電壓型逆變電路

◆兩個(gè)單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。

◆輸出波形

?兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180°矩形波。?u1和u2相位錯(cuò)開=60°,其中的3次諧波就錯(cuò)開了3×60°=180，變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。

?uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消。當(dāng)前第4頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)■由此得出的一些結(jié)論

◆把若干個(gè)逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。

◆多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。當(dāng)前第5頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo當(dāng)前第6頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(jí)聯(lián)型多電平逆變器3多電平調(diào)制策略4H橋級(jí)聯(lián)型逆變器仿真當(dāng)前第7頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)1多電平變換器研究的背景及意義隨著社會(huì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)能源的需求量也越來越大，對(duì)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(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。電動(dòng)機(jī)作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等領(lǐng)域的主動(dòng)力源，是能源消耗的大戶，根據(jù)國家權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，我國的發(fā)電量有60%左右被電動(dòng)機(jī)消耗，而其中的90%被交流電動(dòng)機(jī)消耗。當(dāng)前第8頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)1多電平變換器研究的背景及意義因此，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)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(jī)、泵類的高壓電機(jī)，由于傳統(tǒng)的工作方式為電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動(dòng)，存在電機(jī)轉(zhuǎn)速不能根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)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(gè)問題的關(guān)鍵技術(shù)，但現(xiàn)有功率開關(guān)受耐壓等級(jí)的制約，傳統(tǒng)的兩電平逆變器無法有效應(yīng)用于高壓當(dāng)前第9頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)多電平變換器研究的背景及意義變調(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(dòng)、靜均壓問題，并且dv/dt較大，會(huì)產(chǎn)生難以處理的電磁干擾問題。

為此，有學(xué)者提出一種多電平功率變換技術(shù)，旨在解決功率開關(guān)耐壓不足與高壓大功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)場合的發(fā)展趨勢。當(dāng)前第10頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時(shí)，克服兩電平電路的諸多缺點(diǎn)：無需輸出變壓器和動(dòng)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(duì)電網(wǎng)污染少等。當(dāng)前第11頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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?fù)?，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(dú)立電源的級(jí)聯(lián)型逆變器當(dāng)前第12頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(diǎn)：(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??；(3)器件應(yīng)力小，無需動(dòng)態(tài)均壓。當(dāng)前第13頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(diǎn)箝位的三電平逆變器主電路。1980年日本的ANabae等人對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展，提出了二極管箝位式逆變電路。當(dāng)前第14頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

圖1為單相二極管箱位逆變電路，它具有2個(gè)電容，能輸出3電平的電壓。當(dāng)前第15頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

Bhagwat和Stefanovic在1983年進(jìn)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(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)的開關(guān)器件進(jìn)行箝位，同時(shí)利用不同的開關(guān)組合輸出所需的不同電平。對(duì)于N電平三相二極管箝位型電路，直流側(cè)需N-1個(gè)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。當(dāng)前第16頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

在圖1中，通過兩個(gè)串聯(lián)的大電容C1和C2將直流母線電壓分成三個(gè)電平，即，E/2，0和-E/2(以兩個(gè)電容的中點(diǎn)定義為中性點(diǎn))。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(gè)開關(guān)器件的電壓箝位到直流母線電壓的一半。例如，當(dāng)S1，S2同為導(dǎo)通時(shí)，二極管D2平衡了開關(guān)器件S1，S2上的電壓分配。當(dāng)前第17頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第18頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

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(gè)串聯(lián)，每橋臂主開關(guān)器件改為2(N-1)個(gè)串聯(lián)，每橋臂的箝位二極管數(shù)量改為(N-1)(N-2)個(gè)，每(N-1)個(gè)串聯(lián)后分別跨接在正負(fù)半橋臂對(duì)應(yīng)開關(guān)器件之間進(jìn)行箝位，再根據(jù)與三電平類似的控制方法進(jìn)行控制即可。當(dāng)前第20頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)二極管箝位型逆變器的優(yōu)點(diǎn)

由于沒有兩電平逆變器中兩個(gè)串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷的問題，所以該拓?fù)鋵?duì)器件的動(dòng)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(diǎn)，如電壓畸變小，du/dt小，對(duì)電機(jī)負(fù)載的沖擊小等。二極管箝位結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)：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。當(dāng)前第22頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)二極管箝位型逆變器的缺點(diǎn)

但是二極管箝位型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然有其固有不足：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(dāng)串聯(lián)數(shù)目很大時(shí)，增加了實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度。當(dāng)逆變器傳輸有功功率時(shí)，由于各個(gè)電容的充電時(shí)間不同，將形成不平衡的電容電壓。當(dāng)前第23頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)飛跨電容型多電平逆變器

1992年，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(diǎn)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(jìn)行擴(kuò)展。因此也稱為多單元層疊型逆變(ImbricatedCellMulti-levelInverter)。同樣對(duì)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。當(dāng)前第24頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第25頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)對(duì)于三電平電容箝位型拓?fù)洌鐖D2所示，當(dāng)S1，S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，Uan=E/2，而S1'，S2'同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出Uan=-E/2。但是對(duì)于輸出Uan為0電平時(shí)，導(dǎo)通的開關(guān)既可以是S1，S1’，又可以是S2’，S2。這個(gè)電路的要點(diǎn)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(shí)充電，在S2，S2’閉合時(shí)放電。適當(dāng)?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(dá)到平衡。表2給出了二電平電容箝位型電路拓?fù)涞某Ｓ霉r。當(dāng)前第26頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)表2飛跨電容箝位型三電平逆變器工況當(dāng)前第27頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)5電平電壓源逆變器C10C4C3C2sa1sa2sa3sa4sb1sb2sb3sb4sc1sc2sc3sc4sc1’sc2’sc3’sc4’sb1’sb2’sb3’sb4’sa1’sa2’sa3’sa4’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3當(dāng)前第28頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)導(dǎo)通C1C4C3C2sa1sa2sa3sa4V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a＋－o當(dāng)前第29頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)導(dǎo)通C1C4C3C2sa1sa2sa3sa4’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a＋－o當(dāng)前第30頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)導(dǎo)通C10C4C3C2sa2sa3sa4sa1’V2V1’V1V2’ca3ca3ca3a導(dǎo)通C10C4C3C2sa1sa3sa4sa2’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第31頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)C10C4C3C2sa1sa2sa4’sa3’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3aC10C4C3C2sa3sa4sa2’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第32頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)C10C4C3C2sa1sa3sa4’sa2’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3aC10C4C3C2sa1sa4sa3’sa2’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第33頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)C10C4C3C2sa2sa4sa3’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3aC10C4C3C2sa2sa3sa4’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第34頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)C10C4C3C2sa1sa3sa4sa4’sa3’sa2’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3aC10C4C3C2sa4sa3’sa2’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第35頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)C10C4C3C2sa3sa4’sa2’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3a當(dāng)前第36頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)導(dǎo)通C10C4C3C2sa3’sa2’sa1’V2V1’V1V2’ca1ca2ca2ca3ca3ca3asa4’當(dāng)前第37頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)飛跨電容型逆變器的缺點(diǎn)但由于該結(jié)構(gòu)需要大量的箝位電容，對(duì)于N電平的逆變器，其所需的懸浮電容需要(N-1)(N-2)/2個(gè)。而且在運(yùn)行過程中必須嚴(yán)格控制懸浮電容電壓的平衡以保證逆變器的運(yùn)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。

當(dāng)前第38頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)飛跨電容型逆變器的缺點(diǎn)

對(duì)于電容電壓平衡的問題，可以在輸出相同電平時(shí)采用不同的開關(guān)組合對(duì)電容進(jìn)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(diǎn)：逆變器每個(gè)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(shí)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(duì)于該拓?fù)涞膽?yīng)用性研究，近年來已經(jīng)相對(duì)較少。當(dāng)前第39頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第40頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)飛跨電容型逆變器的優(yōu)點(diǎn)飛跨電容型逆變器相對(duì)于二極管箱位型逆變器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(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(jìn)，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。當(dāng)前第41頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器

1975年P(guān).Hammond提出了多個(gè)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F．Z．Peng等人于1996年系統(tǒng)地提出了級(jí)聯(lián)型H橋型變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用于無功補(bǔ)償。當(dāng)前第42頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

級(jí)聯(lián)型H橋逆變器由若干功率單元級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)單元有其獨(dú)立的直流電源。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，該電路為單相N單元級(jí)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。當(dāng)前第43頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第44頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)H級(jí)聯(lián)型逆變器有如下特點(diǎn)(1)每相由多個(gè)H橋單元級(jí)聯(lián)而成，逆變器輸出相電壓電平數(shù)L與單元級(jí)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(jì)和封裝；當(dāng)某單元出現(xiàn)故障，可將其旁路，其余單元可繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)可靠性大大得到了提高；當(dāng)前第45頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

(2)直流側(cè)采用獨(dú)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(shí)，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；當(dāng)前第46頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)(3)

按特定規(guī)律分別對(duì)每一單元進(jìn)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(duì)各橋臂的簡單，也易于擴(kuò)展。當(dāng)前第47頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)圖7所示為級(jí)聯(lián)型H橋逆變器的單元結(jié)構(gòu)，稱之為單個(gè)H橋單元。其輸入為直流電壓源E，通過4個(gè)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(jī)理

當(dāng)前第48頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(gè)H橋單元的輸出電壓Uab與四個(gè)開關(guān)V1-V4的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。

當(dāng)前第49頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)圖8（a)所示為該單個(gè)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。當(dāng)前第50頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)其中每個(gè)功率器件所施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如表3所示。由于逆變器有四個(gè)IGBT，而每個(gè)IGBT有兩個(gè)工作狀態(tài)，在同橋臂的兩個(gè)IGBT不同時(shí)導(dǎo)通的情況下，共有2*2=4種輸出狀態(tài)，對(duì)應(yīng)三個(gè)電平。當(dāng)前第51頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)圖8（b）所示為該單個(gè)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。當(dāng)前第52頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)其中每個(gè)功率器件上所施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如表4所示?？梢娫谠谀孀冸娐吠粯虮凵系膬蓚€(gè)IGBT不同時(shí)導(dǎo)通的情況下，V1和V4，V2和V3同時(shí)通斷可輸出兩電平。當(dāng)前第53頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第54頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第55頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)H橋級(jí)聯(lián)型逆變器工作機(jī)理對(duì)于2個(gè)H橋級(jí)聯(lián)的逆變器，逆變器輸出電壓等于各單個(gè)H橋輸出電壓的疊加，當(dāng)單個(gè)H橋單元工作在三電平方式下，該級(jí)聯(lián)型逆變器(含兩個(gè)H橋單元)，輸出電壓為：

其中，Uab為該級(jí)聯(lián)型逆變器兩個(gè)H橋單元輸出的總電壓，Uabi(i=1，2)為各單個(gè)H橋單元的輸出電壓。當(dāng)前第56頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)從前述單個(gè)H橋的工作原理中，可知當(dāng)單個(gè)H橋工作在三電平方式的情況下，可以輸出三個(gè)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:當(dāng)前第57頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)結(jié)合式(2-2)及(2-3)可以計(jì)算出該級(jí)聯(lián)型逆變器可實(shí)現(xiàn)的最大電平數(shù)：當(dāng)前第58頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)對(duì)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(duì)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(gè)單個(gè)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電壓電平數(shù)的以下結(jié)論：當(dāng)前第59頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)同理，對(duì)于N單元級(jí)聯(lián)型逆變器而言，輸出相電壓電平數(shù)為：當(dāng)前第60頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第61頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

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(gè)高壓直流電源供電，并采用多個(gè)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(gè)直流電容電壓上，來達(dá)到用低壓開關(guān)器件實(shí)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(gè)問題當(dāng)前第62頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

而級(jí)聯(lián)型多電平逆變器，是采用具有獨(dú)立直流電源的H橋作為基本功率單元級(jí)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容分壓的均壓問題，相對(duì)于箝位型多電平逆變器，在控制上簡單了很多。當(dāng)前第63頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)同二極管箝位型逆變器及飛跨電容型逆變器相比，級(jí)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(diǎn)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(jì)算量不會(huì)隨著輸出電平數(shù)的增多而變得更加復(fù)雜。當(dāng)前第64頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)然，級(jí)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(dú)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(bǔ)償器、電力有源濾波器(APF)等，級(jí)聯(lián)型多電平變流器具有更大的優(yōu)勢。當(dāng)前第65頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

H橋級(jí)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(bǔ)償場合、風(fēng)力發(fā)電的功率變換場合，集成光伏發(fā)電的功率變換場合、艦船推進(jìn)場合、高速列車牽引場合、抽水蓄能等大功率驅(qū)動(dòng)場合。在大功率驅(qū)動(dòng)場合，發(fā)電廠大量使用的風(fēng)機(jī)、泵類為高壓電機(jī)，現(xiàn)多采用H橋級(jí)聯(lián)型多電平逆變器來變頻調(diào)速，以達(dá)到20%左右的節(jié)能效果。當(dāng)前第66頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，它是與多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出是共生的，因?yàn)樗粌H決定多電平逆變器的實(shí)現(xiàn)與否，而且，對(duì)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(shí)現(xiàn)，不僅要有適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)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(yùn)行。

當(dāng)前第67頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

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(diǎn)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)。當(dāng)前第68頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(tái)階的產(chǎn)生，實(shí)際上是對(duì)作為模擬信號(hào)的參考電壓的一個(gè)量化逼近過程，這種調(diào)制方法對(duì)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(shí)現(xiàn)。

該方法的缺點(diǎn)是，由于開關(guān)頻率較低，輸出電壓諧波含量較大。輸出電壓的調(diào)節(jié)依賴于直流母線電壓或者移相角。當(dāng)前第69頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第70頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM調(diào)制策略該方法類似于兩電平開關(guān)點(diǎn)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(jì)算后存于存儲(chǔ)器中，運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)讀出后進(jìn)行輸出控制。因此，這種方法受到計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)容量的限制。當(dāng)前第71頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第72頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(duì)于l電平逆變器，其電壓空間矢量的數(shù)目為l^3個(gè)，當(dāng)然這些電平中有些在空間上時(shí)重合的。當(dāng)前第73頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)以三電平逆變器為例，其電壓空間矢量的數(shù)目為27個(gè)，其中獨(dú)立的電壓空間矢量為19個(gè)，1個(gè)零矢量，18個(gè)非零矢量，同樣的，在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，對(duì)于任意時(shí)刻的矢量由相鄰的3個(gè)非零矢量合成，在一個(gè)開關(guān)調(diào)制周期內(nèi)對(duì)3個(gè)非零矢量與零矢量的作用時(shí)間進(jìn)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(shí)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。。當(dāng)前第74頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)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(jí)聯(lián)單元三角載波的相位角依次差一個(gè)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SPWM波形。SPWM波生成原理圖如圖6所示。當(dāng)前第75頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第76頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)載波相移SPWM法是針對(duì)等電壓的單元級(jí)聯(lián)型逆變電路特點(diǎn)提出的。

SPWM波生成原理圖如圖6所示。每個(gè)H橋單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由一個(gè)正弦調(diào)制波和相位互差180°。兩個(gè)三角載波比較生成，同一相的級(jí)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(jí)聯(lián)數(shù))。當(dāng)前第77頁\共有91頁\編于星期六\8點(diǎn)

通過載波移相使各單元輸出的SPWM脈沖在相位上錯(cuò)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(shí)采用單元級(jí)聯(lián)型的多電平逆變器以低壓方式實(shí)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(jí)的矛盾，并有效降低電壓變化率應(yīng)力，顯著改善了輸出波形質(zhì)量，在高壓大功率交流電機(jī)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