（电力电子与电力传动专业论文）中高压变频多电平逆变电路的研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e lc o n v e n e r sh a v ep r e s e n t e da ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tt o r e a c hh i g h e rp o w e rw i t hi n c r e a s i n gv o l t a g el e v e l l o t so ft o p o l o g i e so fm u l t i l e v e lw a s p r e s e n t e d , s u c ha sd i o d ec l a m p e dc o n v e r t e r ，f l y i n gc a p a c i t o rc o n v e r t e r , h b r i d g e c o n v e r t e r ，w h i c ha r et h em o s tp o p u l a ri np r a c t i c e t h e s et o p o l o g i e s h a v em a n y a d v a n t a g e s ，b u ta l lo ft h e mo nu s i n ga l s oh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，a f t e ra n a l y z i n g t h es t r u c t u r e so ft h et o p o l o g i e so nu s i n g ，t h i sp a p e re x t e n d st h ec o n c e p to fb a s i c m u l t i l e v e li n v e r t e ru n i t sa n dp r e s e n t sau n i v e r s a lt y p eo fm u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y t h i su n i v e r s a lt o p o l o g yb s eh a l fh b r i d g ec o n v e r t e ra sb a s i cu n i t t h eb a s i cu n i t s c o n n e c ti ns e r i e sa tf i r s t ，t h e nc o n n e c ti np a r a l e l l t h i st o p o l o g yi su n i v e r s a lb e c a u s ei t i st h eb a s eo fo t h e rt o p o l o g i e sa n dp r e s e n t ss e l f - v o l t a g eb a l a n c i n gw i t h o u tc i r c u i t si n a d d i t i o n f i r s t l y , s e v e r a lt o p o l o g i e sa n dc o n v e n e r si nu s i n ga r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s s e c o n d l y , t h eu n i v e r s a lt y p eo f m u l t i l e v e lt o p o l o g yi sc o n s t r u c t e db yb a s i cm u l t i l e v e l i n v e r t e ru n i t s t h e nt h ec o n c e p ta n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eu n i v e r s a li n v e r t e ra r e p r o p o s e di nd e t a i l s a n dt h ep a p e ra l s op r e s e n t st h em e t h o dt of o r mi n v e r t e r n e x t b a s e do np o w e re l e c t r o n i c s p r i n c i p l e s ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i v e l e v e li n v e r t e rh a s b e e nb u i l t a tl a s t ，w i t ht h eh e l po fm a t l a b ，t h em o d e lh a sb e e nr e a l i z e di nt h e c o m p u t e ra n ds o m es i m u l a t i n gr e s u l t sh a v eb e e ns h o w e d a f t e r w a r d s t h i sp a p e r a n a l y z e st h eh a r m o n i cc o m p o n e n t so fm u l t i c a r r i e dp w m s t r a t e g yw i t hm e t h o d so f m a t h e m a t i c sa n ds i m u l a t i o n 。b o t ho ft h em e a n sr e c e i v ec o i n c i d e n tr e s u l t sw h i c ha r e s a t i s f i e d f i n a l l y , t h i sr e s e a r c hh a ss o m e t h i n go fs i g n i f i c a n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h o ft h em e d i u m h i g hv o l t a g ec o n v e r t e r k e yw o r d s ：m u l t i l e v e li n v e r t e r , m u l t i c a r r i e dp w m ，m a t l a bs i m u l a t i o n , h a r m o n i ca n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雩乞业藏 签字日期：p 矿年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有式数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅牙口借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弦业式 签字日期：加旷年么月f 日 导师签名： 嚎专凌。 签字日期： 。驴年么月( 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究中高压变频技术的目的和意义 2 1 世纪是能源与环保的世纪，随着全球经济的发展，能源和环境的地位日趋 重要。能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展已经成为经济发展的 基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要，因此对于能源 合理利用的要求日趋迫切。我国能源生产总量已经跃居世界前列，但仍然满足不 了工业生产和人民生活提高的需要。与此同时，在电能十分紧张的情况下，由于 技术落后，电能的浪费现象也十分严重。我国的国民生产总值只居世界第四位， 其重要原因之一就是单位产值的能耗太大。根据有关部门的统计资料，年发电量 的6 0 7 0 用于电动机拖动，其中，9 0 是用于交流电动机的直接恒速拖动， 由于不能实现变频调速、每年都要浪费大量的电能。如占工业用电3 0 以上的风 机、泵类负载总装机容量达到1 6 亿k w ，年耗电量3 2 0 0 亿k w h ，占全国发电 量的4 0 。由于这类负载的工况变化较大，如果将直接恒速拖动改用中、高压大 容量变频调速拖动，则可以节约大量的电能。据统计风机、泵类电动机节电率可 以达到3 0 6 0 ，节能效果非常显著。随着电气传动技术的发展，尤其是变频 调速技术的日益进步，作为大容量传动的中高压变频调速技术也得到了广泛的应 用。中高压电机利用中高压变频器可以实现无级调速，满足生产工业过程对电机 调速控制的要求，既可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产 成本。我国有大量大功率传动机械，如大功率风机、泵类电机等广泛地应用于煤 矿、冶金、石油、给排水等行业，采用中高压大容量变频调速系统可以提高生产 效率和产品质量。同时在解决环境污染方面，中高压大容量变频调速系统也是一 种最好、最直接的方法之一，如高速电气化铁路、城市地铁和轻轨以及电动汽车 等，可以大大减少尾气排放的污染。由此可见，高性能的中高压大功率变频调速 装置的市场潜力巨大，应用前景十分广阔。 特别是十一五规划中，将建设节约型社会列为今后发展的一项重要内容。有 效地利用能源、节约能源是建设节约型社会的具体体现。大力推广变频调速技术 是实现这一目标的必要手段，它也是交流电动机节能改造的工作重点。 1 2 中高压变频技术的发展状况 近年来，世界各国都非常重视中高压功率变换技术的研究，是当前电力电子 第一章绪论 技术最新发展动向之一。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业 化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据，所以还需要加大该 领域的科研与开发的力度。当今国际中高压变频调速技术的发展趋势主要有： 1 全数字化控制：随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民 对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合， 同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控 制。目前单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用，例如由i n t e l 公司开 发生产的m c s 9 6 系列是性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的 工业控制。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。 扩展卡尔曼滤波、f f t 、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到 了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，d s p 芯片在全数字化的 高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如t i 公司的m c s 3 2 0 f 2 4 0 等d s p 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。在交流调速 的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。s t d 总线、工业 p c 总线、现场总线以及c a n 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重 要的作用。 2 p w m 技术：p w m 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终 实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的。经过几十年的发展，目前已经提出 并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种，关于p w m 控制技术的文章在 很多著名的电力电力国际会议上，如p e s c ，i e c o n ，e p e 年会上已形成专题。 特别是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初 追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩 脉动最少，再到消除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断 完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究 方兴未艾。 3 逆变电路：目前中高电压等级( 2 - - - - 1 0 k v 、5 0 0 , - - - - 4 0 0 0 0 k w 甚至更高) 的 变频器不像低压变频器那样成熟，具有一致的拓扑结构，而是限于目前功率器件 的电压耐量和高压使用的矛盾，导致拓扑结构复杂多样。也正因为功率开关器件 的耐压满足不了中、高压变频器的需要，因此人们为了回避这个世界级的难题， 研发出多种电路拓扑，比如：高低高结构、交交变频器、单元串联多重化、多 电平电压型逆变器等电路结构。目前这些电路各有自己的优点和局限性，应用中 还有许多需要改进的地方，具体地说： ( 1 ) 高一低高结构：将输入高压经降压变压器变成3 8 0 v 的低电压，然后用 普通变频器进行变频，再由升压变压器变回高压。其优点是可利用现有的低压变 第一章绪论 频技术来实现高压变频，缺点是系统的体积大、成本高、效率低、可靠性低、低 频时能量传输困难等： ( 2 ) 交交变频器：采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动 方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大( 可达5 0 0 0 v 5 0 0 0 a ) ， 适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相 当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但 是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为5 0 h z 时，最大输出 频率不超过2 0 h z ；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无 功补偿和谐波治理。 ( 3 ) 单元串联多重化：由于是多个独立单元级联，输出波形可以作的很好， 每个单元都工作在低压状态，可靠性高，是目前采用最多的一种电压型逆变器方 案；缺点是必须有笨重的输入变压器进行高压分割，使用开关器件太多，控制复 杂。 ( 4 ) 多电平电压型逆变器：日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在 i a s 年会上首次提出三电平逆变器，又称中点钳位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 逆 变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。多电平电 压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：更适合大容量、高电压 的场合。可产生m 层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似 的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。电磁干扰 ( e m i ) 问题大大减轻，因为开关元件一次动作的d v d t 通常只有传统双电平的 1 ( m 1 ) 。效率高，消除同样谐波，双电平采用p w m 控制法开关频率高、 损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效 率提高。 中高压变频技术的发展，其逆变主回路拓扑结构一直是随着电力电子器件的 创新开发而不断发展的。早期的电力电子器件晶闸管( s c r ) 随着功率半导体技 术的不断创新在中高压变频领域已逐步被淘汰。而g t o 具有高电压、大电流的 发展潜力，但驱动电路复杂，影响整个系统的可靠性。把m o s 结构置于g t o 外面来协助关断的i g c t ，适用于大电流( 1 0 0 0 a 以上) 、低频率( 1 0 0 0 h z 以下) 的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护。在推广应用和 器件竞争中未能完全取代g t o 。i g b t 作为第三代电力电子器件，因其工作电压 较低，其作为逆变主回路器件的高压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波 对电网的污染及减少系统和电动机的电应力等的良好性能，在多电平级联式变频 装置中有着广阔的发展前景【2 巧j 。 综上所述，中高压电气应用领域要求变频器系统稳定以承受高电压，动态性 第一章绪论 能好，对电网和电动机产生的谐波少，易于实现，成本低等。 1 3 多电平逆变器概述 电平数就是电压型逆变器输出的波形中从正的最大值到负的最大值之间所 包含的阶梯数， 而多电平逆变器是指这种逆变器输出电压波形中的电平数等于或大于3 的 逆变器，如三电平逆变器、五电平逆变器等。 多电平逆变器的产生主要是由于传统的两电平变换器无法满足中高电压等 级的应用场合对功率变换的要求。采用器件的串并联可以用两电平直接实现高电 压大电流功率逆变电路，但是由于不能保证器件的完全一致性，同时开通或关断 串联的多个器件，会带来开关器件的动态均压等问题，严重影响系统的可靠性。 采用降压一普通变频升压的方法，或者采用变压器耦合的多脉冲逆变器也可以实 现高压大容量功率变换。但是变压器的引入，使得系统无论在体积上还是成本上 都大大增加。除此之外，采用降压普通变频升压的方法还会出现中间低压环节 电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等缺点。为了克服 这些缺点，人们都希望采用直接的高压大功率逆变方式，这就必须采用多个耐压 低的开关器件串联使用。但这种串联使用方式存在着静态和动态均压问题，均压 电路会导致系统复杂化、损耗增加、效率下降。因此，一种通过逆变器自身的电 路结构改进，达到既无需升降压变压器，又无需均压电路的多电平逆变器应运而 生，为解决高压大功率逆变取得了突破性的进展。这种逆变器的优点是：输出电 压电平数的增多使输出电压更接近于正弦波，开关器件所承受的电压应力减小， 无需使用均压电路，开关器件工作于基频，开关损耗小，e m i 小。 自从a n a b a e 等人于1 9 8 0 年提出中点钳位式逆变器以来，这种逆变器已经 成为研究的热点。尤其是以g t o 、i g b t 、i g c t 为代表的第三代电力电子器件 的迅速普及，为多电平p w m 逆变器的实际应用创造了必要的物质基础。多电平 逆变器经过近三十年的发展历史了，在这其中，产生了大量的拓扑结构，长时间 的研究和实践检验，有些已经被彻底的淘汰，有些正处于研究阶段，只有很少一 些被应用到生产实际中。 目前这种逆变器主要有两种结构形式：( 1 ) 是在传统的两电平逆变器半桥式 结构的基础上，按照相同的半桥式结构，通过增加直流分压电容将直流电压分压 成多种直流电压，让后通过加入钳位电路和增加开关管的串联个数构成的半桥式 多电平逆变器，用不同的开关切换组合得到多电平的输出；( 2 ) 是利用单相全桥 式逆变器( 即h 桥) ，通过直接串联叠加组成级联式多电平逆变器，每一个单相 第一章绪论 全桥式逆变器的直流电源必须是独立的直流电源时才能进行级联。独立直流电源 的电压可以相等，也可以不相等。不同的直流电压的取法，可以得到不同电平数 的电压输出。除此之外还有一些其它的衍生结构。根据现有资料可以把多电平逆 变器进行分类如下： 二极管中性点钳位式 1 4 脉宽调制( p w m ) 技术在中高压变频器控制中的应用状况 德国人a s h n o u n g 在1 9 6 4 年把脉宽调制( p w m ) 技术从通信技术领域引入 到d c a c 的逆变环节的控制中，这对后来的交流变频调速系统的发展起到了极 大的促进作用。p w m 控制是变频调速系统的核心，任何控制算法几乎都是以各 种p w m 控制方式实现的。经过几十年的发展，现已派生出了几种比较成熟的 p w m 控制方式：( 1 ) 正弦波p w m ( s p w m ) ，这种p w m 调制方式以正弦波形 为信号波，其脉冲宽度是由正弦波和三角载波自然相交生成的；( 2 ) 快速电流 跟踪p w m 技术，采用这种p w m 调制的逆变器为电流控制型的电压源逆变器， 一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流；( 3 ) 磁链跟踪控制p w m 技术，这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流 电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来 跟踪基准磁链圆型，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。由于磁 榜 毫 式 劫 弑 弑 倒式忙 瓣 溅 僦倒勖 襁 獭 嗽僦槲 嘶 蜥 一 一 | 藿一 一 卜糕删糍黼黼一删 麟鋈u 嬲 一一 一一 钳j 级丑 层 第一章绪论 链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法；( 4 ) 直接转 矩的智能控制p w m 技术，而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的 空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的 开关模式，使系统性能改善。( 5 ) 双p w m 控制技术，“交一直一交”电压型逆 变器是目前最广泛使用的形式，但常对电网构成谐波污染 6 - g 。 对于多电平逆变器适合的p w m 控制主要有如下几种： 多电平逆变器的p 咖控制 消谐波法p 删( s h p w m ) 开关频率优化p 删法( s f o p w m ) 载波三角波p l m 控制法 载波层叠p 喇( c d p 删) 载波三角波移相s p 聊法( p s p 嘲) 载波三角波移相一开关频率优化p 喇法( p s s f o p 咖 脯波与一合控制法篇嚣黧篓篙黼结合 多电平消除特定谐波c s h e p 删， 裂鑫 空f b - 电压相量p 硼法( s v p 聊) 控制法适用的多电平电路：空间电压相量控制法，适合于3 , - - - 5 电平逆变器， 5 电平以上的多电平逆变器，不适合适用空间电压相量控制法，因为它使电路非 常复杂。对于5 电平以上的多电平逆变器，适合采用载波三角波p w m 控制法， 它可以使电路大大简化。 s h p w m 法和s f o p w m 法，既可以用于二极管钳位式电路，飞跨电容钳位 式电路，也可以应用于具有独立直流电源的级联式电力，而p s p w m 和 p s s f o p w m 法适用于级联式电路。 s f o s p w m 和p s s f o p w m 法由于在正弦调制波中注入了零序谐波分量， 因而只适用于三相逆变器。 对于单相具有独立直流电源的级联式多电平逆变器，p s p w m 法的控制效果 最好。 对于三相具有独立直流电源的级联式多电平逆变器，p s s f o p w m 法提高了 等效开关频率，故此s f o p w m 法具有更好的控制效果。 阶梯波与e p w m 联合控制法，可调压s h e p w m 法，适合于所有多电平逆 变电路。而s h e p w m 法与s p w m 法的混合应用控制法，则适合于应用在具有 独立直流电源的不同开关器件，不同直流电压数值的混合单元级联式多电平逆变 器上。 本质上，各种p w m 控制方法都是要控制变频器的各逆变单元的电力电子开 关的开通、关断时间和次序，输出可调宽度的脉冲列来拟合正弦波作为输出。当 然，各种不同的p w m 控制方法在实现的难易程度，对输出端和电网的谐波污染， 第一章绪论 以及系统的稳定可靠运行的着眼点不同。p w m 控制的变频器被广泛采用是因其 具有以下一些显著的优点： 1 采用不可控整流桥，使变频器对电网的功率因数与其输出的电压值无 关，从而提高其功率因数。 2 由于采用不可控整流桥，使整个系统的控制简化，只针对逆变单元进行 控制，但能实现调压调频的同步进行，所以其调节响应快速，整个系统的动态特 性好。 3 采用p w m 控制的变频器与传统的变频器相比，体积小、重量轻、可靠 性高。 4 由于p w m 控制具有良好的控制性能，可以较好的把输出电压和电流波 形拟合成正弦波，有效的抑制了谐波【7 8 】。 1 5 本文的主要研究内容 。多电平逆变器在中高压逆变装置中的应用是近年来的一个研究应用热点，多 电平拓扑的逆变器已经成为中高压变频器主电路的首选方案。本文主要针对多电 平逆变电路拓扑及调制策略的相关问题展开研究。 本文通过对现有拓扑和控制的原理及优缺点分析，将“多电平逆变电路基本 单元这个概念加以推广，并且由基本单元构造出了通用式多电平逆变电路拓扑 结构。这种结构是一种通用的拓扑结构，是构成其他逆变电路的基础，本文分析 了其与其他各种电路的关系，并根据通用逆变电路的优点，给出具有针对性的控 制算法，采用仿真实验证明其可行性。 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 多电平逆变器经过了二十多年的发展，产生了大量的拓扑结构，经过长时间 的研究和实践检验，有些已经被彻底的淘汰，有些只有研究和学术价值，只有很 少一些被应用到生产实际中。研究多电平拓扑的目的是为了实现多电平的输出电 压，以使逆变器能够应用于更高等级的电压场合，提高输出电压的谐波性能。研 究各种拓扑的特点，分析和明晰各种拓扑之间的联系和区别，对于进一步研究拓 扑具有重要意义。 2 1 最初的三电平逆变器 图2 1最初的三电平逆变器的拓扑 最先应用的多电平逆变器是三电平拓扑结构。图2 一l 给出了一个最初的三电 平结构【9 】。可以看到和普通两电平逆变器不同的是由二极管和三级管组成的两个 单向回路构成了0 电平的输出通路，实现了三电平的电压输出。随着电力电子器 件的发展，当i g b t 等器件被发明并应用到实际中后，考虑到各个半导体开关管 承受压降的统一性并适当的调整各开关管的位置，最终得到比较实用的拓扑如图 2 2 ( a ) 所示因为最外侧的两个开关管有可能承受2 e 的电压，因此采用两个管 子串联来保证每个管子承受反向关断电压为e 。另外，在中间支路上用两个反串 联的i g b t 及其各自的反并联二极管就完全能够实现图2 中0 电平输出支路的 功能。各对开关管的导通规律如图2 2 ( b ) 所示。在相电压为e o 之间，丝，； 趾始终导通，s 1 ，s 2 始终关断，s 3 和盟切换，堕导通时输出为一e ，s 3 导通时 为0 。在相电压为o e 之间时，s 2 ，s 3 始终导通，丝，堕始终关断，s 1 和盟 切换，s 1 导通时输出为e ，盟导通时为0 。这样最外侧支路的两个管子中，一 个管子( s l 坦) 只在半个周期中处于频繁切换状态，而另一个管子( s 2 s a ) 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 每个基波周期只开关一次，大大减小了损耗；同时这种导通方式也避免了串联器 件同时开通和关断带来的均压问题。不过由于换流问题和控制的复杂性，这种拓 扑方式除了三电平之外，实际应用中并没有向更高电平发展。 ( a ) 图2 2 三极单元逆变器结构及导通规律 2 2 钳位式多电平逆变器 ( b ) 随着多电平逆变器的发展，钳位式多电平逆变器以其许多实用的优点逐渐成 为了主流的电路结构由。根据第一章的介绍已经知道，钳位式多电平逆变器主要 包括二极管钳位式多电平逆变器及飞跨电容钳位式多电平逆变器，另外还包括混 合钳位式多电平逆变器和有源中点钳位式多电平逆变器。 2 2 1 二极管钳位式多电平逆变器 二极管钳位式多电平逆变器( n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ：n p c ) 的三电平实现电 路如图2 3 所示。 图2 3 二极管钳位式三电平逆变器 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 三电平n p c 结构可以看成是三极单元的一种特殊实现方式，三极单元中实 现双向电流通路功能的支路，有内部开关管和钳位二极管构成的两个电流单相支 路所取代，节省了所需要的开关器件，简化了结构1 1 。n p c 的结构很容易扩展 成更多电平，在第三章会有详细分析。 n p c 的优点： 1 输出电平数多，谐波含量少。 2 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小效率高。 3 可控制无功功率流。 4 系统连接简单。 但是n p c 也有其难以解决的问题 1 2 - 1 3 】： 1 随着电平数增加，为了保证钳位二极管能够承受相同的反向电压，钳位 二极管的数目按照电平数目的二次方快速增加。 2 二极管钳位型逆变器如果采用单一直流电源供电，母线上各个电容的电 压很难控制平衡。 3 内外管的开关应力或者说损耗的不平衡。根据其导通关系可以看到内管 比外管导通时间长，因此承受了更大的开关应力。逆变器设计时需要考虑开关管 的最大开关应力来决定系统的容量，不利于开关管的充分利用。三极单元拓扑也 存在这个问题。 4 二极管钳位型逆变器中钳位二极管只能保证两个最外面的开关管被可靠 钳位，其承受管压降不会超过v d 以，而内部的开关管并没有被直接钳位， 因为 线路杂散电感的影响，这些管子可能会承受大于v d c 2 的静态电压，这显然对系 统安全性是不利的。 2 2 2 电容钳位式多电平逆变器 图2 - 4 混合钳位式三电平逆变器 为了解决不能可靠钳位造成的开关管的承受电压压不平衡的问题，产生了利 用增加的钳位电容构成的混合钳位拓扑【1 4 ，有利于解决n p c 拓扑中内管不能可 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 靠钳位以及直流母线电容平衡的问题，如图2 4 所示。利用电容作为钳位器件钳 位电容的引入给多电平拓扑提供了一个新的思路。 s 1j 匝 c 4 1 = c a r c 4 2 = 辛震 n = l 3 2 = & 3 = c 3 3 = c “= s 4 j 匝 图2 5 飞跨电容钳位式五电平逆变器 单纯采用电容钳位的飞跨电容钳位式多电平逆变器( f l y i n gc a p a c i t o r m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ：f l c ) 如图2 5 所示【1 5 。1 7 】，与二极管钳位型多电平不同的是， 电容钳位型多电平的钳位器件由二极管换成了电容。这些电容除了钳位作用以 外，其本身所具有的电压输出能力使得输出某一电平电压的开关状态不只一种， 虽然增加了复杂程度，但更多的冗余开关状态也使得其p w m 和电压控制更加灵 活。为了维持这些钳位电容的电压，一般采用载波移相p w m 的方法，保证一个 周期内每个钳位电容的输出和输入能量相等。电容钳位型逆变器不存在母线电容 电压平衡问题，开关管之间开关应力不同以及耐压不平衡的问题。但是随着电平 数增加，钳位电容的数量也大大增加。大量电容的引入增加了系统的成本和体积， 而频繁的充放电使得电容的寿命减小，进而影响整个系统的寿命和可靠性。在实 际系统中，电容的故障率要远远大于开关管的故障率。相比较而言，在三电平逆 变器中，尤其在中低电压下，由于所需钳位电容的大小和开关频率成反比，n p c 具有较大优势。而在更高电平的逆变器上，因为二极管钳位型存在着母线电容电 压平衡问题和非直接钳位等问题，电容钳位型更有可能应用到实际当中。 2 2 3 有源中点钳位式多电平逆变器 ， 为了进一步解决n p c 中非直接钳位和开关应力不同的问题，提出了有源中 点钳位型逆变器( a c t i v en p c - a n p c ) 如图2 6 所示结构。相比n p c ，三电平 的a n p c 结构用带反并联二极管的i g b t 来代替原来的钳位二极管，多用了两个 开关管。而在实际n p c 系统中，出于器件特性一致性的考虑，一般用i g b t 中 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 寄生的反并联二极管来做钳位二极管。有源中点钳位结构正是利用了这个特点， 把原来没用的i g b t 开关管利用起来，和反并联二极管一起可以保证可靠的钳位。 另外，在n p c 中，内外管的损耗不平衡，两个内管比外管的开关和导通损耗要 多。a n p c 增加的两个可控器件可以增加零电平时候的电流通路，根据需要选择 合适的电流通路可以把原来内管上的损耗一定程度上分散到钳位开关管上，尽 可能平衡各管之间的损耗。经过分析可以得到，采用a n p c 的结构可以比传统 的n p c 方法提高2 0 的系统容量或者8 5 的开关频率，这对于实际应用是很诱 人的。当然这也是以半导体器件的增加和控制的复杂作为代价的 1 8 - 1 9 】。 图2 - 6 有源中点钳位型逆变器 2 3 级联式多电平逆变器 图2 - 7 级联式多电平逆变器 级联型多电平逆变器如图2 7 所示，整个系统由几个单相全桥电路级联而成， 每个单相全桥电路由一个独立的直流源供电无需大量钳位二极管、电容。从结构 上讲，级联型多电平逆变器没有直流侧电压不平衡的问题，但是，需要额外的独 立直流电源。由于其采用h 桥作为基本功率单元，控制技术成熟，具有模块化 布局与封装的优点，在高电压驱动方面取得了较好的应用1 2 0 j 。 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 2 4 衍生拓扑 上面给出的几种基本拓扑，除了可以根据自身的特点往更高电平拓展之外， 还可以通过适当的组合和变形，生成新的拓扑。 2 4 1层叠式多单元逆变器 当电压等级升高时，飞跨电容钳位多电平逆变器将使你便其中储存的能量增 加，这将直接导致钳位电容个数和总体积急剧增大。例如当电容承受的电压上升 一倍时，原来使用一个电容的地方必须要使用两个电容才行，为了把持原有的电 容的容量不变，还得再并联两个电容，两并两串共需要4 个电容，使电容体积增 大到4 倍。特别是对于6 0 0 0 v 以上的逆变器，钳位电容的体积和价格将成为逆 变器设计中必须要考虑的一个重大问题。为此法国学者g g a t e a u t a m e y n a r d 和 h f o c h 于2 0 0 1 年提出了层叠式多电平逆变器( s t a c k e dm u l t i c e l lc o n v e r t e r ：s m c ) 。 s m c 是结合电容钳位型和多极开关单元两种多电平拓扑思想的产物【1 1 1 。图2 1 3 给出了一个s m c 的结构图 2 l 】。对于这样一个n * p 的层叠式多单元逆变器( n 代 表单元数，p 代表堆叠数) ，可以看成是p 个n 单元的m u l t i c e l l ( 电容钳位型) 层叠而成。另一方面，它也可以看成n 个p p o l ec e l l 连接得到。相比较而言，与 其认为是m u l t i c e l l 的层叠，不如理解为m u l t i p o l ec e l l 的串连扩展来得更为简单 直接。在输出同样电平数目的时候，s m c 在不损失m u l t i c e l l 的动静态性能情况 下，能够大大减少钳位电容的数目和容量，对降低系统的成本和复杂程度，提高 系统的可靠性都有很大优势。 、 厂、 厂、 a 3 e 2a 2 e 2a l e 2 i ：g i ig鬟 一 召 ( ) id 一 5 一 一一 i 一 c l 瞪 3 eb 3 2 b 2 耙b l k o n d，r 、 ，、r 、s l 、 a 3 e l 、一 a 2 e l 、 a l e l i ( ) ：孝 - 2 e 器 ：孝g 一e 3 e b 本lb t e l b 3 p l j 弋 、鸟 l人人 图2 8 层叠式多电平逆变器 如图2 - 9 ( a ) 所示一个3 * 2 的s m c 结构的发展，就可以认为是三个三极单 元通过电容串连而成。其标准的调制策略是按照一个三极单元的调制方法，按照 3 6 0 p 的相移分配到各个单元里去。又因为n p c 可以看成是三极单元的一种特殊 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 方式，所以n p c 也可以结合到s m c 中，作为最后一级接到拓扑当中，如图2 - 9 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图2 - 9s m c 的拓扑扩展 2 4 2 有源中点钳位型多电平逆变器 ! 。j ( a ) 1 4 第二章多电平逆变电路主要拓扑结构及演变 ( b )( c ) 图2 1 0 有源中点钳位型多电平逆变器 和以n p c 为基本单元类似，有源中点钳位( a n p c ) 的结构也很容易推广到 多电平，只是把图2 3 中的钳位二极管换成带反并联二极管的开关管即可。不过 如果把有源中点钳位型和电容钳位型结合起来就可以得到一些新的拓扑结构。根 据这一思想，提出了一种新的有源中点钳位型多电平逆变器( a n p cm u l t i l e v e l c o n v e r t e r ) 。加入钳位电容之后，能够很好的对级联器件实现钳位功能，输出更 多电平。如图2 1 0 ( a ) 所示就是一个这种a n p c 的五电平结构，其中三个单元 ( 图中虚框所示) 都可以看成是电容钳位的三电平结构，然后按照a n p c 的结 构组合起来构成一个五电平的新拓扑结构。进一步省去电容还可以得到如图 2 1 7 ( b ) 和( c ) 的两种结构【2 2 。2 3 1 。省去的钳位电容会对其电容电压平衡性造成 一定的影响，但通过适当控制仍然是可以稳定运行的。 2 5 结论 通过本章的分析介绍可知目前的几种基本拓扑结构均有相应的优缺点。因此 对多电平逆变器的拓扑结构进行研究，应从简化结构、模块化的角度出发，在现 有的多电平拓扑结构的基础上，构造出新的多电平拓扑结构。理想的多电平逆变 器拓扑结构应具有以下特征：( 1 ) 电平易于扩展：( 2 ) 尽量少的独立直流电源； ( 3 ) 没有电压平衡问题；( 4 ) 模块化结构。因此，对于特定的应用场合，可 以研究不同拓扑的基本单元之间，以特定的联结的方式所构成的多电平结构，来 解决现有拓扑结构存在的问题，同时，对组合拓扑结构的调制策略进行研究。 第三章基本单元分析法构造逆变电路 第三章基本单元分析法构造逆变电路 3 1 多电平逆变器的基本单元分析 对于各种结构形式的多电平逆变器，为了得到所需要的多电平输出，至少应 该满足两个条件：一是在输入端必须有多个基本的直流电平；二是必须有由有源 和无源开关器件组合而成的基本逆变单元，用来将基本电平合成多电平电压输 出。目前对于基本逆变单元的构成应满足两个基本特性：一是必须可控，这样才 能在适当的时刻进行所需要的开关变换，使其按要求合成出多电平输出电压。因 此基本逆变单元必须包含有源开关器件；二是要使无源器件和对应的有源开关器 件成对出现，且导通方向相反，以保证电能流动的双向性和连续性。 根据任意开关都与电压源串联，节点必须在电流源上的原则，可得到基本逆 变单元的拓扑如图3 - 1 所示。图中的电压源在实际电路中也可采用电容，可控开 关即为电力电子开关器件和反并联二极管的组合。通过在适当的时候控制开关和 s 2 互补动作，即可得到不同的电平值。 图3 - 1 基本逆变单元的拓扑 ， 如图3 2 所示，单相全桥逆变电路就是2 个基本单元的并联组合。当对其采 用双极性调制，即可得到两个输出电平圪k 和巧一圪；若用单极性调制，可得： 圪一巧、0 和所圪，即为三电平逆变器。由此可得：逆变器的输出电平不仅与电 路拓扑有关，而且还取决于其控制方式。 第三章基本单元分析法构造逆变电路 基本单元的串联组合如图3 3 所示。通过对s l s 4 通断状态的控制，在输出 端可得到虼圪，玖，圪一n 和0 这四种电平【2 4 1 。具体分析如下： 图3 2 基本单元的并联 图3 - 3 基本单元的串联 状态1 ：s 1 和s 3 同时开通时；1 v 0 2 = 巧圪； 状态2 ：s l 和s 4 同时开通时，1 一= 玛巧； 状态3 ：s 2 和s 4 同时开通时，1 v 0 2 = 圪巧； 状态4 ：s 2 和s 3 同时开通时，1 = 0 以上这两种结构即是采用基本单元所构成的，它们是分析多电平逆变电路的 基础。 第三章基本单元分析法构造逆变电路 3 2 多电平基本单元概念的提出 从上节的分析中可知，所有的电力电子电路都可以归结为多个电力电子基本 拓扑单元的组合。例如单相全桥电路就是用两个单相半桥电路作为基本单元并联 而成的。针对逆变电路拓扑设计的要求，可以把“基本拓扑单元”这个概念加以 扩展。如果把传统的电力电子基本拓扑单元称为二电平基本单元的话，就能得到 一系列适用于组成新型多电平电路的多电平基本单元。比如说3 电平基本单元、 5 电平基本单元、n 电平基本单元等等，下面说明这些单元的具体构成方 法。 3 电平基本单元可以由所有输出电平个数为3 的半桥电路构成1 2 5 - 2 6 】。比如： 三电平二极管钳位电路如图3 - 4 ( a ) 所示，三电平电容钳位电路如图3 - 4 ( b ) 所 示等。 a ( a ) ( b ) 图3 _ 4 三电平基本单元的拓扑结构 5 电平基本单元可以由所有输出电平个数为5 的半桥电路构成。下面给出一 种可作为5 电平基本单元的n p c 拓扑如图3 5 所示 2 7 - 2 8 】。 由此可得如下结论：n 电平基本单元可以由所有输出电平个数为n 的单相半 桥电路构成。 需要说明的是，虽然理论上可以构成n 电平的基本单元，但由于随着输出电 平数的上升，电路会变得十分复杂，目前大于7 电平的半桥基本单元就已经很难 第三章基本单元分析法构造逆变电路 实现了。因此，较为实用的多电平基本单元是2 电平、3 电平和5 电平这几种低 阶的基本单元。 图3 5 五电平基本单元的拓扑结构 3 3 组合式多电平逆变器电路的构造 为了能使多电平逆变器输出更多的电平，就必须用更多的基本单元进行复杂 的组合。用基本单元组合成多电平逆变电路的方式主要有两种：( 1 ) 将基本单 元先并联后串联；( 2 ) 将基本单元先串联后并联。通过基本单元的不同组合形 成不同的多电平逆变电路，不同的电路具有不同的逆变特性，基本单元串联或并 联的个数越多，得到的输出电压的电平数越多，谐波含量越少。 第三章基本单元分析法构造逆变电路 3 3 1 基本单元先并联后串联组合电路 将基本单元先并联后串联如图3 - 6 所示，图中由两个基本单元先并联成h 桥 结构后，在由两个h 桥的输出端相互串联得到5 电平逆变器( h 桥采用单极性 控制) ，实际上是一种级联式逆变器，级联式多电平逆变器的电路就是先将基本 单元并联形成单项全桥逆变器或h 桥结构后，再将多个h 桥电路的输出端进行 串联形成的。 图3 6 基本单元先并联后串联组合电路 3 3 2 基本单元先串联后并联组合电路 基本单元先串联后并联如图3 7 所示，可以组成钳位式