（电气工程专业论文）三电平逆变器载波pwm方法的研究.pdf

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、 a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，t h r e e l e v e li n v e r t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nh i 曲p o w e r a cf r e q u e n c yc o n v e r s a t i o nf o rs p e e da d j u s t m e n t ，m a i n l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c h a si t sl a r g eo u t p u tc a p a c i t y , h i 曲o u t p u tv o l t a g ea n ds m a l lc u r r e n th a r m o n i cc o n t e n t t k st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o d so ft h r e e - l e v e l i n v e r t e rd e e p l ya n dc a r r i e so nt h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o ns t u d yo nc a r r i e rp w mm e t h o d s o f n p ct h r e e 1 e v e li n v e r t e ri nd e t a i l f i r s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a t i o na n da c t u a l i t yd e v e l o p m e n t o fm u l t i - l e v e li n v e r t e r s e c o n d l y , i tr e s e a r c h e st h r e ek i n d so fb a s i ct o p o l o g ys t r u c t u r eo f t h r e e l e v e li n v e r t e ra n dd i s c u s s e s w o r k i n gp r i n c i p l e a n dt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fa l lk i n d so fs t r u c t u r e b a s e do nt h i s ，t h et h e s i sa l s or e s e a r c h e sp w m c o n t r o lm e t h o d so fm u l t i 1 e v e li n v e r t e ra n di n t r o d u c e st h ec a r r i e rp w mm e t h o do f t h r e e 1 e v e li n v e r t e ri nd e t a i l 1 1 1 et h e s i sp r o p o s e st h r e ek i n d so fn e wc a r r i e rp w mm e t h o d sb a s e do nt h ei d e ao f c o n t r o ld e g r e e sf r e e d o mc o m b i n a t i o na n dt h es e v e r a le x i s t i n gc a r r i e rp w mm e t h o d s m 灯i a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e li ss t r u c t u r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ， t h eu t i l i z a t i o no fd cv o l t a g eo ft h ep h a s eo p p o s i t i o nc a r r i e ro v e r l a p p i n gs w i t c h i n g f r e q u e n c yo p t i m a lp w mm e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i si sb i g g e rc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l c a r r i e rp w mm e t h o d s h o w e v e r , t h ed i s a d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di sb i g h a r m o n i c b e s i d e s ，b a s e do nt h eb a s i ct o p o l o g ys t r u c t u r eo fn p ct h r e e l e v e li n v e r t e r , t h i s t h e s i s a n a l y z e st h er e a s o n so fn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a l u n b a l a n c ea n dc a r r i e so n s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nc a r r i e rp w mm e t h o d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h e n e u t r a l - p o i n tv o l t a g eo f f s e to fp h a s eo p p o s i t i o nc a r r i e ro v e r l a p p i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c y o p t i m a lp w m m e t h o di sr a t h e rs m a l l ，h a v i n gl i t t l ed i f f e r e n c ew i t ho t h e rm e t h o d s f i n a l l gt h et h e s i sa n a l y z e st h er e a s o n so fc o m m o n - m o d ev o l t a g ei nt h r e e l e v e l i n v e r t e ra n dt h e i n f l u e n c eo fc a r r i e rp w mm e t h o d so nc o m m o n - m o d ev o l t a g e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp h a s eo p p o s i t i o nc a r r i e ro v e r l a p p i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c y o p t i m a lp w mm e t h o dc a nr e d u c ec o m m o n - m o d ev o l t a g e i no r d e rt oe l i m i n a t et h e i n f l u e n c eo fc o m m o n - m o d ev o l t a g e ，t h et h e s i sa l s op r o p o s e san e wp w mm e t h o dt o e l i m i n a t ec o m m o n - m o d e v o l t a g ea n d c a r r i e ss i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o na b o u ti t v q - l k e y w o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ；c a r r i e rp w mm e t h o d ；n e u t r a l p o i n tv o l t a g e b a l a n c e ；c o m m o n - m o d ev o l t a g e c l a s s n 0 ：t m 4 6 4 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v 1引言1 1 1多电平逆变器的产生背景和意义1 1 2多电平逆变器的发展过程及研究现状。3 1 2 1 多电平逆变器的发展过程3 1 2 2 多电平逆变器的研究现状4 1 3本文所做工作。6 2三电平逆变器拓扑结构7 2 1 二极管箝位型三电平逆变器一7 2 1 1 拓扑结构与工作原理7 2 1 2 二极管筘位型三电平逆变器特点1 0 2 2飞跨电容型三电平逆变器1 1 2 2 1 拓扑结构及工作原理1 1 2 2 2 飞跨电容型三电平逆变器特点1 3 2 3级联型多电平逆变器1 4 2 3 1 拓扑结构及工作原理1 4 2 3 2 级联型多电平逆变器特点1 6 2 4本章小结1 7 3三电平逆变器p w m 控制方法19 3 1 多电平逆变器p w m 控制方法。1 9 3 2三电平逆变器载波p w m 控制方法2 4 3 2 1 载波层叠p w m 方法2 4 3 2 2 载波反相层叠p w m 方法。2 5 3 2 - 3 开关频率优化p w m 方法2 6 3 2 4 载波交叠p w m 方法一2 7 3 2 5 载波交叠开关频率优化p w m 方法2 7 3 3本章小结2 8 4三电平逆变器新的载波p w m 控制方法2 9 4 1 控制自由度组合的思想2 9 4 2 新的载波p w m 控制方法2 9 4 2 1 反相开关频率优化p w m 方法一2 9 4 2 2 载波反相交叠p w m 方法。3 0 4 2 3 载波反相交叠开关频率优化p w m 方法3 0 4 3载波比对输出电压的影响分析3 1 4 3 1 上下载波同相3 1 4 3 2 上下载波反相3 5 4 4仿真分析3 8 4 4 1 仿真模型的建立3 8 4 4 2 仿真结果4 0 4 5本章小结：4 4 5 三电平逆变器中点电位平衡问题的研究4 5 5 1中点电位平衡问题产生的原因4 5 5 2载波p w m 控制方法对中点电压影响的仿真分析4 6 5 2 1 高调制度下的仿真结果4 6 5 2 2 低调制度下的仿真结果4 9 5 3本章小结5 l 6三电平逆变器共模电压问题的研究5 3 6 1共模电压的定义5 3 6 2逆变器共模电压的产生原因5 5 6 3载波p w m 控制方法对共模电压影响的仿真分析5 6 6 3 1 高调制度下的仿真结果5 7 6 3 2 低调制度下的仿真结果5 9 6 4消除共模电压的载波p w m 方法6 2 6 4 1 基本思想6 2 6 4 2 仿真研究6 4 6 5 小结6 5 7 结论6 7 参考文献6 9 作者简历7 l 独创性声明7 3 学位论文数据集7 5 1 引言 1 1 多电平逆变器的产生背景和意义 电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的学科，其主要任务 就是“随心所欲 地使用电能高效率地提供任意形式的电能。作为- - i - j 集电 子技术、电磁兼容技术、功率集成、传感技术、自动控制、计算机控制技术、材 料科学和热工等学科为一体的新型交叉学科【l 】，电力电子技术在国内外得到了普遍 重视和广泛的研究。因而，自2 0 世纪5 0 年代诞生以来，电力电子技术经过半个 世纪的飞速发展，至今已被应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用 电领域，电力电子技术各方面已渐趋成熟，其将来的研究目标是高功率密度、高 效率和高性能；而在高压大功率输配电领域，其各方面的技术正成为当今电力电 子技术的研究重点1 2 。 高压多电平逆变技术被公认为是电力电子技术领域的一颗明珠，集电力电子 技术、电机控制技术、通讯技术和计算机控制技术于一体，它通过将直流电源转 换成频率可调的交流电来实现对交流电机的无级调速或控制其它设备的运行。多 电平逆变器广泛应用于高压、大功率电力电子装置和设备中，是当前的研究热点， 其基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接成可以提供多种输出电平的 电路，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以输出逼近正弦的交 流电压【3 j 。多电平逆变器的研究背景和意义在于： ( 1 ) 多电平逆变器的发展是节能和环保的需要【4 j 【5 j 【6 j 。 能源短缺是当前人类面临的共同的世纪性难题。2 0 世纪7 0 年代以来爆发的两 次世界性的能源危机以及当前存在的严重的环境问题，引起了世界各国对节能技 术的广泛关注。据统计，全球石油储量只够用3 0 - 5 0 年，而我国剩余的开采量只 有世界人均水平的1 1 0 ；我国煤炭的人均储量也只占世界平均值的1 2 。与发达国 家相比，我国仍是一个能源利用率较低的国家。因此，确立节能在国民经济发展 中的战略地位，不断提高能源利用效率，是我国经济、能源、环境可持续协调发 展的重要保证。 众所周知，在工业应用领域，高压大功率电动机的应用占主要地位，它是电 力、工矿、化工、冶金和造纸等企业中的主要动力。例如：电力工业的给水泵、 引风机，钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机，石化行业的压缩机等 等，它们的驱动电机都是4 0 0 - - 4 0 0 0 0 k w ，3 - l o k v 的高压大功率电动机，消耗的能 量占电动机总能耗的7 0 以上，而且绝大部分都有调速的要求但缺少节能调速的 手段。目前，我国高压电动机的驱动都是恒压恒频控制，如果采用变频方式控制 高压电动机至少可节约2 0 的电能。因而将多电平逆变技术应用于高压大功率风 机和水泵类负载的变频调速具有现实的节能意义。 环境污染问题也是人类当前面临的共同难题。电能的生产、变换、输送、使 用在很大程度上会影响到环境。电能的生产一般伴随着二氧化碳、二氧化硫等气 体的排放，前者是地球温室效应的原因之一，后者是酸雨的成因，二者对环境的 危害都很大，少生产一点电能即可换得环境少一点恶化。生产的发展必然要加大 电力的需求，因此，降低成本主要在于节约能源，减少电力的浪费。这就要求提 高电源装置、电能变换系统的工作效率， 装置在电磁兼容性方面达标。节约电能、 必行。 另外，干净的电磁环境也要求电能变换 电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在 ( 2 ) 多电平逆变器的发展是提高电气传动性能的需要【丌。 在传统工业技术改造场合，高压大功率交流电机变频调速技术正在被推广使 用，并逐步取代直流电机调速技术占到了主导地位。交流电机调速技术已经广泛 应用于造纸、船舶、电力、化工、冶金、铁路和水泥等行业。应用交流电机调速 系统，不仅可以节能，还能够显著提高整个系统的性能，改善工艺条件，大大提 高产品质量和生产效率。 传统的两电平逆变器在高压大容量电机调速应用中，存在以下问题：输出电 压和电流中，除基波分量外，还存在一系列的谐波分量，这些谐波分量会使电机 产生转矩脉动，令转矩出现周期性的波动，从而影响电机的调速和平稳运行；在 中压场合，提高频率在一定程度上可以克服上述某些缺点，但容易产生较高的d u d t 和浪涌电压，从而在电机的线圈中产生很大的共模电压，导致电机轴承故障和转 子绕组绝缘击穿，而且开关器件产生的电压应力和开关损耗将使电机效率降低， 同时产生很高的e m i ，干扰周围电子设备的正常运行；两电平逆变器在高电压等 级场合的应用更是受到限制。而多电平逆变器在工频下工作时，可在一定程度上 克服上述几个问题。将多电平逆变器应用于高压变频器领域，不但可以提高逆变 器的电压等级，还能够减少逆变器输出端的谐波分量，降低输出电流的谐波含量 。 和开关损耗，提高功率因数。 ( 3 ) 多电平逆变器的发展是电力电子技术发展的结果【8 】【9 】【1 们。 ， 电力电子开关器件也称为功率半导体器件( p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) ，是 电力电子技术中用来进行高效电能变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的 新技术核心器件。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，对相同频率( 交 流控制器) 或不同频率( 周波变流器) 的电能进行交一直( 整流器) 、直一直( 斩 2 波器) 、直一交( 逆变器) 和交一交变换。现在应用的电力电子开关器件几乎全部 是建立在半导体材料的基础上的，可分为晶闸管( s c r ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、 门极关断晶闸管( g t o ) 、双极结型晶体管( b j t 或b p t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、 电力m o s f e t 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、集成 门极换流晶闸管( i g c t ) 等。 在器件的控制模式上，从电流型控制发展到电压型控制，不仅大大降低了门 极( 栅极) 的控制功率，而且极大地提高了器件导通与关断的转换速度，从而使 器件的工作频率由工频到中频，再到高频不断提高。在器件结构上，从分立器件 发展到由分立器件组合成的功率变换电路的初级模块，继而发展到将功率变换电 路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器 件从单一器件发展到模块的速度更快，如今已开发出具有智能化功能的模块。 所有这一切为高频逆变技术的开发，为逆变器实现高频化、小型化、轻量化， 为节能、节材、提高效率与可靠性奠定了基础。随着电力电子技术的发展，特别 是绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，集成门极换流晶闸管( i g c t ) 等具有自关断能 力的全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分立元件发展到大规模数字集成 电路并采用微机控制，从而使逆变装置的快速性、可靠性及经济性不断提高，逆 变器的性能也不断得到完善，多电平逆变器便应运而生。 近几年来，随着经济的迅猛发展，我国高压变频器的研究开发、生产和应用 都有了巨大的进步。但我国的高压变频器产业与工业发达的国家相比，还有很大 的差距，在国内市场上，高压变频器大部分是国外的产品( 例如：西门子、a b b 、 罗宾康等公司的产品) ，我国的高压变频器产品的开发刚刚处于起始阶段，虽然已 有少量公司( 例如利德华福、山东风光和广东明阳等) 开发出了自己的产品，在 价格上能和国外先进的产品抗衡，但其关键技术和可靠性相对较差。如前所示， 当前和今后很长时间内，我国对高压大容量逆变器的需求巨大，若能研发出具有 自主知识产权的高技术含量的高压变频器，经济效益将十分可观，因此，开展多 电平逆变器的研究十分可行和必要。 1 2 多电平逆变器的发展过程及研究现状 1 2 1多电平逆变器的发展过程 多电平逆变技术的应用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，早在1 9 6 2 年的阿波罗登 月指令舱逆变器中就应用了输出电压电平数大于3 的逆变技术。 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 提出了三电平逆变器主电路及其方案，在两电平半 会上提出了二极管箝位式三电平逆变器的主电路结构，将上面所提辅助开关管变 成一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箝位。该电路 更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线电压的一半，因而更为实用。 1 9 8 3 年，p m b h a g w a t 等人将三电平电路推广到任意n 电平，对中点箝位式 电路及其统一结构作了进一步的研究，为高压大功率变换器的研究提供了一条崭 新的思路。 2 0 0 0 年，在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上，f a n gz p e n g 在综合了多种筘位 式多电平逆变器的特点之后，提出了一种通用式多电平逆变器的主电路结构。它 可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了 一个真正的有实用价值的多电平逆变器的主电路结构【1 1 】。 目前，多电平逆变技术已经成为电力电子学中，以高压大功率变换为主要研 究对象的一个新的研究领域。对于电平数为n 的多电平逆变器，它具有以下突出 优点： ( 1 ) 每个功率器件仅承受母线电压的1 ( n 1 ) ( n 为电平数) ，所以可以用 低耐压器件实现高压大功率的输出，且无需动态均压电路； ( 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压的波形，减小了输出电压波形畸变，使 t h d 值大大降低； ( 3 ) 能够以较低的开关频率获得和两电平逆变器在高开关频率下相同的输出 电压波形，因而开关损耗更小，效率更高； ( 4 ) 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压下，较之两电平逆变器，开 关器件所承受的开关应力d u d t 大为减少；在高压大电机驱动中，能够有效防止电 机转子绕组绝缘击穿，同时可以改善装置的e m i 特性； ( 5 ) 适合高压大容量的场合，它不需要经过中间环节，无需输出变压器，大 大地减小了系统的体积和损耗【1 2 j 。 与传统的大容量逆变器结构相比，多电平逆变器实现了高压大容量化和高性 能化的良好结合，成为电力电子研究体系里的一个新的领域和重要分支。因此， 开展对多电平功率变换技术的研究具有重要的理论意义和工程使用价值。 1 2 2 多电平逆变器的研究现状 多电平逆变器自概念提出至今，在短短的三十年的时间里，已经得到了飞速 4 发展，其主要的研究热点是拓扑结构和控制方式。在拓扑结构方面，主要的研究 方向是减少器件的数量，同时解决电容电压的不平衡问题等，目前主要有三类基 本的拓扑结构：二极管箝位型多电平逆变器( d i o d e - c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 、 飞跨电容型多电平逆变器( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和级联型多电平逆 变器( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 。在控制方式方面，主要的研究方向是输出波 形性能的优化和算法的简化以及算法的通用等，多电平逆变器采用脉宽控制技术 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) ，目前分为三大类：载波p w m 控制法( c a r t i e r p w m ) 、消除特定谐波p w m 控制法( s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ) 和空间 电压矢量p w m 控制法( s p a c e v e c t o rp w m ) 。随着g t o 、i g b t 、i g c t 等大功率 可控器件容量等级的不断提高，以及以d s p 为代表的智能控制芯片的迅速普及， 有关多电平逆变器的研究和应用得到了迅速的发展。 在远距离输电( 跨地域输电) 和非周期输电( 非同步) 的电力系统实现联网 方面，高压直流输电方式优于高压交流输电方式，而直流输电需要构造超大功率 的整流和逆变装置。级联型多电平逆变器输出电压的相位和幅值便于控制与调节， 而且谐波含量较低，有很高的可靠性，再加上其模块化设计的结构简单，因此在 高电压级别的直流输电中得到较多的应用。如巴西伊泰普h v d c 工程的运行电压 最高为6 0 0 k v ，输送功率为3 1 0 0 m w ，线路长8 0 0 k m ，它代表当今世界h v d c t 水平【1 3 】。另外，我国葛洲坝一上海南桥5 0 0 k v ，1 2 0 0 m w 输电工程建设中也用了 此项技术。 中高压交流大电机变频调速是多电平逆变器的另一重要应用领域。在输出相 同质量的电压波形的条件下，多电平逆变器开关器件的电压应力大大减小，工作 频率也大大降低，能够克服两电平高频p w m 逆变器驱动中存在的各种问题，但要 以增多功率开关器件为代价，因而更适用于大电机驱动。随着大功率开关器件耐 压水平的不断提高，二极管箝位型多电平逆变器广泛应用于高性能、高电压、大 容量的电力传动系统中。从1 9 9 6 年到2 0 0 6 年，i g b t 三电平变频调速装置的单机 容量由2 m v a 提高到了2 0 m v a ，而以g t o 、i g c t 为主开关的装置单机容量 也已经由3 0 m v a 提高到了1 0 0 0 m v a 。日本三菱公司已研制出容量为8 0 m w ， 应用于轧钢的三电平双p w m 高频整流逆变调速系统，以适用于四象限运行及动 态性能要求较高的场合u 钔。 目前，国际上许多著名的电气公司，如西门子、阿尔斯通、a b b 、g e 、东芝、 安川、三菱、三星等公司都已生产出了成熟的产品。如g e 公司推出了 “i n n o v a t i o n ”系列变频器，该变频器采用先进的功率器件i g c t ，主电路拓扑 为三电平二极管箝位型结构，控制方法为无速度传感器的矢量控制，性能优越。 a b b 公司推出的三电平a c s l 0 0 0 系列高压变频器，主电路功率器件也是i g c t ， 5 控制方法是无速度传感器的直接转矩控制，具有响应快速、控制简单、调速性能 优越等特点。 近几年，我国对多电平逆变器的研究也逐渐成为一个热点，并有相应产品的 实际应用。如：我国电力系统自动化研究所研究的+ 5 0 0 k v a r 静止无功补偿器，采 用了g t o 三电平逆变技术；成都的东方凯奇电气公司生产的采用i g c t 作为功率 器件的多电平变频器已经进入市场；广东的中山明扬电器公司生产的高压大功率 多电平变频器已经进入实用化阶段【1 5 1 。 多电平逆变器自诞生以来，得到了越来越多的重视，其成熟的产品正逐渐应 用于电力工业的各个领域，市场需求旺盛。在国内，由于高压变频技术仍没有较 大规模形成产业化，落后于发达国家，目前应用的高压大功率装置大部分是引进 国外的产品。而我国又潜在着巨大的高压大功率变频器市场，国家计委预计在今 后1 5 年内，我国变频器总需求的投资额在5 0 0 亿元以上，而其中6 0 , - , 7 0 是高 压大功率变频器。所以，面对世界上各大电气公司的激烈竞争，我们应该加大人 力，物力，财力的投入，加强这方面的研究工作，只有理论先行，才能更好的知 道实际的应用。 1 3 本文所做工作 本文主要从以下几个方面进行了研究： 结构的工作 变器的几种 方法的基础 模型，对各 因，并对各 对共模电压 仿真结果验 2 三电平逆变器拓扑结构 多电平逆变技术自2 0 世纪8 0 年代发展至今，已经在拓扑结构方面出现了多 个分支。目前所见到的多电平逆变器，主要有三类基本拓扑结构：二极管箝位型 多电平逆变器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 、飞跨电容型多电平逆变器 ( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和级联型多电平逆变器( c a s e a d e dm u l t i l e v e l i n v e r t e r ) 。 二极管箝位型、飞跨电容型多电平逆变器适用于高输入电压大功率变换场合， 而级联型多电平逆变器适用于低输入高输出的电压大功率场合。多电平不需要变 压器，只用低频功率开关器件就可以实现高压输入、高压输出和低输出谐波的大 功率变换。 近年来，由这三种基本拓扑又派生出了很多拓扑结构，其中研究比较多的有 以下两种：混合型多电平逆变器( h y b r i dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和通用型多电平逆变 器( g e n e r a l i z e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 。 虽然由通用型多电平逆变器可以推导出二极管箝位型多电平逆变器和飞跨电 容型多电平逆变器两种拓扑结构，但是却不能由它推导出级联型多电平逆变器， 因此，这一拓扑结构从“通用”的意义上来说，并不能完全概括三种基本拓扑结 构，有它的局限性。 本章以介绍三电平逆变器为主，总结了目前常见的三种多电平逆变器的拓扑 结构及工作原理，并阐述了各自的特点。 2 1 二极管箝位型三电平逆变器 二极管箝位型三电平逆变器，也称为中点箝位型( n e u t r a l p o i n t - c l a m p e d ，n p c ) 三电平逆变器，是多电平逆变电路拓扑中发展最早的一种结构。二极管箝位型三 电平逆变器的电路结构首先由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年的i a s 年会上提出的，这种 电路通过多个功率器件串联，按一定的开关逻辑产生所需要的电平数，在输出端 合成相应的正弦波【1 6 】【1 7 1 。 2 1 1 拓扑结构与工作原理 图2 1 所示为二极管箝位型三电平逆变器的主电路结构。三电平n p c 逆变器 的直流侧由两个相同的串联电容组成，每相桥臂都由四个主功率开关管、四个续 7 流二极管和两个中点箝位二极管组成【1 8 】0 9 1 。每个开关管在工作过程中可能承受的 最高电压只有两电平的一半，因此三电平逆变器可以大大降低开关器件的电压应 力，满足高压逆变的要求。电路中箝位二极管的作用是把桥臂上与其相连的点上 的电位箝到零位，也就是直流电压的中点电位。 图2 - 1 二极管箝位型三电平逆变器主电路拓扑结构 f i g 2 - 1t o p o l o g ys t r u c t u r eo f d i o d e c l a m p e dt h r e e l e v e li n v e r t e r 三电平逆变器的每相桥臂的四个开关器件组合，一共可以得到1 6 种开关状态， 但有效状态只有三种。定义三态开关变量s 、& 、品分别表示各桥臂的三种开关 状态。以a 相为例，分析图2 1 所示三电平逆变器主电路的工作情况，用变量s 。表 示a 相的开关状态。 a ( a ) 1 态( b ) 0 态( c ) 一1 态 图2 - 2 a 相的三种开关状态 f i g 2 - 2t h r e es t a t e so f s w i t c h e so f ap h a s e 如图2 2 所示，a 相桥臂共有三个工作状态，输出三种电平： ( 1 ) 当开关管是。、：导通，& ，、见。关断时，输出电压a 直接与直流电压 的正极p 端相连，其等效电路图如图2 - 2 ( a ) 所示。若电流方向为正，则电流从p 点 流经& 。和：到达a 点，忽略开关器件的正向导通压降后，输出端a 点的电位等 同于p 点电位。若电流方向为负，则电流从a 点经过续流二极管晓，和见，流进p 点，此时输出端a 点的电位仍等同于p 点电位。这种状态定义为“l 态，即s a = 1 ， 此时u a o = 2 。 ( 2 ) 当开关管& ：、& ，导通，& 。、& 。关断时，输出端a 相当于直接连接到 分压电容的中性点o 上，其等效电路图如图2 2 ( b ) 所示。若电流方向为正，则电 流从中性点o 点经箝位二极管见，和开关管足，到达a 点，输出端a 点的电位等同 于o 点的电位，即0 电位。若电流方向为负，则电流从a 点经过，和谚。流进o 点，此时输出端a 点的电位仍等同于o 点电位。这种状态定义为“0 态，即s a = 0 ， 此时u _ d = 0 。 ( 3 ) 当开关管，、& 。导通，疋。、& ：关断时，输出电压a 与直流电压的负 极n 直接相连，其等效电路图如图2 - 2 ( c ) 所示。若电流方向为正，则电流从n 点 经续流二极管见。和见，到达a 点，输出端a 点的电位等同于n 点电位。若电流 方向为负，则电流从a 点经过，和。流进n 点，此时输出端a 点的电位仍等同 于n 点电位。这种状态定义为“- l 态，即s a = - 1 ，此时u a d = 一2 。 由此可见每相能够输出三个电平，箝位二极管在负载电流反向时能够起到箝 位和续流的作用。表2 1 列出了二极管箝位型三电平逆变器输出电压与开关状态之 间的关系。主开关管& 。与。的开关状态互补，s o ：与疋。的开关状态互补，s o ，与配。 不能同时导通。每个开关管承受的正向阻断电压为2 ，处于桥臂中间位置的两 个开关管最，、e ，导通时间最长，引起的发热量最大，因而设计时也应以这两个 开关管的散热为准1 1 】【2 0 】。 表2 1 二极管箝位型逆变器输出电压与开关状态之间的关系 t a b l e 2 - 1o u t p u tv o l t a g e sa n ds w i t c h e s s t a t eo f d i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 输出电压状态变量开关状态 s a& l 2& 。s a 4 u k | 2 11100 oool 1 0 一u 赴| 2 10011 注：“1 ”表示开关器件导通状态，“0 ”表示开关器件关断状态。 三相输出相电压，可以分别用三相开关变量邑、& 、& 和输入直流电压来 表示，即： 1 l b 0 = s 8 u 钯2 9 ( 咒= 1 ，0 ，一1 ) ( 品= 1 ，0 ，一1 ) ( 2 1 ) ( s c = 1 ，0 ，- 1 ) 基 = 警 三： 圣 2 1 2 二极管箝位型三电平逆变器特点 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 基于上述的基本分析，总结二极管箝位型三电平逆变器的优缺点如下： 优点： ( 1 ) 三电平n p c 逆变电路对器件的耐压要求不高，开关元器件所承受的关 断电压为直流母线电压的一半。输出电平的d u d t 也大大减小，这使得它对外围电 路的干扰小，对电机的冲击小，对电机绕组的绝缘要求也有所降低。 ( 2 ) 三电平逆变电路的输出电压为三电平的阶梯波，其形状更接近于正弦波， 在开关频率相同的情况下，谐波含量比两电平电路要小得多。 ( 3 ) 三电平逆变器的直流侧采用电容分压以形成多电平，不需要结构复杂的 曲折联结变压器就可直接实现高压大功率，缩小了装置的体积。 缺点： ( 1 ) 与两电平逆变电路相比，三电平逆变电路的主开关管的数量多了一倍， 增加了控制系统的复杂性，且需要大量的筘位二极管。 ( 2 ) 同一桥臂的功率器件的开关频率不同，每相桥臂中部的开关管同靠近直 流母线的开关管相比，前者导通时间远大于后者，造成开关器件的利用率不同。 前者流过的电流较大，因而所承担的负荷也较大。 ( 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡的问题，这是此电路的致命弱点。由于直 流侧电容一个周期内电流的流入和流出可能不同，导致某些电容总在放电，另一 些总在充电，使得电容电压不均衡，最终导致输出电平不对称。中点电压的偏移 会影响到输出电压的对称性，使其谐波含量增大，对整个逆变系统的性能产生很 大的影响。因而需要通过有效