（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的新型不对称六电平逆变器shepwm控制方法研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t w mt h ed e v e l o p m e n to fp o w e ro l e c b - o n i ct e c h n o l o g y , t h ei n v e r t e rt e c h n o l o g yi su s e dv e r y v 岍a o l y t h ei n v o r t o ri st h a tt h ed e v i c ec h a n g e sd ct ok , c s u c h 鹳n 删e n e r g ys o u r c ep o w e r g o n o r a t i o n 。a co l o e l r k ：a ld r i v e 。u p s ，f r e q u e n c yc o n v i 3 1 伯re t c t r a d i t i o n a l l y , t h eo u t p u tp w m p u l s e w 狮o f t l 1 0 i n v o r t o r c o n t a i n s o n q 2 l e v e l 8 t h u s 。a h i g | c o m m o n m o d e v o a a s w e l l a s ah i g hd u a tc o u l db ee x i s t e di nt h es y s t e m ，b o t ho fw h i c hw i l lp u tat h r o a tt ot h ei n s u l a t i o no ft h e m o t o rw i n d i n g s b o s k l e s ，t h ed e s i g no f 仇eo u t p u tf i l t e ri s m p 稍埔坩i ye o m o l i e a t od u et ot h e h i g h1 h df r o t a jh a r m o n i o u sd i s t o r t i o n ) i no r d e rt of i n da s o l u t i o nt ot h e s ec l u o s t i o 怕，t h e m u l t i l e v e li r l v o r l o ri su s e d m u l t i l e v e lt n v o r t o r si n c l u d ea na r r a yo fp o w e rs o m i e o n d u c t o r sa n dc a p a c i t o rv o l t a g e s o u l c e s t h eo u t o u to fw h i c hg e n e r a t ev o l t a g e sw i t hs t e p p e dw a v o f o r m s t h em o s ta l l r a c l i 、，o f e a t u r e so fm u l t i l o v o li n v o r l e r sa r e 鸽f o l l o w s ：伽g yc 鲫g e n e r a t eo u t p u tv o l t a g e sw i t h 自由鲫e i y l o wd i s t o r t i o na n dl o w e rd u l a t ；t h e yd r a wi n p u tc u r r o n tw i t hv e r yl o wd i s t o r t i o n ；t h e yg e n e r a t e s m a l l e re o m m o n - r n o d o ( c m ) v o l t a g e ，l h u s r e d u e i n gt h es t r o s si nt h em o t o rb e a r i n g s i n a d d i t i o n ，u s i n gs o p h i s t i c a t e dm o d u l a t i o nm e t h o d s ，c mv o l t a g e s nb ee l i m i n a t e d ；t h e y 湖 o p e r a t ew i t hal o w e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y t o d a y , m u l t i l e v e li r l v o r t o r sa r ee x t e n s i v e l yu s e di n h i g h p o l h 怕ra p p l i c a t i o n sw i t hm e d i u mv o l t a g el e v e l s t h i st h e s i s p r e s e n t s t h em o s ti m p o r t a n tt o p o i o g i e sl i k o d i o d o - e l a m p e d i n v e r t e r ( n o u t r a l o o i n t e l a m p e a ) 。e a p a e i t o r - c l a m p o d ( f l y i n ge a o a e i t o oa n dc a s c a d e dm u l t i e o l l w i t h s e p a r a t od es o u r c e sa n ds o0 1 1 t h e ni ta l s op r e s e n t st h em o s tr e l e v a n tc o n t r o la n dm o d u l a t i o n m e t h o d sd e v e l o p e df o ri n sf a m i l yo fc o r l v o t t o l * s ：m u l t i l e v e ls i n u s o i d a lp u l s o w i d t hm o d u l a t i o n ， m u l t i l e v e ls e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n ，a n ds p a c e - v e c t o rm o d u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e i r f e a t u r e s m u l t i l e v e ls e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o ni sp r o p o s e df o rt h en 删t o p o l o g y 1 1 他 s i m u l a t i o no ft h i e ep h a s e sa sw e l lo , 8t h ep h a s em u l t i l e v e i r l v e r e rh a sb e e n d o n ew i t hm a t l a b a n dt h er e s u l ti ss a u s f y i n g ，t h e nr e s e a r c h i n go r lt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n t h et h e s i sr e s e a r c h e s0 1 1 1 1t h em u l t i l e v e li n v e r t e rb yt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fd sp 1 1 1 eu s e o f d i g i t a ls i g n a lp r o e o s s o r d s p ) c o n t r o l l e rs i m p l i f i e st h ec o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dm a k e s i tp o s s i b l et oa p p i ys o m e o p t i m i z i n ga l g o r i t h m t h ep a p e r r e s e a r c h e so nt h ed e s i g no fh a r d n e s sc i r c u i t sa n ds o f t w a r e h a r d n e s sc i r c u i t si n c l u d em a i n c i r c u i t 。b u f f e rc i r c u i t 。z o n ec i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i t i nt h es o f t w a r ep a r t 。t h ep r o g r a m sh a v et l e t r l 2 一 圭童塑皇查兰堡主兰丝堡塞 f i n i s h e d s h e p w m i s i m p l e m e n t e d a n d b a s e d o n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s r a f t e r e x p e r i m e n t a t i o n a n d d e b u g g i n g ，t h ep r a c t i c a lr e s u l t sa r er e c o r d e d ，w h i c hs h o wt h s tt h ec i r c u i t sa r ea 喇鼬b a n di t sc o n t r o li se f f e c t i v e y a o p e n g ( p o w e re l e c t r o n i c s & e l e c t r i c a ld r y ) d i r e c t e db yp r o ft a n g 1 3 a n h a o k e y w o r d s = m u l t i l e v e l ，i n v e r t e r , s i m u l a l i o n 。s h e p w m ，d s p 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：。虹即日期：盘譬划 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：澎刍导师签名 物幺仫 h 期地7 、6 f ?h 期：名望 ：鱼：! z 上海海事大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都 比较成熟，但在大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器； 为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗；而为了适应 中，高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路，均压电路 使系统复杂化、损耗增加、效率下降。由于两电平逆变器存在以上不足，1 9 7 7 年德国学者h o l t z 提出三电平逆变器主电路及其方案，其中每相桥臂中带一对开 关管，以辅助中点筘位。后来，日本长冈科技大学的n a b l ea 等人于1 9 8 0 年在此 基础上继续发展，将这些辅助开关管变成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的 主管中点相连，以辅助中点箱位，提出了多电平逆变器( m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 的思 想，即由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压。该电路比前者更易于 控制，且主管关断时仅承受直流母线电压的一半，因此更为实用“1 。 多电平逆变器之所以成为当今社会研究和应用的热点，主要因为有以下优 点：( 1 ) 功率器件承压较低。每个功率器件承压l ( n 1 为电平数) ，所以可以用 低耐压的器件实现高压大功率的输出，且无需动态均压电路；( 2 ) 随着电平数的 增加，使得电压谐波含量低，从而降低了输出电压波形畸变率，大大改善了输出 的电压波形，使得输出电压正弦性越来越好；( 3 ) 开关损耗小，效率高。以较低 的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损 耗小，效率高；( 4 ) 输出电压d v d t 应力较小，降低了器件封装绝缘和负载绝缘。 相对于两电平逆变器，在相同的直流母线电压条件下，当电平数增加时，功率器 件应力会增大，特别在高压大功率电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿， 同时改善了装置的e m i 特性；( 5 ) 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损 耗1 2 1 。基于以上的优点，再采用合适的算法能保证系统更加安全的运行。 1 2 电力电子技术的发展p 1 4 1 随着电力电子技术近半个世纪的飞速发展，至今己被广泛应用于需要电能变 换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面己渐趋成熟， 上海海事大学硕士学位论文 将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能，而在高压大功率的输配电领域， 各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。特别在中( 1 k v - 1 0 k v ) 、 大功率( 2 0 0 k w - 2 0 m w ) 应用场合，多电平功率变换电路因其良好的性能受到广 泛的关注1 2 1 。随着科技的进一步发展，二十一世纪电力电子产品发展的前景有以 下几方面：开关器件的高频化；硬件结构的模块化；软件控制的数字化；产品性 能的绿色化。这些方面的发展使产品性能可靠、成熟、经济、实用。 ( 1 ) 高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的体积重量随其供电频率平方根成反比 的减小，所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 0 k h z ，提高4 0 0 0 倍的话，用电 设备的体积重量大体下降至工频设计1 5 - - - 3 。这正是电力电子新技术得以实 现功率变频而带来明显效益的根本原因。逆变或整流焊机也好，通讯电源用的开 关式整流器也好，都是基于这一原理。那么，依同样原理对传统。整流行业”的 电镀、电解、电加工、充电、浮充电、合闸用等各种直流电源类整机加以类似地 改造，使之更新换代，其主要材料可以节约9 0 或更多，还可以节电3 0 以上 由于开关器件工作频率上限的逐步提高，促使许多传统的中、高频设备小型化， 带来显著节能、节材的经济效益，更可体现出技术的价值。 ( 2 ) 模块化 我们常见的模块，含有一单元，两单元，六单元，包括开关器件和与之反并 联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块( s p h 嗄) 。近年，有些公司把开 关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成“智能化”功率模块( i p m ) ， 这样缩小了整机的体积，方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性，有些 制造商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都 以芯片的形式封装到一个模块中，使元器件日j 不再有传统的引线连接，这样的模 块经过严格合理地热学、电学、机械方面的设计，达到优化完善的境地。类似于 微处理器芯片，再把整个模块固定在相应型材的散热器上，就构成一种新型的电 源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于是使用方便，缩小整机体积，更重要 的是取消传统连线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了 系统的可靠性。这种用户模块可以按实际需要进行二次设计，有很大的灵活性， 实际上也是功率( 厚膜) 集成的延伸： ( 3 ) 数字化 在传统电力电子技术中，控制部分是按模拟方式来设计和工作的。在二十世 纪六、七十年代，电力电子技术完全建立在模拟电路基础上。但是现在数字化电 路显得越来越重要，数字信号处理技术( d s p ) 逐渐完善成熟，显示出越来越多的 2 上海海事大学硕士学位论文 优点：便于计算机处理和控制；避免模拟信号的传递畸变失真：减少杂散信号的 干扰( 提高抗干扰能力) ；便于软件包调试；便于遥感、遥测、遥调；也便于自诊 断、容错等技术的融入。 ( 4 ) 绿色化 “绿色化”来源于“无污染”。绿色照明、绿色电器的意思含义：首先是显 著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节 电就可以减少对环境的污染。仅此还不够，这些电器还应满足不对( 或少对) 电网 产生污染，电工委员会( m c ) 对此制定了一系列标准，如工e ( 笃5 5 、工e c 9 1 7 、 正c 1 0 等。事实上，许多电器设备，往往是电网的污染源，向电网注入严重的 高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压出现许多毛刺尖峰，甚至出现缺 角和畸变，因此必须对此加以治理。二十世纪以来，各种有源滤波器和有源补偿 器的方案不断诞生，有了多种校正功率因数的方法。这些为本世纪批量生产各种 绿色电力电子新产品奠定了基础 总而言之，电力电予设备高频化、模块化、数字化、绿色化的实现，将标志 着这项技术的成熟，二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪。 1 3 多电平逆变器应用现状 5 1 1 6 1 随着电力电子技术的发展，在中压( 1 l 【v 1 0 k v ) 、大功率( 2 0 0 k w 2 0 m w ) 应 用场合，多电平功率逆变电路因其良好的性能受到广泛的关注。多电平逆变器相 对传统的两电平逆变器的主要优点在于：单个器件承受电压应力小，更容易实现 高压大容量；相同开关频率下输出电压电流波形更接近正弦波，谐波含量低；电 磁干扰( e m d 问题大大减轻，采用合适的算法能保证系统更加安全的运行。多电 平逆变器在交流输电和用户电力技术方面有广阔的应用，现有的各种应用中主要 有以下三类：高压大功率电机变频调速，电能质量综合治理，交直流能量转换。 高压变频器能够实现高压电动机无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速 控制的要求，它的广泛应用对于提高产品的数量和质量，节约能源，降低成本有 着重要的意义。采用多电平结构，不但能够扩展原有两电平逆变器的电压等级， 而且能够克服两电平变频器的高器件应力和高d u d t 等问题，减小变频器出口端的 谐波含量。 随着大量电力电子装黄的普及使用，电网受到日益严重的谐波污染，而无功 补偿和有源滤波器等电能质量治理装置也正向着高电压大容量方向发展，多电平 逆变器在电能质量综合治理方面也将会有广泛的应用。在高电压等级的无功补偿 上海海事大学硕士学位论文 装置中，多电平级联变流器已经得到了广泛应用，清华大学、浙江大学等单位也 在积极研究采用多电平结构的电力有源滤波器、动态电压补偿器。 在交直流能量转换上，与传统的两电平电路相比，多电平逆变器控制方式灵 活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且其输出电压的谐波含量低。多 电平逆变器在清洁能源利用上可以起到重要作用，如风力发电和太阳能发电可以 通过高压多电平逆变器入网。另外多电平逆变技术还可以用于高压直流输电、超 导储能、感应加热和大容量u p s 电源等。 目前，世界知名大公司，如西门子、a b b 、阿尔斯通、美国r o b i c o n 公司 等，己经开发出比较成熟的多电平产品，国内各大企业也正在逐步把跟光投向多 电平交换器西门子生产的应用于电力系统的三电平s 1 渔r ( m 调节范围可以达 到1 8 m v a r ；大庆新华电厂将高压变频装置用于大型机组的锅炉引风机上，该项 目采用美国罗宾康公司生产的2 台1 2 5 0 k w , 1 1 电平变频装置，经2 年的运行表明， 该装置安全、可靠；北京燕山集团动力部于1 9 9 7 g 将国产第1 台6 k v 2 9 0 k v a , 1 7 电平高压变频器安装在供水系统中，其节能效果非常明显，大约1 年就收回全部 设备投资，经济效益相当可观；宝钢从法国阿尔斯通引进四电平系统应用于二十 辊不锈钢轧机系统，达到了方案的经济、节能和最优化配置。 1 4 本文研究意义和主要内容 从目前功率开关器件发展的水平来看，短时间还不可能出现耐压上万伏的器 件，多电平技术是解决高压大功率变频调速的一个有效途径，同时在当前电力系 统高压直流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。因 此，本课题以新型不对称六电平逆变器( 半h 桥和二极管箝位型构成) 作为研究 对象，深入地研究其p w m 算法及控制策略，系统地研究其电路组成和控制原理， 对多电平技术的工程应用具有重要的指导意义。 本课题的研究内容是国家自然科学基金项目大功率多电平逆变器拓扑优化 研究的一部分，本文的主要工作： 主电路结构的研究： ( 1 ) 单相新型不对称六电平逆变主电路拓扑研究。 ( 2 ) 三相新型不对称六电平逆变主电路拓扑研究。 ( 3 ) 死区电路、输入端驱动和缓冲电路的设计。 控制电路的研究： ( 1 ) 对各种控制方法进行研究，并确定用于新型主电路的控制方法。 4 上海海事大学硕士学位论文 ( 2 ) d s p 编程实现该算法。 本课题需要解决的关键技术问题主要是： ( 1 ) 如何在增加输出电压电平数的同时通过改进主电路的拓扑结构来尽量减少 所用开关器件的数量，从而减少损耗，降低成本、提高效率。 ( 2 ) 如何设计出一种能对新拓扑进行有效控制的控制算法。 ( 3 ) 如何用d s p 实现该电路的软件控制策略，如何从单相实现到三相实现的过 程。 5 上海海事大学硕士学位论文 第二章多电平逆变器拓扑结构和调制策略 2 1 多电平逆变器拓扑结构 本节介绍了多种多电平逆变器的主电路拓扑结构，按结构主要可划分为以下 三种类型：( 1 ) 二极管箝位型多电平逆变器( d i o d e - c l a m p e d m u l t i l e v e l i n v e r t e r ) ： ( 2 ) 电容箝位型多电平逆变器( h 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 ) ；( 3 ) 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 ) 基于上述拓扑结构，各国学 者提出了一些改进型多电平逆变器拓扑。 2 1 1 二极管箱位型多电平逆变器啊【8 l 图2 - i 三电平二极管箝位半桥逆变器 a n 如图2 1 所示为一个三电平二极管箝位半桥逆变器。在此电路中串联电容c l 、 c 2 将直流侧电压分成三个电平，定义两个电容的中点g 为中性点，那么输出电压 v a g 有三个状态：v d c 2 、o 和一v 班。如果v a g 要输出v , k 2 ，则丌关器件s l 和s 2 开 通；对于输出电平一v 班则s 1 一和s ? 开通；对于0 电平则开关器件s 2 和s l - 开通。二 极管d t 和d 2 将输出的电压钳位在母线电压的一半。当s l 和s 2 开通时，a 点与n 点 之间的电压差为v d c ，即v n = v 屿这里d 2 平衡s l - 和s 2 之间的电压。其中s l 承受电容 6 上海海事大学硕士学位论文 c l 上的电压s 2 承受电容c 2 上的电压在此单桥臂中，输出电压v o 为交流，而 v 。为直流。如果输出电压被转移到a 点和n 点之问，那么图2 1 所示的逆变器将变 成一个d e d e 直流逆变器，它将输出三个电平：v d c 、v d 以和0 。 圈2 - 2 单相五电平二极管箝位逆变器 图2 2 所示为一个五电平二极管筘位逆变器，其直流母线端有四个电容c l 、 c 2 、c 3 和c 4 。如果直流母线电压为v d c ，则每个电容上分得的电压为v 讲，通过 二极管钳位，每一个开关器件将承受一个电容上的电压v 讲。为了解释阶梯波 电压是如何合成的，以a n 为例，将中点g 看作输出电压的参考点。那么a 点和g 点之闯的电压就有五个不同的组合来合成5 个电平的电压。如下所示： ( 1 ) 当v , 6 = - v 班，则需要开通所有上半部分的开关器件s a l 、s , 2 、s 1 3 、s 4 ； ( 2 ) 当v a 6 = v a d 4 ，则需要开通s , 2 、s , 3 、s 4 和s a l ； ( 3 ) 当v 硒= o ，则需要开通s a 3 、s , 4 和s a l 、s a 2 ； ( 4 ) 当v g = 一v d 水，则需要开通s “和s a l t 、s , z 、s 丑3 ； ( 5 ) 当v a t ；- - - - 一、7 以，则需要开通s 。l 、s 蟛、s 、s a 4 7 上海海事大学硕士学位论文 上面的这五个开关组合可以用表2 - 1 表示。 表2 - 1 二极管箝位五电平开关状态 输出电压开笑状态 v a g s a ls a 2 s a 3s a 4s a l s a 2 s a 3 s a 4 v a g = v d c 21l1100 0 0 v a g = v d c 4 o 1 1 11o00 v a g = ooo1l11 o o v a g = 一v d c 40oo11110 v a g = - v d c 陀o000ll1l 图2 2 所示的五电平逆变器中，a 相有四对互补的开关器件，互补的开关器件 可以这样定义，其中一个开通时另外一个则关断，a 相有4 个互补的开关器对( st 。 s a l ) 、( s | 2 鼬) 、( 鼬，s 3 - ) 和( s | 4 ，跏) 。 对于一个单桥臂m 电平二极管箝位变换器，虽然每个开关器件仅承受 v _ d z ( m - 1 ) ，但是拓扑中的箝位二极管则需要选用具有不同的反相工作电压的二极 管，对于图2 2 中的钳位二极管i n t t ，如果s 世、s 叫、鼬开通，那么d | l 需要承受 3 v d d 4 的电压。假设每一个二极管的耐压值与开关器件的耐压值相同，每相则需 要的二极管的个数为：( m 1 ) x ( m 2 ) ，这里图2 2 中的d a l 需要承受3 个开关器件的 耐压值，则i x t 可由3 个v 赴，4 耐压值的二极管来表示，其它同理。对于m = 5 ，则 需要( 5 - 1 ) x ( 5 2 ) - - 4 x 3 = 1 2 个反相工作电压为v d d 4 的二极管。显然当m 较大时，系 统所需的二极管数量将很大，在实际工程应用中将很难实现。 该拓扑的优点主要有： ( 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 压为直流回路电压的一半。 ( 2 ) 三电平逆变器输出的负载相电压为9 电平，相对于两电平拓扑输出5 电平， 各电平幅值变化降低，这就使得它对外围电路的干扰小，对电机的冲击小， 在开关频率附近的谐波幅值也小。 ( 3 ) 三电平逆变电路输出为三电平的阶梯波，其形状更接近于正弦。在开关频 率相同的条件下，谐波比两电平电路要小得多。 该拓扑存在的不足主要有： ( 1 ) 二极管可能需要承受不同的反压。对于三电平n p c 来说，箝位二极管承受 的反压相同。但对于更多电平的电路来说，箝位二极管需要承受最高 ( m - 2 ) ( m - 1 ) ，最低1 ( m - 1 ) 的各种不同的反压值( 其中m 为电平数) 。 ( 2 ) 器件所需的额定电流不同。从三电平n p c 电路可以看出，不同开关管的开 关时删不同，每相桥臂中越靠中问的管子开通时间越长。这样同一桥臂上 开关管的额定电流也就不尽相同。 b 上海海事大学硕士学位论文 ( 3 ) 电容均压问题。这个问题是此电路的致命缺陷。直流侧电容由于一个周期 内电流的流入和流出可能不同，这会造成某些电容总在放电，另一部分总 在充电，使得电容电压不均衡，最终导致输出电平不对。中点电压的偏移 会影响输出电压的对称性，使得谐波含量增大，对整个系统的性能影响很 大。因此需要通过有效的控制策略来平衡中点电压，否则实际输出波形将 和理论值相去甚远。 2 1 2 电容箝位型多电平逆变器1 8 】哪 图2 - 3 三电平电容箝位型多电平逆变器 a n 图2 3 所示为电容箝位型多电平逆变器。这种拓扑是利用电容来箝位开关器 件上的电压。图2 3 中，a 至g 点可以输出三电平，即：v a g 、，d 以、o 和一v d 以， 如果需要输出v d 以，则开通s l 和s 2 ，对于一v d 以，需开通s l 和s 舢对于0 电平， 则需要开通( s l s l ) 或者( s 2 s z ) 。当s l 和s 1 开通时，直流电源对电容c l 充电， 当s 2 ，s z 丌通时，c l 放电，c l 电容上的电压的平衡可以通过适当的选择。电平的 开关组合来实现。 9 上海海事大学硬士学位论文 图2 _ 4 单相五电平电容箝位型逆变器 在一个五电平的电容箝位逆交器电压的合成将比二极管籀位变换器更加灵 活，以图2 4 所示为例，输出电压为a 点与g 点之间的电压v 帕，那么v , g 可以通过 下面的开关组合进行控制输出相应电平的电压： ( 1 ) v 帕= v , k 2 ，开通所有的上部开关器件s 。1 ，s 1 2 ，s a 3 ，s 一。 ( 2 ) v z o - - - - v d d 4 ，有三种开关组合： ( a ) 开通s a l ，s a 2 ，鼬，s a l - ( v a o 为上部两个c 4 电容上的电压w 2 减去c , 1 上的 电压、7 讲而得) ； ( b ) 开通s , 2 ，s , 3 ，s , 4 ，s 卅( v a 6 为c a 3 上的电压3 v d 私减去下部两个c 4 电容上的 电压v d 以而得) ； ( c ) 开通s a l ，s a 3 ，s , 4 ，s d ( v m 为上部两个c 4 电容上的电压v d d 2 减去c a 上的 电压3 v d d 4 加上c a & 的电压v d 以而得) 。 ( 3 ) v 1 0 = o ，开关有六种组合： ( a ) s a l ，s , 2 ，s , 1 ，s d ( v a g 为上部两个c 4 电容上的电压v e a l 2 减去g 2 上的电压 v d 以而得) ： ( b ) s , 3 ，s 4 ，s 廿，s 纠( v a g 为c z 上的电压v 们减去下部两个d 上的电压v , | c - 2 而得) ； ( c ) s - 1 ，s a 3 ，s , 1 t ，s d ( v a g 为上部两个c 4 电容上的电压v 班减去c 缸上的电压 3 v d c ，加上g 2 上的电压v d 以减去g l 上的电压v 讲而得) ； ( d ) s a l ，鼬，s 廿，s d ( v a g 为c 4 上的电压v 班减去c a 3 上的电压3 v , l c 4 j i 上c | l 上海海事大学硕士学位论文 上的电压v d 泓) l ( c ) s , 2 ，s “。s 口，s 卅( v 硒为c - ，上的电压3 v d “减去g 2 上的电压v 班加g l 上的电压v e a l 4 减去下部q 上的电压v d 以) ； ( f ) s 心，s 1 3 ，s i l t ，s 州( v a g 为c , 3 上的电压3 v d 私减去g 1 上的电压v a d 4 ；t 成去 下部两个c 4 上的电压v d 以) 。 ( 4 ) v , o = - - - v a d 4 ，有三种可能的组合： ( a ) s n ，s - 1 ，s i r ，s 一( v 以为上部两个c 4 电容上的电压以减去c 订上的电 压3 v k 4 ) ： ( b ) s 幽s 口，s d ，s “( 、为g l 上的电压v 硝减去下部c 4 j = 的电压v 耐2 ) ； ( c ) s d ，s , a ，s d ，s 一( v 嵋为c 蛇上的电压v 班减去g l 上的电压v d “) ； ( 5 ) v m = 一v 垅，开通所有的下部开关器件s , i ，s z ，s d ，s 柙 表2 - 2 给出了上面单相五电平电容箝位型逆变器开关组合状态表； 表2 - 2 电容箝位五电平逆变器开关状态 输出电压开关状态 v a gs a ls a 2 s a 3 s a 4s a l s a 2 s a 3 s a 4 v a g = v d c 211l1oo0o 1l1o1ooo v a g = - v d c 40l11o0ol 101lo010 l10011oo 00l10o11 v a g - - 0 1ol0lolo loo1ol1o 010lo101 0l1o1oo1 00 0 11 l1o v a g = - v d c 4o0o1ol1l oolo1oll v a g = v d c 2o0o01l1l 由于存在较多的开关组合冗余状态，那么可以通过适当地选择开关组合平衡 电容上的电压。与二极管箝位逆变器相比，电容箝位型逆变器需要大量的电容来 筘位，对于一个单桥臂m 电平的逆变器，可以证明，每一个电容上的耐压值和主 n 上海海事大学硕士学位论文 要开关器件的耐压值是相同的，那么每一相需要的箝位电容的数量为( m - 1 ) x ( m - 2 ) 2 ，其中不包括直流母线上的( m - 1 个电容。比如m = 5 ，则需要( 5 - 1 ) x ( 5 2 ) 2 = 6 - q ，并且母线端需要( m 1 ) = 5 1 ) - - 4 4 ，共需要1 0 4 电容。 该拓扑的主要优点有： ( 1 ) 逆变电路的输出电平数扩展方便( 只需相应增加箝位电容的层数即可) 。 ( 2 ) 控制策略的选择可以很灵活。 ( 3 ) 只需一个独立的直流电源，整流侧的设计非常简单。当整流采用类似的结 构时，还能够实现四象限运行，特别适合用于交流传动场合。 该拓扑的缺点有： ( 1 ) 需要大量的箝位电容，使得整个电路显得复杂。 ( 2 ) 在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证系统运行的安全。 而对于电容电压平衡的问题，可用输出相同电压时采用不同的开关组合对 电容进行冲放电来解决，但是在输出较多电平数的电路中电容太多，所以 合理选择开关组合的过程将变得十分繁琐，并要求有较高的频率。 2 1 3 级联型多电平逆变器1 1 0 l 1 1 j 幽2 - 5 级联型拓扑电路 前两节中提到的二极管箝位型逆变电路和电容箝位型逆变电路的共同点时 两者都只需要一个独立的直流电源，属于电力电子器件的串联结构。为了输出多 个电平，这两种电路都采用了多个直流电容分压的办法，而随之产生的电容均压 问题往往只能用控制算法来加以解决。相比之下，本节分析的级联型电路是从改 上海海事大学硕士学位论文 变拓扑的角度解决了这个问题。具体实现的办法是采用多个电气独立的直流电容 分压，输出多个电平，属于有独立直流电源的逆变电路拓扑。 在这引进一个不同拓扑的逆变器，该拓扑基于好多相具有独立电源逆变器的 连接，图2 - 5 表示单相的九电平逆变器电路，有四个相同的单元结构。输出单相 电压是由不同个的单元值加起来的每个单相全桥逆变器产生三电平的电压，为 + v d c 、0 和- v d c 。通过四个开关器件把有电容相并联的直流侧得电压转换成交流 电压输出的电压值从- 4 v d c 到+ 4 v d c 的九个电平数，产生的阶梯波在没有滤波 的情况下几乎接近正弦波。 v v v v l 羔奎魄一一， 图2 - 6h 桥级联结构图 一 一( 鲁。j 鲁 zzz苎 l u 三宁p 辱 v 警l _ - 一 _ - 一 zzz 三 图2 - 7h 桥级联电路逆变单元结构 级联型电路中最基本的结构就是如图2 - 6 所示的h 桥级联结构，图2 - 7 为每 个逆变单元的电路结构图。电路中的每个逆变单元的结构完全一致，整流器的直 流侧直接连接到电容器组上，交流侧由相应的变压器副边绕组供电，绕组具有一 定的内部电抗，其副边电流的频谱比普通的6 脉波要好。通过对这些逆变桥分别 进行s p w m 控制，就能在负载侧得到多电平的输出电压。 上海海事大学硕士学位论文 h 桥级联型多电平逆变电路的优点主要有： ( 1 ) 直流侧采用相互分离的直流电源，不存在电压均衡问题。因此省去了大量 箝位二极管和箝位电容，所用的器件总数相对较少。 ( 2 ) 每个单元都可以采用低耐压的开关器件，可靠性和稳定性高。而且各个单 元的驱动和保护电路完全一致，有利于整体的设计和维护。 ( 3 ) 由于输入端采用二极管不可控整流，所以输入功率因数高，谐波小，效率 高。 ( 4 ) 输出电压随着级联级数的增加而更接近正弦波，电压变化率小。 ( 5 ) 有较好的抗浪涌能力，变压器的阻抗可以限制浪涌电流，加上前端整流器 和大电容的吸收能力，浪涌基本到不了逆变主电路。 这种逆变电路存在的不足主要是： ( 1 ) 由于输出电压等级越高，串联逆变单元数也就越多，这就需要很多变压器 的副边绕组，从而使得变压器体积庞大、接线复杂、成本极高。 ( 2 ) 由于其拓扑结构的先天限制，很难实现四象限运行。 2 1 4 通用型多电平逆变器 图2 - 8 通用型五电平单臂电路 1 4 上海海事大学硕士学位论文 表2 - 3 通用型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 输出电压一v d c 2- v d c 4ov d c 4 i v d c 2 s p l 0l0o o111o o011101 开关状态 s p 2 0o1o o1o0llol1o11 s p 3 0 0o l0010l011o111 s 0 4 000 o1o0lo110 1 11 1 ( “1 ”表示开关器件导通状态咿表示开关器件关断状态) 从多电平概念提出之初，研究者们就一直致力于其电路拓扑结构的研究，希 望能找到多电平逆变器的统一拓扑，从而使多电平逆变器拓扑结构的研究更加系 统化1 1 2 1 。图2 _ 8 是在i e e ei a s 0 0 会议上提出的一种比较有代表性的多电平逆变器 通用拓扑【”1 在该电路中，开关器件s p i s p 4 、d p l d p 4 和s n l - s n 4 、d n l - d n 4 为 主开关管，用来实现期望的输出电平；s p l - s p 4 、d c l d c 4 为箝位开关。用来实 现箝位功能。对于同一柱上相邻的两个开关对，当某一对导通时，另一对一定关 断，反之亦然。表2 - 3 所示为输出电压与开关状态之问的关系。与箝位电容型拓 扑相似，该拓扑的电压合成也较为灵活，对于相同的输出电压，可以由不同的开 关状态组合得到。现有的二极管箝位型多电平拓扑，箝位电容型多电平拓扑以及 一些新的多电平拓扑都可以从这一拓扑推导得到。该电路容易拓展到任意电平。 对于一个n 电平的电路，每个桥臂需要n x ( n - 1 ) 个开关器件和反并联二极管，( n 1 ) 个直流分压电容以及( n + i ) x ( n 1 ) 4 个箝位电容。 通用型多电平变换器拓扑的优点如下： ( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 ( 2 ) 具有电容电压的自平衡功能。 ( 3 ) 容易实现功率的双向流动，所以可以应用于d c d c , d c a c , a c d c 等较广 的应用场合。 起缺点如下： ( 1 ) 需要大量的箝位开关和飞跨电容，当电平数较高时，使得系统的成本和体 积增大。 ( 2 ) 由于使用了大量的功率开关管，使得电路在工作时的开关损耗较大。 ( 3 ) 电容充放电时，存在电流冲击。 2 1 5 基于基本单元串一并( 并一串) 思想的多电平逆变器拓扑1 1 4 】1 1 5 l 从多电平逆变器拓扑结构研究的理论性和系统性出发，本实验室也进行了一 些研究，并且提出了基于基本构成单元的多电平逆变器拓扑形成的新思路和方 法。该方法不同于统一拓扑的概念，统一拓扑是通过对它进行分解来得到不同的 多电平拓扑，而基本构成单元思想是以基本单元为基础，通过一定的组合来得到 上海海事大学硕士学位论文 不同的多电平拓扑，两种方法是分解与组合的相反过程。 ( a ) 多电平变换器的基本单元 ) 基本单元的串联( c ) 基本单元的并联 图2 - 9 多电平逆变器的基本单元及其申、并联 我们讨论的多电平拓扑为电压型，所以所指的电平也即电压。所谓基本单元， 是指满足构成多电平逆变器拓扑条件的最小组成部分。从电路原理的角度，为得 到输出的多电平，至少必须满足以下两个基本条件。第一、需要基本电平；第二、 需要相应的由有源和无源器件组成的单元，将基本电平合成，实现多电平输出。 对于前者，即基本电平的构成，只能有以下几种方法实现：1 、直流母线电压进行 电容分压；2 、悬浮电容构成电压源；3 、独立电压源。很显然，这几种方法己在 现有的多电平逆变器拓扑中得到了应用。其中1 对应于二极管箝位型，2 对应电容 筘位型，3 对应于级联型。对于第二个条件，即能将基本电平合成，实现多电平 输出的电路单元，它的构成应该具备几个基本特性。首先，它必须是可控的，只 有这样才能在适当的时刻被触发导通，按要求合成输出电平，因此它必须包含有 源器件：其次，为了保证单元中能量流动的连续性和能量流动的双向性，必须有 无源器件和对应的有源器件成对出现，它们的导通方向应相反。在电压型电路中， 开关元件承受单向电压，流过双向电流，所以应采用逆导型开关。将基本电平和 电路单元相结合，就可构成多电平逆变器的基本单元，图2