多电平逆变器

1、多电平逆变器摘要 多电平逆变器及其相关技术的研究与应用,是现代电力电子技术的最新发展之一,它主要面向高压大容量的应用场合近年来,多电平逆变器的研究受到广泛重视,并得到了一定的应用。多电平逆变器输出端可以有更多级的输出电压波形,谐波含量小,波形更接近正弦波,逆变器性能更好,更适用于高压大容量的电力电子变换。总结和比较了多电平逆变器各种基本拓扑结构的特点,它们主要包括了:二极管钳位式、飞跨电容钳位式,电容电压自平衡式和联型式拓扑,并且分析了它们的优缺点。本文介绍了几种多电平逆变器调制方式。关键字 多电平逆变器 拓扑结构 调制策略1引言1.1 多电平逆变器的产生和发展背景 电力电子技术自20世纪50

2、年代诞生以来,经过半个多世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于电力系统、电机调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领域。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,将来的研究目标则是高功率密度、高效率和高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。大功率电力电子装置如电力系统中的高压直流输电(HVDC),以静止同步补偿器(STATCOM)和有源电力滤波器(APF)为代表的柔性交流输电技术(FACTS),以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源等需要能够处理越来越高的电压等级和容量等级,同时,为了满足输出电压谐波含量的要求,这些大功率电力

3、电子装置还要能够工作在高开关频率下,并且尽量减少电磁干扰(EMI)问题。电力电子器件是电力电子装置的核心。在过去几十年里,以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展,尤其是以IGBT、IGCI,为代表的双极性复合器件的惊人进步,使得电力电子器件向大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向发展。即便如此,在某些应用场合,传统的两电平电压源变换器拓扑,仍然不能满足人们对高压、大功率的要求。并且,以现有的电力电子器件的工艺水平,其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的,往往功率越大,开关频率越低。所以为了实现高频化和低EMI的大功率变换,在功率器件水平没有本质突破的情况下,有效的

4、手段是从电路拓扑和控制方法上找到问题的方案。现有的高压大功率变换电路归结起来可以分为5类。1、普通三相逆变器2、降压一普通变频一升压电路 3、变压器祸合的多脉冲逆变器 4、交一交变频电路 5、多电平变换器。相对于其他的高压大功率变换电路,多电平变换器技术由于优点多，受到了越来越广泛的关注、研究和应用。1.2 多电平变换器研究和应用现状从多电平变换器概念的提出至今,在短短二十多年的时间里,已经形成了三类基本拓扑及一系列改进拓扑。与此相对应,多种多电平变换器的调制控制方法也被提出和研究。在拓扑的研究方面,改进的主要方向是减少器件数量,同时解决电容电压的不平衡问题等;在控制方面,改进的主要方向是输出

5、波形性能的优化和算法的简化以及算法的通用型等。但是,在多电平变换器概念提出的最初几年,它并没有受到更多的关注,其原因在于:多电平逆变器特殊的拓扑结构,无论是对功率器件还是对控制电路的要求都比较高。因此直到20世纪80年代末,随着GTO、IGBT、IGCT等大功率可控器件容量等级的不断提高,以及以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及,关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。 电力系统中的无功补偿和高压直流输电以及高压大容量电机变频调速是目前多电平变换器应用的主要领域。无功补偿作为柔性交流输电技术的一个重要组成部分,一直是国内外相关专业领域的研究热点,也是现代电力电子技术应用于电力系统最突出

6、的表现。无功补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿(SVC)之后,随着现代功率半导体器件的应用与新型功率变换电路及控制技术相结合,产生了新型无功补偿装置一静止同步补偿器STATCOM,而S卫汀COM的核心就是电压源逆变器。从目前情况看,将多电平逆变器应用到大功率高电压的电力系统中,如果电平数过多将会遇到很多困难,如硬件电路过于复杂;为了保持各个电容器的平衡充电,控制变得困难等。所以,目前多电平逆变器应用于STATCOM中以三电平或五电平为主,也最为实际。 中高压交流大电机变频调速是多电平变换器的另一重要应用领域,由于多电平变换器在输出相同质量的电压波形的条件下,开关器件的电压应力大

7、大减小,工作频率大为降低,所以可以克服两电平高频PWM逆变器驱动中的种种问题,其代价是所需的功率器件较多,因而它更适于大电机的驱动。一般中大功率的电机调速输出电压在6kV左右,目前随着大功率开关器件的耐压水平的进一步提高,二极管箱位型三电平逆变器达到这样的输出电压是完全可能的,因此,二极管箱位型三平逆变器广泛应用于高性能、高电压、大容量电力传动系统中。日本学者曾经于1996年预见,近几年内,二极管箱位型多电平变换器的功率范围,将飞速发展并迅速占据几乎所有的中高压变频和无功补偿领域。目前国际上很多著名的电气公司,包括西门子、ABB、阿尔斯通、GE一东芝、三菱、安川等公司都己经具有此类的大容量电机

8、调速产品。据国外资料统计,目前用于风机、泵类负载的高压大容量多电平变换调速装置仍然占应用的大部分,在电厂、油田、石化、钢厂和自来水处理等领域广泛应用的。大容量多电平逆变器供电的交流电机调速系统近年来在轨道交通系统中也得到了越来越广泛的应用。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15年内,我国变频器总需求的投资额在500亿元以上,而其中60%70%是高压大功率变频器。所以,在世界上各大电气公司都在这一领域展开激烈竞争,以抢占我国高压大功率变频器市场的同时,我国也意识到研

9、制国产高压大功率变频器的紧迫性和重要性。近些年来,国内部分科研院所和一些公司在这一领域也做了一些研究和产品开发工作,包括北京利德华福、山东新风光等国内公司的变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染和无需专电机等优点,在技术上已经达到国际先进水平。2多电平逆变器的拓扑结构 2.1二极管钳位式多电平逆器 二极管钳位式多电平逆变器是开发最早的一种多电平逆变器,这种逆变器的特点是主电路和控制电路比较简单,控制方式也比较简单,便于双向功率流动的控制,功率因数控制也方便。一个m电平逆变器,每相桥臂钳位二极管个数为(m-1)*(m-2)。图2-1给出三相三电平逆变器的电路由于三相工作原理一样,那么就以A相

10、分析。它由两个直流分压电容C1=C2,4个开关管,4个续流二极管和两个钳位二极管VDa1和VDa2组成。当开关管Sal和Sa2同时导通时,A点对O点的电压为E/2,开关管状态不同输出电压不同,具体关系如表所示(l代表开,0代表关)。由于B,C和A三相相位互差120度“,因此线电压可以五种电平,因此通过适当的控制,三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。图2.1三相二极管钳位式三电平逆变器原理电路结构表2-1相输出电压与开关状态的关该电路拓扑的优点是:输出功率大,电平数越多,输出电压谐波含量越少。阶梯波调制时,器件在基频下工作,功率器件损耗小,输出功率大,动态响应好,传输带宽较宽。该

11、电路拓扑的缺点是:m电平逆变器每相需要耐压等级相同的二极管数量为(m-1)*(m-2),使得制造成本增加线路安装困难。开关器件通过的额定电流不相同,直流电容分压不均衡。同时要求钳位二管的耐压指数高,并且数量多。2.2飞跨电容钳位式多电平逆变器 由于是采用悬浮电容器来代替钳位二极管工作,飞跨电容钳位式多电平逆变器也叫悬浮电容多电平逆变器,最先由法国学者H.Foch和T.A.Meynard提出来的。一个m电平的飞跨电容钳位式多电平逆变器,每相桥臂钳位电容的个数为(m-1)*(m-2)/2图2.2给出了飞跨电容钳位式三电平单相逆变器的电路拓扑。与二极管钳位三电平相比较,只是用钳位电容取代了钳位二极管

12、,电容C的作用主要是将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容的电压上,从而实现三电平输出。图2.2飞跨电容钳位式三电平单相逆变器电路拓扑 该电路拓扑的优点:电平数容易扩展,有多种开关组合来合成输出电平,控制比较灵活。电源断电时,大容量电容器存储的能量可作为电源。能控制有功和无功功率,可用于高压直流输电。 该电路拓扑的缺点:需要大量的钳位电容,为了使电容的充放电保持平衡,需要采用不同的开关组合,使得系统控制复杂,器件开关损耗增大。2.3电容钳位自平衡式多电平逆变器 一个m电平电容钳位自平衡式多电平逆变器,每相桥臂钳位电容的个数为(m+l)*(m-1)/4,这种逆变器电路是以电容钳位的半桥式逆变电

13、路为基本单元,按照金字塔的结构形式构成的多级电路,其中每个基本单元的电压等级相同。由于控制的开关器件较多,所以这种电路形式的多电点平逆变电路开关模式极其灵活,不需要接触附加的电路来抑制直流侧的电容电压偏移问题,在理论上能够实现电容钳位的自平衡。另外这种电路拓扑具有通用的意义。前面介绍的二极管钳位,电容钳位,其他各种衍生的多电平电路结构,都可以看作是这种电路的一种特例,因此具有很高的研究与应用价值。图2.3电容钳位自平衡式多电平逆变器电 这种电路拓扑的优点是:很容易实现直流侧母线电容电压自平衡不需要附加电路来抑制。其他各种电路都可以通过这种电路衍生出来。 该电路拓扑的缺点是:由于存在很多冗余状态

14、,所以控制策略比较复杂,同时开关损耗比较大。2.4级联式多电平逆变 级联式多电平逆变器是用H桥直接串联叠加组成的一种级联式电路结构。这种逆变器需要独立的直流电压源。图2.4是级联式五电平三相逆变器主电路结构,从图上可以知道2个两电平的H桥直接串联叠加组成每相桥臂,每相输出电压是各个单元输出的叠加。级联型五电平变流器的输出电压及其对应的开关状态如表2-2所示。 图2.4级联式五电平三相逆变器主电路结构 这种电路拓扑的优点是:独立的直流电源,无须进行电容均压控制。容易模块化,易于扩展。无需钳位二极管和电容,在三种电路结构中,对于相同电平数所需器件最少,易于封装。容易实现软开关技术,不用阻容吸收电路

15、。 该电路拓扑的缺点是:需要独立直流电源多,不易实现四象限运。表2-2级联型五电平变流器的输出电压及其对应的开关状态 以上详细总结了目前多电平变流器的电路拓扑,对各自的优缺点进行了分析、比较,三种结构各有优劣,但在实现工程应用当中需要考虑多种因数,比如简单性的主电路结构,实现的容易性以及成本高低等多方面来考虑,飞跨电容钳位式需要大量的钳位电容,但是由于高压应用场合中电容体积势必增大,这样就限制了它的应用。级联式逆变器需要多个独立直流供电电源,实际上就需要多个变压器,也使体积和损耗增大。相对来说,二极管箱位式多电平逆变器由于不需要相互独立的直流电源来维持每个电平电压,因而研究的比较多,应用领域更

16、广泛。3多电平逆变器调制策略 多电平逆变器要想高效率、高性能运行,不仅需要优良的电路拓扑,而且必须采用的好的控制策略。多电平变流器控制策略的主要控制目标为: (l)控制逆变器本身工作状态,其中包括直流母线电容电压平衡控制、开关损耗控制、输出波形质量控制等。 (2)控制电压输出,使逆变器输出的脉冲序列与参考电压波形等效。 根据开关频率的高低,可以将多电平逆变器的控制策略分概况为两个类别: (l)开关器件工作在低频方式中,在输出电压或电流一个周期中,开关器件只进行一次或两次动作。主要有选择性谐波消除调制(SHEPWM)和阶梯波调制; 2)开关器件工作在高频方式中,在输出电压或电流一个周期中,开关器

17、件要进行多次动作,主要有载波PWM调制和空间矢量调制(SVPWM)。3.1特定消谐法(SHEPWM) 特定消谐PWM技术,即SHEPWM方法与传统的两电平选择性谐波消除调制方法类似,就是在阶梯波上通过预制适当的“凹槽”信息来选择性的消除特定次谐波。SHEPWM技术具有以下主要特点是功率开关管的开关频率下降约三分之一,降低了开关损耗,同时具有消除谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利用率高等优点。主要缺点是需要求解高阶非性方程组,计算很复杂,一般都是离线计算,随着计数器、光电祸合器等电子器件的速度不断提高,存储器容量的不断增大,将对应不同输出基波电压的大量开关角组存储并快速寻址、传输为可能。例

18、如将特定消谐技术应用于变压变频调速系统中可以得到比较好的效果。3.2阶梯波调制 所谓阶梯波调制是指用阶梯波来逼近正弦波,是比较直观的方法,为了消除和抑制特定低次谐波控制每一个电平持续时间的长短,谐波的个数的消除由电平数决定。阶梯波调制主要特点是控制简单直观,开关频率要求低,可以使用具有大功率低开关频率器件,可靠性高,另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单,控制上硬件实现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。3.3载波PWM调制 多电平逆变器的载波PWM调制技术是多电平逆变器在两电平SPWM技术的基础上发展而来的,多电平逆变器中由于开关管多,因此,多电平逆变器的载波和调制波

19、都不止一个,每一个载波和调制波有多个控制自由度,这些自由度至少有频率、幅值和偏移量等。这些自由度的不同组合,将会产生大量载波PWM技术。下面将对几个代表性的调制方法进行介绍。1) 载波叠加SPWM法2) 对于一个多电平逆变器,每相由万个载波采用个具有相同峰峰值和相同频率和相同相位的对称分布三角载波与一个频率为种昌值为A的正弦波相比较。在正弦波和三角载波相交状态,假如正弦波幅值小于某三角波幅值,则关断相应开关器件,反之,则开通该器件。3) 载波移相PWM法这种控制方法一般适用于飞跨电容型多电平变流器和级联型多电平变流器拓扑。针对级联型多电平逆变器,每个全桥单元模块都使用低开关频率的单SPWM,各

20、模块拥有相同的频率调制比、幅度调制比,但各载波间在时间上错开T=T/2N(T为载波周期,N为单元模块数),逆变器的总输出为各单元模块输出的线性叠加,使其等效开关频率提高1倍,大大减小了输出电压谐波含量。这种方法的原理如图3.1所示。图3.1载波移相PWM法方法原理示意图3.4空间矢量调制SVPWM SVPWM技术最早来源于交流电机控制中,为了在电动机空间形成圆形旋转磁场,对于两电平六开关逆变器来说,在不同开关状态下,可以形成8个电压空间矢量,共同构成一个正六边形电压空间矢量图。由空间矢量所在区域的开关空间矢量运用“伏秒相等”的原则进行合成任意矢量。图3-2(a)为两电平电压空间矢量图。 多电平

21、SVPWM方法是由两电平SVPWM方法演化而来,图3.2(b)是三电平空间矢量图,三电平逆变器的电压空间矢量为27个,包括零矢量,短矢量,中矢量和长矢量。空间矢量调制方法的主要特点是直流母线电压的利用率很高,开关损耗低,调制比大,动态性能好,但是有个明显的的缺点:如果应用于于五电平以上场合时,控制算法比较复杂,很难实现,所以当前多电平SVPWM技术的研究一般只限于五电平以下。图3.2两电平和三电平的空间电压矢量 4总结 多电平变换器因其具有小的输出波形THD、低的器件电压应力和低的系统EMI等优点而受到研究者们的青睐，成为近年来高压大功率应用领域研究的热点。本文总结了已有的多电平变换器拓扑的工

22、作原理，对多电平变换器已有的PWM控制方法进行了简单的分析，目前高压大功率变流器不存在一种通用的方案，三电平是多电平当中最基础也是最简单的一种拓扑，要想进一步改善输出波形质量就需要增加电平数目，如五电平、七电平等，但相应地开关选择的冗余度加大，控制策略将变得更加复杂。如果寻找一种或几种更加通用实用的电路拓扑和控制策略是以后需要做的工作。参考文献1钱照明,张军明,吕征宇.我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇J.电工技术学报,2004,19(8):34-38.2王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2000:l-47.3林渭勋.电力电子技术基础M.北京:机械工业出版社,1990:1-38.4李永东.高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望J.电工技术学报,2005,20(2):1-12.5吴忠志,吴