第8章 多電平逆變器變頻技術(shù)

1、第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 第第8章章 多電平逆變器變頻技術(shù)多電平逆變器變頻技術(shù) 8.1 多電平逆變器技術(shù)概述多電平逆變器技術(shù)概述 8.2 多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)多電平逆變器電路結(jié)構(gòu) 8.3 多電平多電平PWM調(diào)制方法調(diào)制方法 習題與思考題習題與思考題 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.1多電平逆變器技術(shù)概述多電平逆變器技術(shù)概述8.1.1多電平逆變器產(chǎn)生的背景多電平逆變器產(chǎn)生的背景占當今工業(yè)用電量一半以上的大功率風機和泵， 一般都采用中高電壓交流電機傳動系統(tǒng)。 在20世紀7080年代， 對于一些功率在兆瓦級以上的風機、 泵等裝置， 多采用擋板或閥門對其流量進行控制， 能量浪費嚴重。 如果采用調(diào)

2、速控制實現(xiàn)對其流量的調(diào)節(jié)則可節(jié)省大量電能，第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 但當時受電力電子器件及控制技術(shù)的制約， 制造中高壓大功率變壓變頻裝置還比較困難， 因此常用繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)對其控制。 諸如軋鋼機械、 電力機車、 輪船等大功率應(yīng)用場合的電機， 在靜、 動態(tài)方面對轉(zhuǎn)速控制有更高的要求。 從技術(shù)上看， 高電壓等級和容量等級的中高壓變頻調(diào)速是更合適的方案， 這就提出了中高壓大容量變頻技術(shù)問題。 此外， 為了滿足輸出電壓諧波含量的要求， 人們還希望這些大功率電力電子裝置能工作在高開關(guān)頻率下， 并且盡量減少電磁干擾（EMI）問題。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 電力電子器件是電力電子裝置

3、的核心。 在過去的幾十年里， 電力電子器件經(jīng)歷了晶閘管、 可關(guān)斷晶閘管、 雙極型大功率晶體管和場控器件等發(fā)展階段。 近些年來， 各種新型功率器件如IGCT、 IEGT、 ETO等相繼出現(xiàn)， 電力電子器件的單管容量、 開關(guān)頻率已經(jīng)有了很大的提高， 許多廠商已能提供額定值為6000 V/6000 A的高壓大功率GTO， 4500 V/1200 A的IGBT， 4500 V/4000 A的IEGT以及6000 V/6000 A的IGCT。第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 但即使這樣， 在某些應(yīng)用場合， 傳統(tǒng)的兩電平電壓源型逆變器仍然不能滿足人們對高壓、 大功率的要求。 并且， 在現(xiàn)有電力電子器件的工藝水

4、平下， 其功率處理能力和開關(guān)頻率之間是矛盾的， 往往功率越大， 開關(guān)頻率越低。 為了實現(xiàn)高頻化和低EMI的大功率變換研究者進行了大量的研究和探索， 提出了多種高壓大功率變換的解決思路和方法， 大致可分為以下三類。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 1. 功率器件串并聯(lián)技術(shù)功率器件串并聯(lián)技術(shù)這是一種最簡單、 直接的方案， 將小功率器件并聯(lián)并聯(lián)以承受大電流大電流， 將器件串聯(lián)串聯(lián)以承受高壓承受高壓， 實現(xiàn)高壓大功率變換實現(xiàn)高壓大功率變換。 由于功率器件開關(guān)特性的分散性， 因而具有高速開關(guān)特性的功率器件（如IGBT）是不允許直接串聯(lián)的， 否則中間回路的高電壓將直接加在后開通的器件上， 使后開通的器件可能

5、承受高壓而擊穿。 由于功率器件的參數(shù)不一致， 因而功率器件直接并聯(lián)同樣存在動、 靜態(tài)電流不均衡的問題。 功率器件的飽和壓降不一致導致靜態(tài)電流不均衡， 而功率器件的開關(guān)時間不同步造成動態(tài)電流不均衡。 因此， 功率器件的串并聯(lián)，功率器件的串并聯(lián)， 需要復雜的動、需要復雜的動、 靜態(tài)均壓或均流電路。靜態(tài)均壓或均流電路。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 2. 多重化技術(shù)多重化技術(shù)采用多重化技術(shù)也是用小功率器件實現(xiàn)大功率變換的一種方法。 所謂多重化技術(shù)，多重化技術(shù)， 是指每相由幾個低壓是指每相由幾個低壓PWM功率單元在其輸出端通過某種方式（如變壓器）功率單元在其輸出端通過某種方式（如變壓器）串聯(lián)或并聯(lián)組成

6、，串聯(lián)或并聯(lián)組成， 各功率單元由一個多繞組的隔離變壓各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，器供電， 由低壓由低壓PWM變頻單元串聯(lián)疊加達到高壓輸出變頻單元串聯(lián)疊加達到高壓輸出或并聯(lián)達到大容量輸出的目的或并聯(lián)達到大容量輸出的目的。 其中每一個功率單元都是分別進行整流、 濾波、 逆變的。 目前功率單元都采用二電平方案， 開關(guān)器件電壓等級只需要考慮功率單元內(nèi)的中間直流電路電壓值。第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 多重化技術(shù)可以大大降低諧波含量， 提高功率因數(shù)。 在電壓型功率變換器組成的多重化系統(tǒng)中， 為防止由于不同變壓器副邊繞組電壓差而形成環(huán)流， 通常在副邊采取串聯(lián)方式連接。 相應(yīng)地， 在電流型變換器

7、流型變換器組成的多重化系統(tǒng)中組成的多重化系統(tǒng)中， 副邊繞組一般采用并聯(lián)連接。 但是多重化技術(shù)需要引入結(jié)構(gòu)復雜的大容量隔離變壓器， 所需功率器件數(shù)量較多， 增加了設(shè)備投入， 造價昂貴， 還需要占用一定安裝空間， 且多重化技術(shù)對控制精度要求也較高， 因此并不常被使用。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 3. 逆變器并聯(lián)技術(shù)逆變器并聯(lián)技術(shù)逆變器并聯(lián)技術(shù)將多個小容量的逆變器并聯(lián)運行，將多個小容量的逆變器并聯(lián)運行， 并聯(lián)的逆變器數(shù)目可根據(jù)系統(tǒng)需要的容量來確定。并聯(lián)的逆變器數(shù)目可根據(jù)系統(tǒng)需要的容量來確定。 這種方法的主要優(yōu)點優(yōu)點是： 易于實現(xiàn)逆變器模塊化， 可以靈活擴大逆變系統(tǒng)的容量； 易于形成N+1并聯(lián)冗余

8、系統(tǒng)， 提高運行的可靠性和系統(tǒng)的可維護性。 逆變器并聯(lián)技術(shù)的難點難點是需要從控制電路上解決電壓同步、 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流、 N+1冗余與熱切換三大技術(shù)。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.1.2多電平逆變器技術(shù)多電平逆變器技術(shù)多電平逆變器的基本思想基本思想是由多個電平臺階來合成階梯波， 以逼近正弦輸出電壓。 電平數(shù)越多， 所得到的階梯波電平臺階越多， 從而越接近正弦波， 諧波成分越少。 從理論上講， 多電平變換器可以通過合成無窮多個電平臺階， 最終實現(xiàn)零諧波輸出。 但在實際應(yīng)用中， 由于受到硬件條件和控制復雜性的制約， 通常在滿足性能指標的前提下， 并不追求過高的電平數(shù)。 第8章 多電平逆變器變頻

9、技術(shù) 多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)是1977年由德國學者Holtz首次提出的， 該電路是利用開關(guān)管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路， 其結(jié)構(gòu)如圖8-1(a)所示。 圖中， 在直流回路的中性點上引出一對電力電子器件V2、 V3， 無論負載電流的流向如何， 逆變器的輸出電壓有三種狀態(tài)： Udc/2、 0。 這種拓撲結(jié)構(gòu)僅僅是為了改善電壓質(zhì)量， 降低電壓諧波分量， 在兩電平的基礎(chǔ)上在中間直流回路的中性點上增加了一個零電平(由反并聯(lián)的兩個開關(guān)器件引出， 并把零電平引入到逆變回路)。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 在功率器件沒有本質(zhì)突破的情況下， 為了使電力電子裝置的輸出電壓更高， 1980年日本學者A.Na

10、bae等人對其進行了改進， 提出了中點箝位逆變器（NPC）， 用功率二極管代替主開關(guān)管， 并利用中間的主開關(guān)器件把功率二極管引出的零電平加到輸出端上，從而利用功率二極管的箝位作用實現(xiàn)了輸出電位相對于中間直流回路有三個值的目的， 其結(jié)構(gòu)如圖8-1(b)所示。 圖中， 三電平逆變器每一相主開關(guān)管數(shù)與續(xù)流二極管數(shù)都為4， 箝位二極管數(shù)為2， 電容數(shù)為2， 平均每個主開關(guān)管承受的正向電壓為Udc/2。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 比較圖8-1(a)和圖8-1(b)可知，箝位二極管不但能達到引出中點電位的目的，而且使主管的耐壓值降低為中間直流回路電壓的一半， 從而使這種拓撲結(jié)構(gòu)在高壓應(yīng)用場合成為可能，

11、 同時也可以解決功率開關(guān)器件耐壓值低與直流回路電壓高之間的矛盾； 并且用功率二極管代替開關(guān)器件以降低逆變器的生產(chǎn)成本。 圖8-1(b)所示的結(jié)構(gòu)成為三電平逆變器主電路中目前較為廣泛采用的拓撲結(jié)構(gòu)。 由于這種拓撲結(jié)構(gòu)采用的是功率二極管箝位得到的中點電平， 因此有人又稱這種結(jié)構(gòu)為中點箝位型結(jié)構(gòu)(或二極管箝位型結(jié)構(gòu))。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-1三電平逆變器原理圖(a) Holtz提出的三電平逆變器； (b) Nabae提出的三電平逆變器第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 二極管箝位型逆變器輸出相電壓為如圖8-2(a)所示三電平波形， 相電壓幅值為Udc/2； 線電壓為如圖8-2 (b)所示五

12、電平波形， 幅值為Udc。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-2二極管箝位型逆變器輸出電壓波形(a) 相電壓波形; (b) 線電壓波形第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 1983年， Bhagwat等人在此基礎(chǔ)上， 將三電平電路推廣到任意的n電平， 并對NPC電路及其統(tǒng)一結(jié)構(gòu)作了進一步的研究。 在多電平變換器的主電路中含有大量功率器件和電容， 電容一般起分壓作用， 各電容上電壓通常均相等。 逆變器在功率器件不同的導通組合時， 輸出側(cè)得到幾種電平， 其電壓波形在一個周期內(nèi)呈階梯狀。 圖8-3是不同電平數(shù)逆變器單個變換臂的示意圖。 假設(shè)功率器件都是理想的， 可知， 兩電平變換臂有兩種輸出電壓值， 見圖

13、8-3(a)； 三電平變換臂有三種輸出電壓值， 見圖8-3(b)； 依次可得， n電平變換臂有n種輸出電壓值， 見圖8-3(c)。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-3逆變器單個變換臂示意圖(a) 兩電平; (b) 三電平; (c) n電平第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 對于三相系統(tǒng)， 在這里， 定義開關(guān)函數(shù)Sa、 Sb、 Sc分別指的是a、 b、 c相輸出電壓狀態(tài)， 每一開關(guān)函數(shù)的取值范圍可從0到n1， 這樣就與輸出電平的數(shù)量相等。 在工在工作過程中作過程中， 開關(guān)函數(shù)取不同的值（即不同的開關(guān)狀態(tài)）， 逆變器得到不同的輸出電壓， 逆變器輸出節(jié)點與直流側(cè)負電位o之間電壓大小與開關(guān)狀態(tài)遵循如下關(guān)

14、系： aadcbbccSS1Sooouuunu（8-1）第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 由式（8-1）可知， 可由調(diào)制器來決定開關(guān)的狀態(tài)， 從而描述逆變器的輸出電壓。 在實際情況中， 調(diào)制器給出的是功率器件的門極信號。 由傅立葉分析可知， 輸出是含有諧波的正弦波， 隨著電平數(shù)量的增加， 變換器輸出電壓波形更逼近理想的正弦波。 進一步分析， 由式（8-1）可得輸出點與輸出側(cè)三相中性點之間電壓差的如下關(guān)系式： （8-2）aabbcc21111213112nononouuuuuu 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 逆變器輸出線電壓和輸出點a、 b、 c與直流側(cè)負電位之間的電壓差關(guān)系式為（8-3）ababc

15、bcac110011101ooouuuuuu 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.1.3多電平逆變器的特點多電平逆變器的特點多電平逆變器是通過改進逆變器自身拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)中高壓大功率輸出的新型逆變器，它不需升降壓變壓器和均壓電路。 由于其輸出電壓電平數(shù)增加， 使得輸出波形具有更好的諧波頻譜， 每個開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小。 多電平逆變器技術(shù)已經(jīng)成為電力電子學中， 以中高壓大功率變換為研究對象的一個新的研究領(lǐng)域， 這是因為它具有以下突出優(yōu)點： 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.1.3多電平逆變器的特點多電平逆變器的特點 （1） 對于n電平逆變器， 每個功率器件僅承受1/(n1)的直流母線電壓，

16、 所以可用耐壓等級較低的功率器件實現(xiàn)高電壓輸出，大大減小了du/dt應(yīng)力， 且無需動態(tài)均壓電路。 （2） 隨著電平數(shù)的增加， 輸出電壓波形越逼近正弦波， 輸出電壓波形的畸變（THD）就越小。 （3） 可用較低的開關(guān)頻率獲得與兩電平變換器在高開關(guān)頻率下相同效果的輸出電壓波形， 而且開關(guān)損耗小， 效率高。 （4） 不需要輸出變壓器， 大大減小了系統(tǒng)的體積和損耗。 （5） 功率因數(shù)高。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.2多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)經(jīng)過20多年的發(fā)展， 多電平逆變器已有許多種主電路結(jié)構(gòu)， 但其一般原理類似： 由幾個電平臺階（一般是電容電壓）合成階梯波以逼近正弦輸出電壓，

17、 從而使逆變器在較低的開關(guān)頻率時就能滿足對輸出電流諧波較低的要求， 有效解決了動態(tài)均壓和du/dt、 di/dt過高等問題， 并可降低電機的共模電壓和系統(tǒng)對器件的耐壓等級要求。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 從逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)來看， 目前多電平逆變器可分為三種基本的拓撲結(jié)構(gòu)： 二極管箝位型(Diode-clamped)逆變器、 飛跨電容型(Flying-capacitor)逆變器、 具有獨立直流電源的級聯(lián)型 (Cascaded-inverters with Separate DC Sources)逆變器。 但從電平獲取的方式來看， 多電平逆變器又可分為兩大類： 箝位型和級聯(lián)型。 其中, 箝

18、位型包括二極管箝位、 電容箝位兩種多電平逆變器， 級聯(lián)型包括串聯(lián)H變換橋式級聯(lián)型（即具有獨立直流電源的級聯(lián)型變換器）和輸出變壓器耦合式級聯(lián)型兩種多電平逆變器。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.2.1箝位型逆變器箝位型逆變器箝位型逆變器按箝位器件分為二極管箝位型和電容箝位型。 圖8-4(a)為三電平二極管箝位型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)， 圖8-4(b)為三電平電容箝位型逆變器， 圖8-4(c)為電容箝位自均壓型逆變器的基本單元。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-4多電平箝位型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖(a) 三電平二極管箝位型逆變器； (b) 三電平電容箝位型逆變器； (c) 電容箝位自均壓型逆變器的基本單元

19、第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 1. 二極管箝位型逆變器二極管箝位型逆變器三電平二極管箝位型逆變器基本結(jié)構(gòu)見圖8-4(a)。 直流側(cè)兩個相同的分壓電容C1、 C2相串聯(lián)， 每個電容電壓為Udc/2。 VD1、 為箝位二極管， 功率器件V1、 V2、 為GTO、 IGBT或IGCT。 功率器件V1與、 V2與的邏輯關(guān)系是互鎖的， 其互鎖關(guān)系表達式是V1=、 V2=， 即導通與關(guān)閉是成對出現(xiàn)的。 在單個橋臂的4個功率器件中， 每2個功率器件同時處于導通或關(guān)斷狀態(tài)。 功率器件開關(guān)狀態(tài)組合與輸出電壓關(guān)系如下： 1VD1V2V1V2V2V1V第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) (1) V1、 V2導通， 、 關(guān)

20、斷： Uao=Udc； (2) V2、 導通， V1、 關(guān)斷： Uao=Udc/2； (3) 、 導通， V1、 V2關(guān)斷： Uao=0。 圖8-5(a)是單相全橋二極管箝位型逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)， 由兩個三電平逆變器組成H橋， H橋輸出的電平數(shù)p與單臂組成的逆變器電平數(shù)n存在p=2n1的關(guān)系。 圖8-5(b)是采用階梯波調(diào)制時H橋輸出的線電壓波形， 由圖可知， 逆變橋輸出電壓呈五電平結(jié)構(gòu)。 1V2V1V2V1V2V第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-5單相全橋二極管箝位型逆變器主電路及 其輸出電壓波形圖(a) 單相逆變橋； (b) 輸出電壓波形圖第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 該電路的優(yōu)點有：

21、 (1) 對于m電平逆變器， 功率器件的阻斷電壓為Udc/(m1)， 使正向耐壓值提高m1倍。(2) 電平數(shù)越多， 輸出電壓諧波含量越少。(3) 器件在基頻下工作， 效率高， 開關(guān)損耗小。 (4) 可控制無功功率流。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 其主要缺點有： (1) 需要大量的箝位二極管， 電平數(shù)增加， 箝位二極管受到的電壓應(yīng)力也增加。(2) 每橋臂內(nèi)、 外側(cè)功率器件的導通時間不相同， 造成負荷不一致。 (3) 分壓電容存在電壓不平衡問題。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 以上缺點中， 分壓電容電壓不平衡問題最為關(guān)鍵， 在某些情況下， 直流側(cè)電容電位會不停地波動， 有時甚至波動到不可接受的程

22、度。 其直接結(jié)果有二次和高次諧波較多， 電壓應(yīng)力過大甚至會造成功率器件逆變失敗。 電平數(shù)越多， 電容電位平衡的問題就越麻煩， 雖然可以從拓撲結(jié)構(gòu)上進行改進， 用電容與箝位二極管并聯(lián)（見圖8-6）的方法來減弱中點電位的波動， 并維持了各器件關(guān)斷時阻斷電壓的平衡， 但這種方法的缺點也比較明顯。 由于并聯(lián)電容， 使變換器體積增大， 還降低了系統(tǒng)的可靠性。第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-6改進型二極管箝位逆變器(a) 三電平； (b) n電平第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 2. 電容箝位型逆變器電容箝位型逆變器根據(jù)電容箝位方式的不同分為飛跨電容型和自均壓型。 1） 飛跨電容型逆變器飛跨電容型多電平逆

23、變器是Meynard T.A.等人1992年首次提出的。 圖8-4(b)是飛跨電容型三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)， 該電路直流側(cè)同樣有兩個分壓電容， 每個電容電壓均為Udc/2。 C1是箝位電容。 該電路的電壓合成方式更為靈活， 即對于相同的輸出電壓， 可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到， 這為該電路用于有功功率變換及分壓電容電壓平衡提供了可能性和靈活性。 三電平結(jié)構(gòu)輸出電壓分別是Udc、 Udc/2和0。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) (1) V1、 V2導通， 、 關(guān)斷： Uao=Udc。 (2) V1、 導通， V2、 關(guān)斷； 或V2、 導通， V1、 關(guān)斷： Uao=Udc/2。 (3) 、 導通，

24、 V1、 V2關(guān)斷： Uao=0。 1V2V1V2V1V1V2V2V第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 該電路的主要優(yōu)點如下： (1) 電平數(shù)越多， 輸出電壓諧波含量越少， 比相同電平數(shù)二極管箝位型逆變器的控制要靈活。(2) 電壓合成方式靈活。(3) 可控制有功和無功功率流， 因而適用于高壓直流輸電。其主要缺點有： (1) 需要大量的箝位電容， 增加了裝置的體積。(2) 用于有功功率傳輸時， 控制較為復雜， 開關(guān)頻率高， 開關(guān)損耗大。(3) 有功功率傳輸時， 分壓電容存在電壓不平衡問題。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 2） 自均壓型逆變器自均壓型逆變器基本單元參考圖8-4(c)， 是電容箝位的半橋結(jié)

25、構(gòu)。 該電路有兩個功率器件， 每次只導通一個， 在分別導通上、 下功率器件的情形下， 可分別得到高低不同的輸出電平。 多級電路的電路結(jié)構(gòu)是基本單元按“金字塔”結(jié)構(gòu)搭成的， 圖8-7為有自均壓的五電平多級逆變器電路結(jié)構(gòu)。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-7自均壓電容箝位型五電平逆變器電路結(jié)構(gòu)第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-7的右側(cè)直流側(cè)串聯(lián)四個電容電壓均為Udc， 電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6在功率器件導通與二極管續(xù)流共同作用下自動箝位。 當Sp1、 Sp2、 Sp3、 Sp4中只有一個導通時， 通過分析可得輸出電壓Uo為Udc； 當Sp1、 Sp2、 Sp3、 Sp

26、4中有任意兩個導通時， 輸出電壓為2Udc； 任意三個導通時則輸出為3Udc； 全導通時輸出為4Udc； 全部不導通時輸出為0。 五電平自均壓型逆變器的開關(guān)狀態(tài)與輸出電平關(guān)系見表8-1。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 表8-1五電平自均壓型逆變器開關(guān)狀態(tài)與輸出電平 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 該電路的優(yōu)點有：(1) 輸出波形的失真率隨輸出電平數(shù)的增加而減小。 (2) 每一級隨時間變化電壓波動小， 均壓效果好。(3) 可將此電路輸出端變成輸入端， 用一個低壓在另一端生成串聯(lián)的高電壓， 可在同一電路結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)功率“雙向流動”。 其主要缺點有： (1) 使用了大量的功率器件和箝位電容， 電路工作時

27、會有很大的開關(guān)損耗。(2) 隨著電路級數(shù)的增多， 由器件壓降造成的每一級電壓降會越來越大。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.2.2級聯(lián)型逆變器級聯(lián)型逆變器早在20世紀70年代中期， P.Hammond提出通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)的方式來提高逆變器輸出電壓的方法， 該方法用多個電壓等級較低的逆變器單元通過某種連接方式來得到較高的輸出電壓， 并給出一個H變換橋級聯(lián)型逆變器的實例。 經(jīng)過30多年的發(fā)展， 已有多種級聯(lián)型多電平逆變器結(jié)構(gòu)， 根據(jù)級聯(lián)型逆變器基本單元級聯(lián)方式的不同， 可分為串聯(lián)H變換橋式級聯(lián)型多電平逆變器（即具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器）和輸出變壓器耦合式級聯(lián)型多電平逆變器。 第8章 多

28、電平逆變器變頻技術(shù) 1. 具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平逆變器采用若干個低壓的PWM變換單元直接級聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓輸出。 圖8-8(a)是單相級聯(lián)型2m+1電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)由m個變換單元級聯(lián)而成。 每個單元的直流側(cè)電壓均為Udc； 其輸出電壓有Udc、 0、 Udc三種： 要得到Udc的輸出， 則V1、 V4導通； 若V2、 V3導通， 則得到Udc的輸出電壓； 若V1、 V2或V3、 V4導通， 則輸出電壓為0。 負載端正向、 負向電位均可由一個級聯(lián)逆變橋提供。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 在這種逆變器中， 高電壓的

29、輸出不是直接輸出的， 而是通過若干單元的輸出串聯(lián)后疊加得到的， 這樣對于每個功率單元來說, 不必承受高壓即可以采用低壓的功率器件。 級聯(lián)型逆變器的串聯(lián)級數(shù)和輸出波形包含電平數(shù)之間滿足“電平數(shù)=2串聯(lián)級數(shù)+1”的關(guān)系， 逆變器輸出電壓uan與各變換單元輸出電壓uai的關(guān)系如下： （8-4）aa1mniivv第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 該電路的主要優(yōu)點有： (1) 無需箝位二極管和電容， 故需要器件最少。 (2) 易封裝和進行模塊化設(shè)計。 (3) 器件在基頻下工作， 效率高， 開關(guān)損耗小。 (4) 可采用軟開關(guān)技術(shù)， 以避免笨重、 耗能的阻容吸收電路。 (5) 不存在電容電壓不平衡問題。 (6)

30、 可將耐壓低、 開關(guān)頻率也不高的功率器件直接應(yīng)用到高壓大功率場合。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 其主要缺點有： (1) 需要多個獨立電源； (2) 不易實現(xiàn)四象限運行。 由于每個單元的直流電源相互獨立， 因此還可以設(shè)計基于不同電壓等級直流電源的混合型逆變器， 各個直流電源電壓最大倍數(shù)的關(guān)系滿足下式：式中： udc xi、 udc x(i1)、 ni、 ni1分別是第i、 i1級H逆變單元的直流側(cè)電壓輸出和電平數(shù)目。 (8-5)dc (1)dc 11(1)ix ixiiinvvn n第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-8(b)是兩個變換單元組成的混合型逆變器的主電路結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)中若兩個電源的

31、電壓關(guān)系為udc a2=2udc a1， 則有7種輸出電位， 分別為0、 udc a1、 2udc a1和3udc a1。 若兩個電源的電壓關(guān)系為udc a2=3udc a1， 則有9種輸出電位， 分別為0、 udc a1、 2udc a1、 3udc a1和4udc a1。 有些學者還提出了用圖8-5(a)的單相逆變橋作為基本單元的級聯(lián)型逆變器。 這幾種改進的級聯(lián)型逆變器有一個共同的特點， 就是用盡可能簡單的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)更多的輸出電平。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-8級聯(lián)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)(a) 普通級聯(lián)型變換器； (b) 混合型變換器第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 2. 輸出變壓器耦

32、合式級聯(lián)型逆變器輸出變壓器耦合式級聯(lián)型逆變器變壓器耦合式級聯(lián)型逆變器見圖8-9， 該拓撲結(jié)構(gòu)包括三個常規(guī)兩電平三相DC/AC逆變器， 三個變比為1 1的輸出變壓器。 三相電機的線電壓與變換器輸出電壓關(guān)系見式(8-6)： （8-6）KLa1b1b1a2a2b2LMb2c2c2b3b3c3MKc3a3a3c1c1a1uuuuuuuuuuuu第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 由于變壓器變比為1 1， 有ub1a2=ua3b3，uc2b3=uc1b1， ua3c1=ua2c2， 于是得式（8-7）:（8-7）KLa1b1a2b2a3b3LMb1c1b2c2b3c3MKc3a3c2a2c1a1uuuuuuu

33、uuuuu第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-9變壓器耦合式級聯(lián)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 在三相對稱負載時， 由式（8-6）可知， 逆變器輸出線電壓有7種電平， 最高電平等于單個逆變器輸出線電壓的三倍。 變壓器耦合式級聯(lián)逆變器的優(yōu)點是： 器件較少； 功率器件負荷均勻； 不存在直流側(cè)電容電壓不平衡問題； 由于直流側(cè)電容存儲容量需求減少， 因而直流側(cè)電容較小。 其主要缺點包括： 由于輸出端需變壓器耦合， 因而體積較大， 笨重； 僅適用于三相對稱系統(tǒng)。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.3多電平多電平PWM調(diào)制方法調(diào)制方法多電平逆變器波形合成方法有多種， 如階梯波調(diào)制、 正弦載波

34、調(diào)制(SPWM)、 空間矢量調(diào)制(SVPWM)、 選擇諧波消去法(SHEPWM)、 開關(guān)損耗最小PWM、 電流滯環(huán)控制、 隨機PWM等。 一般來說， 一種好的調(diào)制方法應(yīng)該滿足以下幾個方面的要求： 輸出電流諧波最少， 功率器件一周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)最少， 直流側(cè)電容電壓保持平衡， 確保所有功率器件開關(guān)頻率統(tǒng)一， 易于物理實現(xiàn)等。 常用的多電平PWM調(diào)制算法是階梯波調(diào)制法、 SPWM法、 空間矢量PWM（SVPWM）法、 選擇諧波消去法(SHEPWM)和開關(guān)損耗最小PWM法（開關(guān)頻率優(yōu)化法）等。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.3.1階梯波調(diào)制法階梯波調(diào)制法圖8-10為逆變器輸出相電壓階梯波波形。 階

35、梯波調(diào)制法可理解為一個用從直流側(cè)獲取的離散電平疊加來逼近參考正弦電壓的量化過程。 圖8-10即可理解為通過適當?shù)乜刂泼繕虮酃β势骷拈_關(guān)狀態(tài)組合， 輸出5個電壓脈沖uai， 經(jīng)過疊加5個電壓脈沖得到相電壓uan， 即通過將這些電壓脈沖疊加得到的電壓波形來逼近模擬參考電壓波形的量化過程， 且其中, uai(i=1, 2, , 5)為第i個輸出電壓脈沖。 (8-8)aa1a2a5nuuuu第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-1011電平逆變器輸出相電壓波形第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 用uan來逼近正弦電壓， 用uan作為交流側(cè)輸出相電壓。 該波形關(guān)于1/4周期對稱， 關(guān)于1/2周期反對稱， 經(jīng)F

36、ourier分析， n次諧波幅值為 式中： n為奇數(shù); k是第k個開關(guān)角。 （8-9）anva14cos()mnkikhnnu第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 為了降低諧波含量， 開關(guān)角滿足12k， 這樣幅值調(diào)制比范圍小。 該方法比較適用于級聯(lián)型逆變器。 階梯波調(diào)制法的主要優(yōu)點有： 器件在基頻工作， 開關(guān)頻率低， 開關(guān)損耗??； 易于物理實現(xiàn)。 其缺點有： 輸出電流頻譜特性性能不高； 輸出電壓受直流側(cè)電壓波動的影響較大； 幅值調(diào)制比范圍小。 2第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.3.2SPWM法法多電平SPWM法是從二電平SPWM法推廣而來的， 見圖8-11。 二電平逆變器SPWM調(diào)制法可理解為用一個

37、三角載波來控制一個橋臂上兩個功率管的開通和關(guān)斷。 把這種思路推廣到多電平逆變器中， 用幾個三角波信號和一個參考信號（每相）相比較產(chǎn)生SPWM信號。 如m電平逆變器， 可將m1個相同頻率fc和相同的峰-峰幅值A(chǔ)c的載波按波段連續(xù)放置。 調(diào)制波頻率為fr， 峰-峰幅值為Ar。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 用一個調(diào)制波控制逆變器的一個橋臂， 每個三角載波控制一對功率器件（邏輯關(guān)系互鎖的為一對）。 正弦波與三角波相交時， 如果正弦波瞬時幅值大于某個三角波的幅值， 則開通相應(yīng)的主功率器件輸出高電平； 反之， 則關(guān)斷該器件輸出低電平。 由此分析， 五電平逆變器每相有四對功率管， 則要四條三角載波。 幅值

38、調(diào)制比（又稱調(diào)制度）ma和頻率調(diào)制比mf定義如下： (8-10) (8-11)rac(1)AmmAcfrfmf第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-11SPWM原理圖(a) 調(diào)制信號與三角載波; (b) 輸出相電壓波形第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) SPWM方法的優(yōu)點是： 幅值調(diào)制比范圍較寬； 適合高壓大功率場合； 電平數(shù)較多， THD較小； 不受電平數(shù)目的影響， 可拓展到電平數(shù)更多的變換器中。 其缺點是： 直流側(cè)電壓利用率不高， 輸出電壓有效值約為直流側(cè)電壓的85%； 計算自然換相點較為復雜。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.3.3空間矢量空間矢量PWM法法空間矢量PWM法(SVPWM)是德國

39、學者Vander Broek H.W.提出的。 空間矢量PWM法與SPWM法不同的是它以直接控制電機磁鏈的圓形磁通軌跡為目的， 使輸出電壓的空間矢量以期望的速度旋轉(zhuǎn)， 且調(diào)節(jié)這個矢量的幅值為期望值， 故又稱磁通軌跡PWM法。 多電平SVPWM方法是由兩電平SVPWM方法推廣而來的， 即用逆變器輸出相電壓的平均矢量去逼近某一理論參考相電壓矢量Ur。 第6章介紹了求電壓矢量圖的一般方法， 這里用一種更直觀的方法來得到多電平變換器輸出電壓的空間矢量圖。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 以三相三電平為例（參見圖8-12（a）， 每一橋臂可輸出正電平Udc/2、 零點平0、 負電平Udc/2， 分別用P、

40、 O、 N表示； 如NOP表示a、 b、 c相電壓分別為Udc/2、 0、 Udc/2； 依此類推。 這樣三相三電平變換器有33=27種開關(guān)狀態(tài)組合， 其中19個獨立空間矢量， 這19個獨立空間矢量中包含18個非零的空間矢量。 在三相多電平逆變器變換時， 選擇適當?shù)拈_關(guān)狀態(tài)組合可以合成不同的輸出電壓， 但在得到某些電壓矢量時， 有不同的開關(guān)狀態(tài)組合可供選擇， 即有冗余的開關(guān)狀態(tài)組合， 這為采用適當?shù)恼{(diào)制方法來保持直流側(cè)電容電壓平衡和開關(guān)頻率最小化提供了條件。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 為了減少輸出電壓的諧波， 使逆變器三相輸出電壓等于給定電壓矢量的值， 在PWM的每一個控制周期ts內(nèi)將給定

41、電壓用其最接近的3個矢量的線性組合來表示。 電壓空間矢量圖具有對稱性， 僅以060的小方塊區(qū)域3為例進行分析， 參見圖8-12(b)， 其計算公式為其中, ts是PWM的控制周期。 (8-12)s123s112233ttttt Ut Ut Ut U第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 圖8-12三電平SVPWM原理圖(a) 三電平逆變器電壓空間矢量圖； (b) 060范圍內(nèi)的電壓矢量第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 空間矢量PWM法具有以下優(yōu)點： 直流側(cè)電壓利用率高； 電流諧波較小， 諧波電流有效值總和接近最優(yōu)化； 硬件實現(xiàn)比較容易， 故比較適合高電壓、 大功率場合。 其主要缺點有： 隨著電平數(shù)的增多， 要從成百上千個矢量中選取適當?shù)氖噶浚?計算量太大； 存在角度跳變。 第8章 多電平逆變器變頻技術(shù) 8.3.4選擇諧波消去法選擇諧波消去法階梯波調(diào)制法的幅值調(diào)制比范圍小， 為了提高幅值調(diào)制比范圍， 提出了選擇諧波消去法。 該方法通過選擇適當?shù)拈_關(guān)角合成階梯波， 并使諧波含量最小。 圖8-13是7電平逆變器選擇諧波消去法示意圖， 在電壓波形的特定位置設(shè)置缺口， 通過每半個周期中功率器件導通的多次切換， 恰當?shù)乜刂?/p>