多電平電路112

1、 多電平電路多電平電路1電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）主要內(nèi)容主要內(nèi)容11.0 概述概述11.1 中點(diǎn)鉗位式逆變電路中點(diǎn)鉗位式逆變電路 11.1.1 中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路 11.1.2 中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路11.2 中點(diǎn)鉗位式直流變換電路中點(diǎn)鉗位式直流變換電路 11.2.1 間接式NPC-DC/DC電路 11.2.2 直接式NPC-DC/DC電路11.3 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM整流電路整流電路 11.3.1 SVPWM的控制算法 11.3.2 NPC-PWM-REC的控制本章小結(jié)電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.0 概述概述（） 多電平電路泛指其輸出量具有多

2、個(gè)電平的電路；多電平整流電路則指其輸入電流量具有多個(gè)電平 多電平電路的分類多電平電路的分類電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）多電平電路的特點(diǎn)：擴(kuò)容和諧波抑制多電平電路的特點(diǎn)：擴(kuò)容和諧波抑制 1) 多電平電路輸出具有多個(gè)電平，可使輸出波形接近正弦，波形畸變率(THD)大大縮小,并不是依靠高開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)諧波抑制； 2) 對于n電平的變換器，每個(gè)功率器件承受的電壓僅為母線電壓 的1/（n1），這就使得能夠用低壓器件來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓電路； 3) 輸出電壓電平數(shù)目增加，電壓變率相應(yīng)降低，EMI強(qiáng)度相應(yīng)下降。多電平電路在高電壓大功率的變頻調(diào)速、有源電力濾多電平電路在高電

3、壓大功率的變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、高壓直流（波裝置、高壓直流（HVDCHVDC）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用 11.0 概述概述（）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1 中點(diǎn)鉗位式逆變電路中點(diǎn)鉗位式逆變電路中點(diǎn)鉗位式（Neutral Point Clamped）逆變電路每橋臂都由兩個(gè)全控型器件串聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)器件都反并聯(lián)了二極管。兩個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過鉗位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連 11.1.1 三電平方波逆變電路電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 三電平方波逆變電路（三電平方波逆變電路（2

4、）控制極信號時(shí)序分布（以A相為例）1）ug1m與ug4A、ug4m與ug1A在相位上互補(bǔ)； ug1m與ug4m、ug1A與ug4A相位上互差180。2)控制信號一個(gè)周期包含ad四個(gè)時(shí)區(qū)。a和c時(shí)區(qū)主輔器件控制極信號相位相反，在b和d時(shí)區(qū)中，控制極信號相位相同。3)在開關(guān)點(diǎn)上，上下橋臂各相串聯(lián)的兩個(gè)可控器件無同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷的狀態(tài)，所以沒有電壓動(dòng)態(tài)分配不均現(xiàn)象；而在非開關(guān)期中，處于阻斷的器件則均為電源所鉗位，故無電壓靜態(tài)分配不均現(xiàn)象。電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 三電平方波逆變電路（三電平方波逆變電路（3）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 三電平方波

5、逆變電路（三電平方波逆變電路（4）故故電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 三電平方波逆變電路（三電平方波逆變電路（5）兩電平逆變電路的輸出線電壓有兩電平逆變電路的輸出線電壓有U Ud d和和0 0三種電平；三電平逆變電路的輸三種電平；三電平逆變電路的輸出線電壓有出線電壓有U Ud d、U Ud d/2/2和和0 0五種電平五種電平三電平逆變電路輸出電壓為三電平逆變電路輸出電壓為6 6階梯波，諧波可大大少于兩電平逆變電路階梯波，諧波可大大少于兩電平逆變電路三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電壓三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電

6、壓的一半的一半三電平逆變電路輸出線電壓波形兩電平逆變電路輸出線電壓波形電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路五電平方波逆變電路（1）為進(jìn)一步提高電路的輸出電壓等級，降低諧波含量和EMI，仿照三電平逆變電路拓?fù)?，發(fā)展了多電平逆變電路電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.1 中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路五電平方波逆變電路（2）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（1） 主電路與中點(diǎn)鉗位式方波電路相同；區(qū)別在于控制方式，控制極信號用脈沖代替方波基

7、于載波的多電平PWM控制方法(a) 消諧波消諧波PWM方法（方法（SHPWM） (b) 開關(guān)頻率優(yōu)化開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法（方法（SFOPWM） (c) 載波帶頻率變化的載波帶頻率變化的PWM方法方法 (d) 相移載波相移載波PWM方法方法電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（2）消諧波PWM方法的原理： 對于一個(gè)N電平的變換器，每相采用N-1個(gè)具有相同頻率fc和相同峰值A(chǔ)c的三角載波與一個(gè)頻率為fm ，幅值為Am的正弦波相比較，為了使N-1個(gè)三角載波所占的區(qū)域是連續(xù)的，它們在空間上是緊密相連且整個(gè)載波集對稱分布于零參考的正負(fù)兩側(cè)

8、。在正弦波與三角波相交的時(shí)刻，如果調(diào)制波的幅值大于某個(gè)三角波的幅值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件，反之，如果調(diào)制波的幅值小于某個(gè)三角波的幅值則關(guān)斷該器件。對于一個(gè)N電平的變換器，調(diào)制度ma和載波比mf定義如下：m(1 )maccfmANAfmf電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（3）電壓空間矢量PWM控制方式1）在三電平電路中，由于每相對直流中點(diǎn)有三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，因此整個(gè)三相橋一共有3327種開關(guān)狀態(tài)；2）每個(gè)電壓空間矢量代表逆變橋的一種開關(guān)狀態(tài)，也就是各橋臂器件的導(dǎo)通狀態(tài)，從而決定了該時(shí)刻中三相逆變輸出的瞬時(shí)值。電力電子學(xué)電力電子變換和

9、控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（4）電壓空間矢量PWM控制方式24個(gè)非零矢量在坐標(biāo)平面-中可劃分為六個(gè)扇形區(qū)，每個(gè)扇形又包含兩個(gè)子伏，每個(gè)子區(qū)各擁有3個(gè)非零矢量，其幅值分別為電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（5）電壓空間矢量PWM控制方式以第I扇區(qū)的矢量分布為例，扇區(qū)細(xì)分為AD四個(gè)子區(qū)，每個(gè)子區(qū)各包含3個(gè)基本矢量。當(dāng) 落入某一子區(qū)后，用該子區(qū)三角形頂點(diǎn)所標(biāo)矢量去逼近 可得到最佳效果電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.1.2 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM逆變電路（逆變電路（

10、6）電壓空間矢量PWM控制方式在NPC-SVPWM技術(shù)中，電壓矢量的更迭必須遵循以下規(guī)則:1)由電壓矢量更迭所引起的開關(guān)狀態(tài)的更迭必須保持 的順序，盡可能不使用 ，目的是為了減小輸出電壓的變率，保持NPC電路的優(yōu)點(diǎn)。2)實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)更迭的開關(guān)次數(shù)為最小，目的是減小電路的開關(guān)損耗。多電平SVPWM法和兩電平SVPWM法一樣，是一種建立在空間矢量合成概念上的PWM法，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于概念清晰，反映了SPWM的本質(zhì)，電壓利用率高，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等，不足之處在于當(dāng)電平數(shù)超過5時(shí)，算法過于復(fù)雜。 電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.2.1 間接式間接式NPC-DC/DC電路（電路（1）圖中點(diǎn)劃

11、線框A為單相HF NPC-INC，變壓器輸出；點(diǎn)劃線框B為高頻橋式不控整流電路。采用間接式結(jié)構(gòu)的目的：實(shí)現(xiàn)電隔離；為了提高整機(jī)功率密度，故采用中間高頻逆變環(huán)節(jié)。 但高頻逆變電路中高壓MOSFET因?qū)▋?nèi)阻劇增使電流容量降低，而傳統(tǒng)兩電平逆變電路中器件的正向阻斷電壓為Ud，由此可見，采用NPC-INC能夠解決上述問題。電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.2.1 間接式間接式NPC-DC/DC電路（電路（2）在HF NPC-INV中采用移相調(diào)壓方案電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.2.1 直接式直接式NPC-DC/DC電路（電路（2）中點(diǎn)鉗位式單象限降壓型電路中點(diǎn)鉗位式單

12、象限降壓型電路(NPC(NPC一一BUCKBUCK電路電路) )由于電路采用NPC結(jié)構(gòu)和分時(shí)控制方式，器件阻斷電壓下降為Ud/2，輸出電流因脈動(dòng)頻率加倍，IL相應(yīng)下降。電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.2.1 直接式直接式NPC-DC/DC電路（電路（2）當(dāng)D=0.25時(shí),根據(jù)ug1和ug2的時(shí)序分布，電路以工作模式M2、M3和M4交替工作；當(dāng)D=0.75時(shí), 電路以工作模式M1、M2和M3交替工作；電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.3 中點(diǎn)鉗位式中點(diǎn)鉗位式PWM整流電路整流電路三相 NPC PWM 整流電路的主電路與NPC-PWM-INV完全相仿，只是電源與負(fù)載對調(diào)，即電源是三相交流電網(wǎng)，負(fù)載是有源或無源直流負(fù)載(圖示為R0- L0串聯(lián)無源直流負(fù)載)。直流輸出端分壓電容Cd1=Cd2，其端壓U01=U02=U0/2，O為直流輸出中點(diǎn)。VDS1VDS6為鉗位二極管，其接法與NPC-INV相仿。電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.3.1 SVPWM的控制算法（的控制算法（1） 和NPC-INC相同，NPC PWM 整流電路三相橋共有27個(gè)開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)的空間矢量為電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）11.3.1 SVPWM的控制