电力电子-多电平技术课件.ppt

1、Flexible AC transmission SystemFACTS灵活交流输电系统或柔性交流输电系灵活交流输电系统或柔性交流输电系统统 n多电平技术多电平技术概念最早由日本长冈科技大学的概念最早由日本长冈科技大学的A.Nabae等人在等人在1980年年IAS年会上提出来。目前已经成为电力年会上提出来。目前已经成为电力电子学中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的电子学中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。研究领域。n多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开关器件连接在一起，实现了高电压、大低压的功率开关器件连接在

2、一起，实现了高电压、大容量。多电平变换技术已经在有源电力滤波器、高压容量。多电平变换技术已经在有源电力滤波器、高压直流变换和功率因数校正等方面取得了成功的应用。直流变换和功率因数校正等方面取得了成功的应用。4.2 多电平技术多电平技术n每个功率器件仅仅承受单级电压，所以可以用低耐压每个功率器件仅仅承受单级电压，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需均压电路。的器件实现高压大功率输出，且无需均压电路。P102n电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变，输出电压谐波含量降低。压波形畸变，输出电压谐波含量降低。n可以以较低的开关

3、频率获得和高开关频率下两电平变可以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换器相同THDTHD的输出电压波形，因而开关损耗小、效的输出电压波形，因而开关损耗小、效率高。率高。 n无需输出变压器，减少了系统的体积和损耗。无需输出变压器，减少了系统的体积和损耗。 4.2 1 多电平技术的优点多电平技术的优点n二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器n电容箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器n级联型变流器级联型变流器4.2 2 多电平技术的电路结构多电平技术的电路结构4.2 3 二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器 图中，两个串联的电容图中，两个串联的电容C1C1和

4、和C2C2把直流总线电压分成把直流总线电压分成 3 3 个等级。个等级。其中两个电容的中点其中两个电容的中点 n n 定义为零定义为零点电压。输出端点电压。输出端VanVan有三个状态：有三个状态：Vdc/2Vdc/2，0 0，Vdc/2Vdc/2。 对应于对应于Vdc/2 Vdc/2 状态，开关状态，开关S1S1和和S2S2导通；对应于导通；对应于Vdc/2 Vdc/2 状态，开状态，开关关S1 S1 和和S2 S2 导通；对应于导通；对应于 0 0 状态，状态，S2S2和和S1 S1 导通。导通。 P102 特点：任意时刻控制导通的器件数是桥臂器件特点：任意时刻控制导通的器件数是桥臂器件数

5、的一半。此例桥臂器件数的一半。此例桥臂器件4个，每次控制个，每次控制2个。个。优点：绝对不会形成电源通过桥臂短路，所以优点：绝对不会形成电源通过桥臂短路，所以不用设死区时间。不用设死区时间。三电平二极管嵌位三电平二极管嵌位逆变器逆变器4.23 二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器二极管嵌位逆变器二极管嵌位逆变器五电平二极管嵌位逆变器五电平二极管嵌位逆变器 P1054.23 二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器 设中点设中点 n n 为输出相电压的参考点来说明阶梯波电为输出相电压的参考点来说明阶梯波电压的合成。压的合成。 在在 a a 点和点和 n n 点间有五种开关模式

6、的组合来合成五点间有五种开关模式的组合来合成五电平。电平。 1 1）对应于）对应于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，导通，导通S1-S4S1-S4。 2 2）对应于）对应于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，导通，导通S2-S4S2-S4和和S1S1。 3 3）对应于）对应于Van = 0Van = 0，导通，导通S3-S4S3-S4，S1S1和和S2S2。 4 4）对应于）对应于Van =-Vdc/4Van =-Vdc/4，导通，导通S4S4和和S1-S3S1-S3。 5 5）对应于）对应于Van =-Vdc/2Van =-Vdc/2，导通，导通S1-S4S1-S4。

7、四组互补的开关存在于每一相中。互补开关被定义四组互补的开关存在于每一相中。互补开关被定义为，当其中的一个开关导通时另一个开关就截止，反为，当其中的一个开关导通时另一个开关就截止，反之亦然。上例中，四组互补开关为之亦然。上例中，四组互补开关为(S1(S1，S1)S1)，(S2(S2，S2)S2)，(S3(S3，S3)S3)，(S4(S4，S4)S4)。4.23 二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器二极管箝位多电平变流器的缺点：二极管箝位多电平变流器的缺点：P106 1. 1. 需大量二极管，大大提高了成本，安装困需大量二极管，大大提高了成本，安装困难，实际应用仅限于难，实际应用仅限于

8、7 7电平或电平或9 9电平。电平。 2. 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 3. 单变流器难以控制用功功率。单变流器难以控制用功功率。 4. 4. 电容电压不平衡，增加了控制的复杂度和电容电压不平衡，增加了控制的复杂度和难度。难度。4.23 二极管箝位型多电平变流器二极管箝位型多电平变流器二极管箝位多电平变流器的元件：二极管箝位多电平变流器的元件：P105 设变流器的电平数为设变流器的电平数为m，则：，则： 1. 1. 需分压电容：需分压电容： m1 2. 2. 每相开关元件：每相开关元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相二极管：每相二极管： （m1

9、）（）（m2） 4.24 电容箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器 此电路又被称为飞跨此电路又被称为飞跨( (悬浮悬浮) )电容逆电容逆变器，独立的嵌位电容使每个逆变单变器，独立的嵌位电容使每个逆变单元的电压被嵌制在一个电容电压。图元的电压被嵌制在一个电容电压。图中中a a点和点和n n点间输出三电平，点间输出三电平，Van=Vdc/2, 0, Van=Vdc/2, 0, 或或-Vdc/2-Vdc/2。 P106 1) 1) 对应于对应于Vdc/2Vdc/2状态，开关状态，开关S1S1和和S2S2导通；导通； 2) 2) 对应于对应于-Vdc/2-Vdc/2状态，开关状态，开关S1S1和和

10、S2S2导通；导通； 3) 3) 对应于对应于0 0状态，状态， (S1(S1，S1)S1)导通，或者导通，或者(S2(S2，S2)S2)导通。导通。 当当(S1(S1，S1)S1)导通时，电容导通时，电容C1C1被充电，当被充电，当(S2(S2，S2)S2)导通时，电容导通时，电容C1C1放电。电容放电。电容C1C1被充被充电可由适当选择电可由适当选择 0 0 状态开关组合来实现。状态开关组合来实现。三电平电容嵌位三电平电容嵌位逆变器逆变器4.2 4 电容箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器 电容嵌位五电平逆变器，它的电压合成比二极电容嵌位五电平逆变器，它的电压合成比二极管方式更具有灵活

11、性。管方式更具有灵活性。VanVan可有以下开关组合方式可有以下开关组合方式合成：合成： 1) 1) 对应于对应于Van = Vdc/2Van = Vdc/2，导通，导通S1-S4S1-S4。 2) 2) 对应于对应于Van = Vdc/4Van = Vdc/4，则有，则有3 3种组合方式：种组合方式： a) a) 导通导通S1S1，S2S2，S3S3，S1 S1 b) b) 导通导通S2S2，S3S3，S4S4，S4S4 c) c) 导通导通S1S1，S3S3，S4S4，S3 S3 3) 3) 对于对于Van = 0Van = 0，则有，则有6 6种组合方式：种组合方式： d) d) 导通导

12、通S1S1，S2S2，S1S1，S2 S2 e) e) 导通导通S3S3，S4S4，S3S3，S4 S4 f) f) 导通导通S1S1，S3S3，S1S1，S3 S3 g) g) 导通导通S1S1，S4S4，S2S2，S3 S3 h) h) 导通导通S2S2，S4S4，S2S2，S4 S4 i) i) 导通导通S2S2，S3S3，S1S1，S4 S4 4) 4) 对应于对应于Van = -Vdc/4Van = -Vdc/4，则有，则有3 3种组合方式：种组合方式： 5) 5) 对应于对应于Van = -Vdc/2Van = -Vdc/2，导通，导通S1-S4 S1-S4 。五电平电容嵌位五电平

13、电容嵌位逆变器逆变器 P1064.2 4 电容箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器电容箝位多电平变流器的元件：电容箝位多电平变流器的元件：P106 设变流器的电平数为设变流器的电平数为m，则：，则： 1. 1. 需分压电容：需分压电容： m1 2. 2. 每相开关元件：每相开关元件： 2 2（m1） 3. 3. 每相箝位电容：（每相箝位电容：（m1）（）（m2）/2/24.2 4 电容箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器n电容箝位型多电平变流器的缺点：电容箝位型多电平变流器的缺点： P107 1. 1. 需大量电容，电容体积大，成本高，需大量电容，电容体积大，成本高，封装难。封装难。

14、2. 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 3. 控制用功功率时，开关频率高，开关控制用功功率时，开关频率高，开关损耗大。损耗大。 4. 4. 为使电容充放电保持平衡，增加了系为使电容充放电保持平衡，增加了系统控制的复杂度。统控制的复杂度。4.25 级联型多电平变流器级联型多电平变流器级联型逆变器级联型逆变器n具有独立直流电源的级具有独立直流电源的级联型逆变器最初应用在联型逆变器最初应用在电机驱动领域，每个全电机驱动领域，每个全桥单元需要一个绝缘的桥单元需要一个绝缘的和独立的直流电源。级和独立的直流电源。级联的逆变器适用于所有联的逆变器适用于所有的功率状况，

15、特别是中的功率状况，特别是中压系统。在线性功率串压系统。在线性功率串并联状态下，与传统的并联状态下，与传统的 PWM PWM 控制的逆变器相比，控制的逆变器相比，此逆变器的比较优势是此逆变器的比较优势是低成本，高性能，低电低成本，高性能，低电磁干扰磁干扰(EMI)(EMI)，高效率，高效率等优点。等优点。4.2 6 多电平技术的矢量控制多电平技术的矢量控制 P107五电平逆变器的五电平逆变器的电压矢量图电压矢量图n多电平技术的一大优点多电平技术的一大优点是矢量合成的优越性是矢量合成的优越性n利用电压空间矢量定义利用电压空间矢量定义式式, ,可得到可得到N N电平逆变器电平逆变器的电压矢量图。的电压矢量图。nN N电平逆变器共有电平逆变器共有N N3 3种种电压空间矢量电压空间矢量The end