电力电子技术多电平技术优质精选课件.ppt
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1、电力电子技术多电平技术新3/47多重逆变电路和多电平逆变电路电压型逆变电路的输出电压是矩形波,电流型电压型逆变电路的输出电压是矩形波,电流型逆变电路的输出电流是矩形波,矩形波中含有逆变电路的输出电流是矩形波,矩形波中含有较多的谐波,对负载会产生不利影响。较多的谐波,对负载会产生不利影响。常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来,常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来,使之成为接近正弦波的波形。使之成为接近正弦波的波形。也可以改变电路结构,构成多电平逆变电路,也可以改变电路结构,构成多电平逆变电路,它能够输出较多的电平,从而使输出电压向正它能够输出较多的电平,从而使输出电压向正弦波靠近。弦波靠
2、近。4/47多重逆变电路二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成,输出通过变两个单相全桥逆变电路组成,输出通过变压器压器T1和和T2串联起来。串联起来。输出波形输出波形 两个单相的输出两个单相的输出u1和和u2是是180矩形波。矩形波。u1和和u2相位错开相位错开=60,其中的其中的3次谐波就次谐波就错开了错开了360=180,变压器串联合成后,变压器串联合成后,3次次谐波互相抵消,总输出电压中不含谐波互相抵消,总输出电压中不含3次谐波。次谐波。uo波形是波形是120矩形波,含矩形波,含6k1次谐波,次谐波,3k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。n由此得出的一些结论
3、由此得出的一些结论n 把若干个逆变电路的输出按一定的相位差把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。n 多重逆变电路有串联多重和并联多重两种多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式,电压型逆变电路多用串联多重方式,电方式,电压型逆变电路多用串联多重方式,电流型逆变电路多用并联多重方式。流型逆变电路多用并联多重方式。12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo目录目录 1 多电平变换器研究的背景及意义n2 多电平逆变器研究现状n 2
4、.1 二极管箝位型多电平逆变器n 2.2 飞跨电容型多电平逆变器n 2.3 级联型多电平逆变器n3 多电平调制策略n4 H桥级联型逆变器仿真1多电平变换器研究的背景及意义多电平变换器研究的背景及意义n 随着社会工农业生产规模的不断扩大,对能源的需求量也越来越大,对于现有的有限能源,如何合理利用,是各国政府关心的问题。我国政府制定的“十二五”规划,把节能减排定为规划纲要,以保证我国经济和社会的可持续发展。n 电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源,是能源消耗的大户,根据国家权威部门统计,我国的发电量有60%左右被电动机消耗,而其中的90%被交流电动机消耗。1多电平变换器研究的背景及意义多电平
5、变换器研究的背景及意义n 因此,对于交流电动机的变频调速研究,存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机,由于传统的工作方式为电网电压直接驱动,存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节,造成了很大的电能损失。n 而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术,但现有功率开关受耐压等级的制约,传统的两电平逆变器无法有效应用于高压多电平变换器研究的背景及意义多电平变换器研究的背景及意义变调速领域,即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器,也存在动、静均压问题,并且dv/dt较大,会产生难以处理的电磁干扰问题。为此,有学者提出一种多电平功率变换技术,旨在解决功率开关耐压不足与高压
6、大功率驱动之间的矛盾,并且可以有效减小dv/dt,降低输出电压的谐波含量,已成为高压大功率驱动场合的发展趋势。2 多电平逆变器研究现状多电平逆变器研究现状n 多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器从电路拓扑结构入手,在得到高质量的输出波形的同时,克服两电平电路的诸多缺点:无需输出变压器和动态均压电路,开关频率低,因而开关器件应力小,系统效率高,对电网污染少等。多电平逆变器研究现状多电平逆变器研究现状n 多电平逆变器的思想从提出至今,出现了很多拓扑,但归纳起来主要有三种:n(1)二极管箝位型逆变器n(2)飞跨电容型逆变器n(3)具有独立电源的级联型逆变器多电平逆变器研究现状多电平逆变器研究现
7、状n n 这三种结构具有共同的优点:n(1)电平数越高,输出电压谐波含量越低;n(2)器件开关频率低,开关损耗小;n(3)器件应力小,无需动态均压。二极管箝位型多电平逆变器二极管箝位型多电平逆变器n 1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路。n 1980年日本的A Nabae等人对其进行了发展,提出了二极管箝位式逆变电路。图图1为单相二极管箱位逆变电路,它为单相二极管箱位逆变电路,它具有具有2个电容,能输出个电容,能输出3电平的电压。电平的电压。n Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平变换
8、电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位,同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。n 对于N电平三相二极管箝位型电路,直流侧需N-1个电容,能输出N电平的相电压,线电压为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电压和输出电流的总谐波畸变率越小。(1)二极管箝位型逆变器也可以改变电路结构,构成多电平逆变电路,它能够输出较多的电平,从而使输出电压向正弦波靠近。广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机,由于传统的工作方式为电网电压直接驱动,存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节,造成了很大的电能损失。当然,级联H桥型变流器也有不足之处,主要就是在需要提供有功功率的场合必须采用独立直
9、流电源。在图1中,通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电压分成三个电平,即,E/2,0和-E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。但是对于输出Uan为0电平时,导通的开关既可以是S1,S1,又可以是S2,S2。飞跨电容型逆变器相对于二极管箱位型逆变器,具有以下优点:而采用载波相移的控制策略,其计算量不会随着输出电平数的增多而变得更加复杂。可见在在逆变电路同一桥臂上的两个IGBT不同时导通的情况下,V1和V4,V2和V3同时通断可输出两电平。若要得到更多电平数,如N电平,只需将直流分压电容改为(N-1)个串联,每桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联,每桥臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-
10、2)个,每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位,再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。对于三电平电容箝位型拓扑,如图2所示,当S1,S2同时导通时,Uan=E/2,(2)飞跨电容型逆变器H级联型逆变器有如下特点SPWM波生成原理图如图6所示。该方法的缺点是,由于开关频率较低,输出电压谐波含量较大。这给多电平逆变器带来了麻烦,只能采用控制算法来解决这个问题而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术,但现有功率开关受耐压等级的制约,传统的两电平逆变器无法有效应用于高压空间矢量PWM调制策略为了利用低压开关器件获得多电平高压输出,二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器共
11、同采用的办法是,将电力电子开关器件串联组成半桥式结构,用一个高压直流电源供电,并采用多个直流电容串联分压,采用二极管或电容,将主开关管上的电压箝位在一个直流电容电压上,来达到用低压开关器件实现高压输出的目的。图18 载波频率分别为fc=1kHz时的输出电压电流波形 在图1中,通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电压分成三个电平,即,E/2,0和-E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分析就可以发现,不论在表1的哪一种工况,二极管D1,D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母线电压的一半。例如,当S1,S2同为导通时,二极管D2平衡了开关器件S1,S2上的电压分配。n 若要得到更多电平数
12、,如N电平,只需将直流分压电容改为(N-1)个串联,每桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联,每桥臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)个,每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位,再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。二极管箝位型逆变器的优点二极管箝位型逆变器的优点n 由于没有两电平逆变器中两个串联器件同时导通和同时关断的问题,所以该拓扑对器件的动态性能要求低,器件受到的电压应力小,系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多电平逆变器所固有的优点,如电压畸变小,du/dt小,对电机负载的冲击小等。n 二极管箝位结构的显著优点:就是利用二极管箝位解决了功率器件串联的
13、均压问题,适于高电压场合。二极管箝位型逆变器的缺点二极管箝位型逆变器的缺点n 但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构仍然有其固有不足:虽然开关器件被箝位在E/(N-1)电压上,但是二极管却要承受不同倍数的反向耐压;如果使二极管的反向耐压与开关器件相同,则需要多管串联,当串联数目很大时,增加了实际系统实现的难度。当逆变器传输有功功率时,由于各个电容的充电时间不同,将形成不平衡的电容电压。飞跨电容型多电平逆变器飞跨电容型多电平逆变器n 1992年,和H.Foch提出了如图2所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路,其特点是用箝位电容代替图1中所述的箝位二极管。n 直流侧电容不变,其工作原理与二极管箝位型逆变
14、器相似。若要输出更多的电平,须按照层叠接法进行扩展。因此也称为多单元层叠型逆变(Imbricated Cell Multi-level Inverter)。同样对于三相N电平逆变器可输出N电平相电压,(2N-1)电平的线电压。n 对于三电平电容箝位型拓扑,如图2所示,当S1,S2同时导通时,Uan=E/2,n而S1,S2 同时导通时,输出Uan=-E/2。n 但是对于输出Uan为0电平时,导通的开关既可以是S1,S1,又可以是S2,S2。这个电路的要点是维持箝位电容C1的端电压等于E/2;该电容器在S1,S1闭合时充电,在S2,S2闭合时放电。适当地选取0电平的开关组合,C1上的充电和放电的电
15、荷可以达到平衡。表2给出了二电平电容箝位型电路拓扑的常用工况。CPS-SPWM(Carriers Phase-Shifted PWM)原理及级联型多电平逆变器的基本原理进行了详细的阐述,理论上N个H桥级联而成的的级联型H桥多电平逆变器输出相电压最多可达到2N+1电平,但是逆变器输出的电平数及波形也会受到调制度与载波频率等的影响。对于电容电压平衡的问题,可以在输出相同电平时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决,但因电容太多,如何选择开关组合将非常复杂,并要求较高的切换频率。当逆变器传输有功功率时,由于各个电容的充电时间不同,将形成不平衡的电容电压。2 飞跨电容型多电平逆变器以三电平逆变器为例
16、,其电压空间矢量的数目为27个,其中独立的电压空间矢量为19个,1个零矢量,18个非零矢量,同样的,在空间旋转坐标下,对于任意时刻的矢量由相邻的3个非零矢量合成,在一个开关调制周期内对3个非零矢量与零矢量的作用时间进行优化安排,得到PWM输出波形。1 多电平变换器研究的背景及意义(2)器件开关频率低,开关损耗小;(1)在电压合成方面,开关状态的选择具有更大的灵活性;图18 载波频率分别为fc=1kHz时的输出电压电流波形这给多电平逆变器带来了麻烦,只能采用控制算法来解决这个问题而级联型多电平逆变器,是采用具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式,它不存在直流电容分压的问
17、题。载波相移SPWM技术的关键是要求各级联单元三角载波的相位角依次差一个角度,然后利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加原理产生载波相移SPWM波形。而且在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的运行安全,而电容器件本身存在可靠性较差,寿命较短的问题,所以导致逆变器可靠性差。1多电平变换器研究的背景及意义图1为单相二极管箱位逆变电路,它具有2个电容,能输出3电平的电压。多电平逆变器的PWM控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术,它是与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的,因为它不仅决定多电平逆变器的实现与否,而且,对多电平逆变器的电压输出波形质量,系统损耗
18、的减少与效率的提高都有直接的影响。但是对于输出Uan为0电平时,导通的开关既可以是S1,S1,又可以是S2,S2。其基本原理与两电平SVPWM方法相似,只是开关组合的方式随着电平数的增加而有所增加,其规律是对于l电平逆变器,其电压空间矢量的数目为l3个,当然这些电平中有些在空间上时重合的。H级联型逆变器有如下特点多电平变换器研究的背景及意义表2飞跨电容箝位型三电平逆变器工况5电平电压源逆变器C10C4C3C2sa1sa2sa3sa4sb1sb2sb3sb4sc1sc2sc3sc4sc1sc2sc3sc4sb1sb2sb3sb4sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca
19、3ca341aaSSdcaVV0导通导通C1C4C3C2sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a0aVo导通导通4/30dcaVV,4321,aaaaSSSS,1432,aaaaSSSS,2431,aaaaSSSSC1C4C3C2sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a0aVo导通导通,1432,aaaaSSSSC10C4C3C2sa2sa3sa4sa1V2V1V1V2ca3ca3ca3a4/30dcaVV,2431,aaaaSSSS导通导通C10C4C3C2sa1sa3sa4sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2c
20、a3ca3ca3a4/30dcaVV2/0dcaVV,2,143,aaaaSSSS,4,321,aaaaSSSSC10C4C3C2sa1sa2sa4sa3V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV C10C4C3C2sa3sa4sa2sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV 2/0dcaVV,3,241,aaaaSSSS,4,231,aaaaSSSSC10C4C3C2sa1sa3sa4sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV C10C4C3C2sa1sa4sa3sa2V2V1V1V2ca1ca2
21、ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV 2/0dcaVV,4,132,aaaaSSSS,3,142,aaaaSSSSC10C4C3C2sa2sa4sa3sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVVC10C4C3C2sa2sa3sa4sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a4/0dcaVV,4,3,21,aaaaSSSS,3,2,14,aaaaSSSSC10C4C3C2sa1sa3sa4sa4sa3sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a4/0dcaVVC10C4C3C2sa4sa3sa2sa1V2V1V1V2ca1ca
22、2ca2ca3ca3ca3a4/0dcaVV4/0dcaVV,4,2,13,aaaaSSSSC10C4C3C2sa3sa4sa2sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a当某单元出现故障,可将其旁路,其余单元可继续运行,系统可靠性大大得到了提高;可见在在逆变电路同一桥臂上的两个IGBT不同时导通的情况下,V1和V4,V2和V3同时通断可输出两电平。1多电平变换器研究的背景及意义级联型H桥逆变器由若干功率单元级联而成,每个单元有其独立的直流电源。输出电平包括E,-E。采用模块化安装,结构紧凑;(4)多电平空间矢量PWM技术。(2)器件开关频率低,开关损耗小;SPWM波生成原理图
23、如图6所示。但是对于输出Uan为0电平时,导通的开关既可以是S1,S1,又可以是S2,S2。4 H桥级联型逆变器仿真H级联型逆变器有如下特点但是对于输出Uan为0电平时,导通的开关既可以是S1,S1,又可以是S2,S2。对于三电平电容箝位型拓扑,如图2所示,当S1,S2同时导通时,Uan=E/2,图18 载波频率分别为fc=1kHz时的输出电压电流波形Foch提出了如图2所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路,其特点是用箝位电容代替图1中所述的箝位二极管。电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源,是能源消耗的大户,根据国家权威部门统计,我国的发电量有60%左右被电动机消耗,而其中的90%被交流电动
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