多电平逆变器建模与性能特征

合集下载

多电平逆变器简介

多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。

二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。

飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。

级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。

它的优点是不存在电容平衡问题，电路可靠性提高，易于模块化，适合7电平、9电平及以上的多电平应用，是目前应用最广的多电平电路。

缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。

多电平逆变器的PWM控制策略可分为：在上述的多电平逆变器的PWM控制法中，空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器，五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多，控制算法复杂，不适合用该方法。

对于五电平以上的多电平逆变器，适合采用载波调制PWM 控制法。

载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器，也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。

载波移相PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，则适合于级联型多电平逆变器。

开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波，因而只适用于三相多电平逆变器。

对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器，载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法，可提高等效开关频率，控制效果更好。

多电平三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模大小种类很多，电压合成更加接近正弦波，所以多电平的空间电压矢量法控制进度高，输出电压的谐波含量小。

但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中，此时空间电压矢量PWM法控制算法非常复杂。

一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。

多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真

目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (54)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (56)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (56)5.3.2仿真结果与分析 (56)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (57)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (58)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。

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,将来研究的目标是高功率密度、高效率、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。

多电平逆变器技术介绍

多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。

关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。

但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。

1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。

这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。

由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。

随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。

1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。

1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。

2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。

这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。

此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。

多电平逆变器

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。

多电平逆变器简介

多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。

二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。

飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。

级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。

它的优点是不存在电容平衡问题，电PWM控弦波，5电平以一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。

缺点：1）每相桥臂开关器件的工作频率不同，造成了各开关器件的负荷不一致；2）对于m电平电路来说，每个桥臂需要（m-1）（m-2）个箝位二极管，即随着电平数的增加，所需箝位二极管数目将快速增加，成本增加；3）电平数越大，利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。

二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量，3个零矢量，独立的空间电压矢量有19（=1+1*6+2*6）个，60°区域小三角形个数为1+3=4。

2.控制策略1实际上，2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α轴重合，逆时针旋转60°为h轴，设参考矢量，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为：归一化处理后（矢量坐标整数化），将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系，得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示：②矢量分区方法扇区的确定方法：空间矢量图可分成6个扇区（A-F），设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。

模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析

模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析摘要：近年来，随着电力系统的快速发展和智能电网的实施，多电平逆变器在电力系统中的应用越来越重要。

模块化多电平逆变器作为一种新型逆变器，具有高效、灵活、可靠的特点，与传统的单电平逆变器相比，具有更大的优势。

本文将从以下几个方面对模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势进行分析。

1. 高效性能模块化多电平逆变器采用多级电路结构，由多个相互独立的单元构成。

相比于传统的单电平逆变器，模块化多电平逆变器在电能转换过程中能够有效降低损耗，提高能量利用率。

其高效性能不仅能够减少电能消耗，降低供电成本，还能够对电力系统的负载性能进行优化，提高系统的稳定性和可靠性。

2. 灵活性和可拓展性模块化多电平逆变器可以根据不同的电力系统需求进行灵活的组合。

其可拓展性使得多个逆变器模块可以在同一系统中并行运行，从而提供更大的输出功率。

此外，模块化多电平逆变器还可以根据需要进行模块的增减，以应对不同负载需求的变化。

这种灵活性和可拓展性为电力系统的规模化应用提供了更多的可能性，能够更好地适应系统的变化和发展。

3. 技术先进性模块化多电平逆变器采用现代控制技术和先进的功率电子器件，具有更高的性能和可靠性。

通过使用高频开关技术和矢量控制算法，模块化多电平逆变器能够实现精确的电压和频率调节，提供更高质量的电力输出。

同时，模块化设计使得故障发生时仅需替换故障模块，减少了维修和维护成本，提高了系统的可靠性和可用性。

4. 适应性和互联互通能力模块化多电平逆变器能够适应不同类型和规模的电力系统。

无论是微电网、光伏发电系统还是风能发电系统，模块化多电平逆变器都能够灵活应用，并与其他设备实现互联互通。

这种适应性和互联互通能力为电力系统的安全运行和智能管理提供了有力的支持。

结论：模块化多电平逆变器作为一种新兴的逆变器技术，在电力系统中具有诸多应用优势。

其高效性能、灵活性和可拓展性、技术先进性以及适应性和互联互通能力，使得模块化多电平逆变器成为电力系统中不可或缺的关键组件。

多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真

目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。

多电平逆变器

E S12
S 32
S 42
S 22
vH 2
S13
S33
E
S43
S23
vH 3
S11
S31
E
S 41
S 21
A
vH1
S12
S 32
E
S42 S22
vH 2
S13 S33
E
S43 S23
vH 3
S14
S 34
E
S44
S 24
vH 4
7电平和9电平串联H桥逆变器一相的结构
多电平逆变器
15
A
A6
13电平串联H桥逆变器结构
忽略。
7
单极性调制法
两个极性相反三角波：Vcr和Vcr-，它们的幅值和频率相同，相位互差180°
两个三角波都与同一个正弦波Va进行比较，产生两个门信号Vg1和Vg3，分别驱动 H桥逆变器上部的两个器件 S1和S3。
单极性调制法： Vab逆变器输出电压在正半周期中只在ห้องสมุดไป่ตู้0和+Vd之间切换，在负半周期，则只在0和-Vd之间切换。
第4部分：多电平逆变器
多电平逆变器
1
4.1 简介 4.2 H 桥逆变器
4.3 多电平逆变器拓扑结构
4.4 基于载波的PWM调制法 4.5 阶梯波调制法 4.6 应用实例
多电平逆变器
2
4.1 简介
串联H桥逆变器: 英文Cascaded H-Bridge, CHB
S1
D1
S3
D3
Vd
Cd
v AB
3.当S31、S41、S32和S42导通时，为
H1
-2E。

多电平逆变电路主要有哪几种形式？各有什么特点？

多电平逆变电路主要有哪几种形式？各有什么特点？多电平逆变电路是一种通过在输出电压上产生多个离散电平的逆变器结构。

常见的多电平逆变电路形式包括以下几种：
1.多电平PWM逆变电路：利用多种开关模式和多级逆变电
路，通过PWM调制技术在输出电压上实现多个离散的电
平。

其中较为常见的是三电平和五电平的PWM逆变电路。

o三电平PWM逆变电路：具有三个输出电平（正、零和负），可以实现更低的谐波和更接近正弦波形的输
出。

o五电平PWM逆变电路：具有五个输出电平，进一步降低了输出谐波含量和提高了输出波形质量。

2.多电平逆变电路：通过多级串联逆变器实现多个输出电平，
每个级别可以控制并输出不同的电压水平。

这种电路可根
据需要灵活地增加级数，以增加输出电压水平的数量。

以上多电平逆变电路的特点包括：
•低谐波含量：通过产生更多的离散电平，能够有效降低逆变器输出的谐波含量，接近于正弦波形输出。

•更高的输出质量：多电平逆变电路可以提供更平滑、更接近正弦波的输出电压，减小谐波畸变和噪声。

•更低的电磁干扰：由于输出波形更接近正弦波形，多电平逆变电路产生的电磁干扰较少。

多电平逆变电路通常适用于对输出波形质量要求较高的应用，
如电力电子领域、可再生能源逆变器、电机驱动等。

然而，多电平逆变电路的设计和控制较为复杂，电路结构和开关模式的选择需要根据具体应用需求和性能要求进行仔细的分析和优化。

多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化

多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化摘要:近年来，在高压大功率应用领域多电平功率变换技术得到了广泛的关注，成为电力电子领域中学者研究的热点。

与传统逆变器相比多电平逆变器的主要缺点需要很多开关器件，但是由于电压在开关器件或单元模块的平均分配，可采用低耐压的功率器件，所以多电平逆变电路并没有在开关方面成本增加。

本文在电平钳位基础上对多电平逆变电路拓扑结构进行了分类，分析了几种典型多电平电路拓扑的优缺点。

对几种多电平电路的PWM控制方法进行了比较分析，讨论了各种方法适用的主电路结构。

主要是在研究传统级联多电平、混合级联多电平、飞跨电容型多电平逆变电路、二极管钳位级联多电平的基础上，提出了一种基于基本单元组合的多电平逆变电路设计方法。

根据本文的研究思想，不仅可以得到已有的多电平逆变电路的拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构从而将多电平逆变拓扑结构的研究统一在基本结构单元的范畴之内，并结合PSpice软件仿真分析。

关键词：多电平；电平钳位；拓扑结构；级联式；基本单元组合The multilevel inverter circuit topology structure andsimulation optimizationAbstract：In recent years, the high pressure high-power application field multilevel power transformation technology is received extensive attention, become the power electronic field scholars research hot spot. Compared with the traditional inverter multilevel inverter the main disadvantage need many switching device, but because the voltage in switching device or unit of the module average distribution, can use the low voltage power components, so the multilevel inverter circuits and not in the switch of increased cost.In this paper based on the clamping level of multilevel inverter circuit topology structure are classified, and analyzes some typical multilevel circuit topology advantages and disadvantages. Several of the circuit of multilevel PWM control methods were compared and analyzed, and the method is discussed a wide main circuit structure. Mainly in the study of traditional cascade multilevel, mixed cascade multilevel, diodes clamping cascade multilevel was put forward on the basis of a basic unit based on the combination of multilevel inverter circuit design method. According to this paper the research idea, not only can receive the existing multilevel inverter circuit topology, and can be a series of new topological structure is derived and the topological structure of the multilevel inverter unified in basic research structure unit within the category, and combined with MATLAB software copy.KeyWords：The multilevel; Level the clamping; The topological structure; Cascade; The basic unit目录第1章绪论 (1)1.1 多电平逆变技术概述 (1)1.2多电平逆变技术进展与现状 (4)1.3 研究目的 (4)1.4多电平逆变器的应用 (5)第二章多电平逆变电路的主电路拓扑分析 (8)2.1 二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑 (8)2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理 (8)2.1.2 二极管钳位式多电平逆变电路 (10)2.1.3电容悬浮式多电平逆变电路 (12)2.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路 (13)2.2 飞跨电容型多电平逆变电路 (14)2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理 (14)2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点 (16)2.3 级联式多电平逆变电路 (16)2.3.1 级联型多电平逆变电路的结构和工作原理 (17)2.3.2 H桥逆变单元 (17)2.3.3 对称全桥逆变电路 (18)2.3.5 混合电路串联逆变电路 (19)2.3.4 级联型多电平逆变电路优缺点 (21)2.3 本章小结 (22)第三章基于基本单元的级联式多电平逆变电路 (23)3.1基本单元的介绍 (23)3.2由基本结构得到的多电平逆变拓扑 (23)3.3 功率单元串联级电平逆变电路 (26)3.4 本章小节 (27)第四章仿真研究 (28)4.1 仿真平台 (28)4.2 仿真及结果 (28)4.3 本章小节 (30)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)第一章绪论近年来，在大功率应用领域多电平功率变换技术得到了很广泛的应用。

多电平逆变器

电容箝位自平衡式多电平逆变器(通用拓扑)
电容箝位自平衡式多电平逆变器是针对逆变器的电容电压具有自平衡功能而定的名称，它属于电容箝位式多电平逆变器的一种改进形式。这种逆变器不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容电压的偏移问题，从理论上实现了电容电压的自平衡。
电容箝位自平衡式多电平逆变器电路
混合箝位式多电平逆变器
二极管电容混合箝位式多电平逆变器电路能够比较好地解决单纯二极管箝位式多电平逆变电路的内侧开关管的耐压问题以及直流侧电容电压的平衡问题。电路的特点是，在二极管箝位多电平逆变器的单相电路中，增加了(m-1)(m-2)/2个电容。
二极管电容混合箝位多电平逆变器电路
率成正比。降低开关频率或加入一些特定的开关状态，可以大大减少损耗，提高效率。
2）和一般的二极管箝位和电容箝位电路相比，这种逆变器各级的中点电压都能得到很好的控制。
3）对一个m级电平的通用式多电平逆变器，所需的开关器件、开关管数量为m(m-1)；需要的电容数量为 m(m-1)/2。
4）计算简单，器件应力可以达到最小。 5）通用拓扑，易于衍生出新的拓扑结构，具有很高的研究价值。
二极管自箝位五电平逆变器
二极管箝位式多电平逆变器
这种二极管箝位式五电平逆变器增多了电平数，因而可以使输出电压和输出电流的总谐波含量大大减小。这种电路结构形式的显著优点是利用二极管进行箝位，解决了功率开关管串联均压的问题。但也存在一些缺点：
1）为保证每个箝位二极管承受相同的反向电压，箝位二极管的数量将按电平数的二次方快速增加。
多电平变换器概述
多电平变换器
1、多电平变换器产生的背景 2、多电平变换器的分类 3、箝位式多电平变换ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4、级联型的多电平变换器 5、开绕组双端供电式多电平变换器

模块化多电平变换器的数学建模与分析

模块化多电平变换器的数学建模与分析当今世界经济发展所面临的重要课题之一就是如何节约能源、保护环境。

其中，用于电力变换的模块化多电平变换器就是一个非常重要的技术手段。

而对于模块化多电平变换器来说，数学建模和分析就显得尤为重要。

本文将介绍模块化多电平变换器的数学建模和分析方法，希望能为相关研究提供一些借鉴和参考。

一、模块化多电平变换器的概念及特点模块化多电平变换器是一种应用于高功率电力电子补偿、驱动等领域的电力变换器。

与传统电力变换器相比，它具有更高的功率密度、更好的电力质量和更高的效率等优点。

其实现方法是通过并联多个交流电源和电容、电源开关器件，在无需任何额外的输出滤波器的条件下，构成多个输出电平，实现直流电压变换。

模块化多电平变换器具有以下几个特点：1.可重构性：可根据不同的应用需求选择不同的电压级数目，实现最佳的功率匹配。

2.高效率：由于无需输出滤波器，因此不仅能够减少磁性元件的大小和重量，还能提高效率。

3.输出电压质量优秀：在满足一定的调制策略下，输出电压具有较低的失真和较小的开关噪声。

4.可靠性高：由于输出过电压和过电流保护，使模块化多电平变换器具有更高的可靠性。

二、模块化多电平变换器的数学建模模块化多电平变换器的数学建模实质上就是描述它的输入-输出关系。

以下将介绍两种不同的数学建模方法。

1.能量平衡法建模能量平衡法建模的主要思路是通过能量守恒原则，建立模块化多电平变换器的电路方程，用于分析其输入和输出电路的关系。

具体而言，在模块化多电平变换器的等效电路图中，利用基尔霍夫电流和电压定律，分别对每个电容、电源开关进行分析，建立其电路方程。

同时，在考虑开关状态的同时，对每个开关器件进行电流通道和电压通道的分析，建立对应的拓扑结构。

2. 矢量控制法建模矢量控制法建模的思路是将模块化多电平变换器的电路分解为多个独立的等效电路，并对每个等效电路进行控制。

通过电压调制和电流控制两部分控制方式，精确控制每个等效电路的状态，实现对整个模块化多电平变换器的控制。

理解电力电子技术中的多电平逆变器原理

理解电力电子技术中的多电平逆变器原理在电力电子技术领域中，多电平逆变器是一种重要的器件，具有广泛的应用。

本文将为您介绍多电平逆变器的原理和工作原理，以帮助更好地理解这一技术。

多电平逆变器是一种能够将直流电能转换为交流电能的电子设备。

它通过在逆变器电路的输出端采用多个电平的电压波形来减小输出电压的谐波含量，从而提高逆变器的性能。

多电平逆变器的主要优点包括：降低谐波失真、提高输出电压质量、降低电磁干扰等。

多电平逆变器的核心元件是功率开关器件和电力电容。

在多电平逆变器中，功率开关器件通常是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）。

功率开关器件通过开关操作来控制电流的流向，并将直流电压转换为具有多电平的交流电压。

为了实现多电平输出，多电平逆变器采用了多个电源，每个电源输出的电压可以分别调节。

通常情况下，这些电源的电压范围是相互叠加的，并且相位差为π/6或π/3。

多电平逆变器的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 直流电压输入：多电平逆变器的输入为直流电压，可以通过整流器从交流电源获取。

直流电压的大小根据应用需求而定。

2. 逆变器控制：通过控制信号来控制功率开关器件的导通和截止。

控制信号通常由微控制器或数字信号处理器生成，通过PWM（脉宽调制）技术来实现。

3. 多电平输出：根据控制信号的不同，多个电源的电压经过变换和叠加，形成具有多个电平的交流电压。

这样的多电平输出可以有效减小谐波含量，提高输出波形的质量。

4. 滤波器和输出传输：为了进一步提高输出电压的质量，通常还需要使用滤波电路来滤除谐波信号。

输出电压可以通过变压器等传输装置输送给目标负载。

多电平逆变器在许多领域中都有广泛的应用，包括工业控制、电力调节、再生能源等。

它可以有效地改善电力质量，降低对电网的干扰，并提高系统的效能和可靠性。

总结起来，多电平逆变器是一种电力电子技术中重要的器件。

它通过控制功率开关器件和多电源电压的变换叠加，实现了具有多电平的交流电压输出。

弱电网下多并网逆变器系统建模和稳定性分析

弱电网下多并网逆变器系统建模和稳定性分析随着清洁能源的快速发展，多并网逆变器系统在弱电网环境下的应用越来越广泛。

本文将探讨弱电网下多并网逆变器系统的建模和稳定性分析。

首先，我们需要建立多并网逆变器系统的数学模型。

该模型主要包括电网侧和逆变器侧的两个子系统。

电网侧子系统由电网电压、电流和频率组成，逆变器侧子系统由逆变器输出电压、电流和频率组成。

通过建立电网侧和逆变器侧的电压、电流和频率之间的动态关系方程，我们可以得到整个多并网逆变器系统的动态模型。

接下来，我们将对多并网逆变器系统的稳定性进行分析。

稳定性是指系统在面对外部扰动或内部变化时，能够保持稳定的特性。

在弱电网环境下，由于电网电压的波动和不稳定性，多并网逆变器系统的稳定性问题变得尤为重要。

针对稳定性问题，我们可以采取一系列措施来提高多并网逆变器系统的稳定性。

首先，可以采用适当的控制策略，如电压和频率控制，以确保逆变器输出电压和频率与电网保持一致。

其次，可以加入滤波器和补偿装置来减小电网电压的波动和不稳定性。

此外，还可以通过改进逆变器的控制算法和参数调整来提高系统的稳定性。

最后，我们需要进行系统的稳定性分析。

稳定性分析可以通过线性化系统动态模型，并利用传统的稳定性分析方法，如根轨迹法和频域法进行。

通过分析系统的极点位置和频率响应，我们可以评估多并网逆变器系统的稳定性，并进行必要的调整和改进。

总之，弱电网下多并网逆变器系统的建模和稳定性分析对于确保系统的稳定运行和提高清洁能源利用效率非常重要。

通过建立适当的数学模型，采取合适的控制策略和稳定性分析方法，我们可以有效地提高多并网逆变器系统在弱电网环境下的稳定性和可靠性。

多电平逆变器技术及其原理综述

多电平逆变器技术及其原理综述多电平逆变第5期蔡兴：多电平逆变器技术及其原理综述181要M-1个电容。

每相桥臂的结构必须相同，两层电容之间电压增加的大小决定输出波形中每阶电压电平高度。

比较分析，可以得到电容钳位式多电平逆变器优缺点如下。

优点：(1)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(2)逆变器电平数易扩展,电压合成方面，开关状态选择具有较大的灵活性；(3)由于电容的引进，可通过在同一个电平上不同开关组合，使直流侧电容电压保持平衡。

缺点：(1)随着电平数的增加，需要大量的钳位电容，增加了系统的成本；(2)用于纯无功负载时，可能存在飞跨电容电压不平衡；(3)对有功功率变换，高频时逆变器的控制非常复杂，同时有很高的开关损耗。

1.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式和电容钳位式多电平拓扑的提出，为利用低耐压型开关器件获得多电平高压输出提供了新思路，但同时也带来直流电容分压不平衡等一系列问题，控制也十分复杂。

为此可采用多个独立的直流电容分压，输出多个电平的方式，即有独立直流电源的级联式逆变器。

基于传统的二电平低压小容量桥式逆变器的级联多电平逆变器，采用串联若干个低压功率单元的方式来实现高电压输出，这种电路的结构和方法比较容易实现向更多电平数的扩展，产生更高电压的输出。

例如级联式五电平逆变器拓扑单臂电路，是由两个两电平H桥单元级联而成。

与二极管钳位式和飞跨电容式多电平逆变器相比较，级联式多电平逆变器拓扑不需要大量钳位二极管和飞跨电容，但是需要多个独立的直流电压源。

对于一个M电平的级联型逆变器，每一个桥臂需要(M-1)/2个独立直流电压源和2(M-1)个主开关器件。

这种拓扑可以方便地通过星形或三角形联接构成三相系统。

比较分析，可以得到级联式多电平逆变器优缺点如下。

优点：(1)无需大量钳位二极管和钳位电容，在三种多电平变换拓扑中，对于相同的电平数，所需器件最少，易于封装；(2)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(3)基于低压小容量逆变器器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于七或九电平及更高的电平应用场合。

研究生讲座-多电平逆变技术

钳位式多电平逆变器
飞跨电容钳位式多电平逆变器混合钳位式多电平逆变器具独立直流电源级联式多电平逆变器混合级联式多电平逆变器三相半桥式SPWM 逆变器的级联
多电平逆变器
级联式多电平逆变器
层叠式多电平逆变器多重叠加式逆变器
3H桥级联式

4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★ 钳位式多电平逆变器通过箝位二极管或箝位电容，将主开关管上的电压箝位在一个直流电容电压上。钳位式多电平逆变器: 由基本逆变单元通过串、并联组合而成的一种单一直流电源、半桥式结构形式的钳位式多电平逆变器。
●
du/dt小、EMI小。
逆变器的输出电压取决于多个直流电源串联的电压之和，→可提高逆变器的输出电压和输出功率。
∵多个直流电源串联，→开关管耐压、du/dt只取决于与之并联的那个直流电源 ●
开关损耗小、逆变效率高。 ∵通过增加电平数来减小输出电压谐波，→开关管工作在低频或工频
●
——多电平逆变器适合于高压大功率场合应用。技术处发展阶段
用一个高压直流电源供电，并采用多个直流电容串联分压
4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★
■
钳位式多电平逆变器二极管钳位式3电平NPC-PWM-INV
4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★
■
fc=500Hz
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法
fc=1500Hz
◆ 两电平 PWM 逆变器
R=1Ω，L=1mH
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法
fc=1500Hz
◆ 两电平 PWM 逆变器
R=1Ω，L=1mH
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法

三相三电平电压型逆变器仿真建模与特性分析

三相三电平电压型逆变器仿真建模与特性分析黄绍平,杨　青,浣喜明Ξ(湖南工程学院电气与信息工程系,湖南湘潭411101) 摘　要:利用MA TLAB软件中的电力系统模块库(PSB),为三相三电平电压型逆变器建立了仿真模型,对其输出特性进行了仿真分析,并利用快速傅里叶变换(FF T)分析工具对逆变器的输出电压进行了谐波分析.仿真实例表明了此模型和仿真方法的正确性.关键词:三电平逆变器;脉宽调制(PWM);快速傅里叶变换(FF T);谐波;MA TLAB中图分类号:TM921 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)01-0001-040　引　言随着大功率全控型电力电子器件(如GTO、IG2 B T、MOSFET、IGCT等)的开发成功和应用技术的不断成熟,近年来电能变换技术出现了突破性进展,各种新型逆变器已开始在各类直流电源、U PS、交流电机变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用,并使得有源电力滤波器(APF)、静止无功发生器(SV G)以及各种灵活交流输电系统(FACTS)和配电系统FACTS(DFACTS)中各种装置的研制成为可能.由于大功率电力电子装置的结构非常复杂,若直接对装置进行试验,代价高且费时费力,故在研制过程中需要借助计算机仿真技术,对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证,以预测并解决问题,缩短研制时间.MA TLAB软件具有强大的数值计算功能,方便直观的Simulink建模环境,其PSB(电力系统模块库)中有丰富的各类电气元件模块,尤其是MA T2 LAB6.5版的推出,PSB中包括了常用的电力电子器件模型、三相桥电路模型、PWM脉冲发生器模块、FF T(快速傅里叶变换)模块以及各种离散测量与控制算法模块,使复杂电力电子装置的建模与仿真成为可能.本文利用MA TLAB/PSB为一个三相三电平PWM(脉宽调制)逆变器建立系统仿真模型,并对其输出特性进行仿真分析.1　三电平电压型逆变器的基本原理图1是一个三电平电压型单相桥逆变器原理电路[1].直流侧为储能电容;V T1～V T4为主功率开关器件GTO;各主功率开关器件旁反并联有续流二极管,为感性负载电流提供反馈能量至直流侧的无功通路;另外,接有中点钳位二极管.中点钳位二极管与续流二极管一起将输出端电位钳至直流电源中点电位.这是一个三电平逆变器电路,通过控制V T1、V T2、V T3、V T4的开通与关断,可以使桥臂中点输出有三个电平,即+E/2、0、-E/2.多电平技术(如三电平、五电平、七电平)就是由使逆变器输出几个电平台阶合成阶梯波,以逼近正弦波输出,这样可以有效地减少输出电压中的谐波含量,改善输出特性,同时降低了功率开关器件的电压定额.图1　三电平电压源型单相桥逆变器原理电路第15卷第1期2005年3月湖南工程学院学报Journal of Hunan Institute of EngineeringVo1.15.No.1Mar.2005Ξ收稿日期:2004-06-04作者简介:黄绍平(1964-),男,教授,研究方向:电力系统无功补偿、电力系统数字仿真.在各种应用中,对逆变器的输出特性有严格要求,除要求频率可变、电压可调外,还要求电压基波尽可能大,谐波含量尽可能小.上述的多电平结构就是改善逆变器输出特性的一种方法.改善逆变器输出特性更有效的方法是采用脉宽调制(PWM )技术.PWM 型逆变器是使用自关断器件作高频通断的开关控制,将逆变器的台阶电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出,并通过调制控制消除输出电压的较低次谐波,只剩幅值很小、易于抑制的较高次谐波.PWM 有各种调制方法,按照输出电压脉冲宽度变化规律有等脉宽调制和正弦脉宽调制(SPWM ).SPWM 又有同步调制与异步调制,同步调制是使三角形载波频率随正弦调制波频率成比例变化,在任何输出频率下都保持每半个周期内的输出脉冲数不变.2　三相三电平电压型逆变器建模图2是利用MA TLAB/PSB 中的各种元件模块所建立的一个三相三电平电压型逆变器的系统仿真模型[2].这一系统由两个结构完全一样的三相三电平电压型PWM 逆变器构成.逆变器的输出通过一台三相变压器供电给一个交流负载(1kW ,500var ,60Hz ,208V ).变压器的漏抗(8%)和负载电容(500var )可对逆变器输出电压进行滤波,以消除交流电压中的谐波成分.图2中各元件模块的功能与参数设置阐述如下:(1)三相三电平桥本系统使用两个完全相同的三相三电平桥.在PS B 中有通用桥模块、三电平桥模块等电力电子电路模块可供使用.三电平桥模块的桥臂数可选为1、2、3,功率开关器件有GTO 和IG BT 可供选择,图2中选用的是三相桥,器件为GTO.每个桥臂除开关器件外,还有4个与开关器件反并联的续流二极管和两个中点钳位二极管.开关器件内阻R on =0.1mΩ,正向压降U f =1V ,二极管正向压降U f =1V.(2)三相线性变压器逆变器输出通过变压器给一个三相交流负载供电.这一变压器使用PSB 中的三相线性变压器(12端子)模块,它是三个单相双绕组变压器构成的,有12个端子.有关参数设置为:三相额定功率为1000VA ,f =60Hz ,一次绕组线电压为240V ,二次绕组线电压为208V ,Rm =200p.u (标么值),Xm =200p.u.图2　三相三电平电压源型逆变器的系统仿真模型 (3)三相PWM 发生器采用MA TLAB/PSB /Extras/Discrete ControlBlocks library 中的三相离散PWM 发生器模块.这一PWM 发生器能为三相两电平或三电平逆变器2 湖南工程学院学报 2005年(单桥或双桥)产生触发脉冲.在本模型中,PWM 脉冲发生器的输出端口(P1、P2)产生两组12脉冲序列,每个三电平桥1组.这一PWM 脉冲发生器能运行在同步或异步方式.当运行在同步方式时,三角载波信号与PLL (相同步逻辑,锁相环)输入端“ωt ”的给定角保持同步.在同步方式,载波频率由开关速度确定,它是输出频率的倍数.当选择“external ”输入作为调制信号源,连接到输入端“Ust ”的3个调制信号被使用,这3个调制信号由三相可编程电源提供.如果选择“Internal ”内部信号输入作为调制信号源,载波就不同步.在这种情况下,输出信号的大小(调制系数)、频率和相位角均可在模块菜单中设置.在本模型中,直流母线电压设为400V (±200V );载波频率设为1080Hz (18×60Hz );3个调制信号(三相可编程电源提供)的频率设为60Hz ,信号幅值为0.85,即调制系数m =0.85.(4)虚拟PLL 模块采用MATLAB /PS B /Extras/Discrete C ontrol Blocks library 中的离散虚拟PLL 模块.它没有输入信号,通过参数设定,模拟一个实际的PLL.它有3个输出端,分别输出频率、频率向量sin (ωt )与cos (ωt )、电角度ωt (0～2π).3　三相三电平电压型逆变器输出特性的仿真分析设置仿真参数,启动仿真,在示波器上可观察到3个电压波形(如图3所示):①三电平桥I 输出的A 相对中性点的电压u an ;②由两个三电平桥输出的A图3　三相三电平电压源型逆变器输出电压波形相电压u aa ;③加在负载上的线电压u ab .从波形图可以看出:u an 有三个电平:+200V 、0V 、-200V ;u aa 有5个电平:±400V 、±200V 、0V.而负载电压非常接近正弦波,这是由于变压器漏感和负载电容所组成的滤波回路大大地减少了逆变器输出电压中的谐波.为了对输出特性进行分析,在仿真结束后,打开MA TLAB/PSB 中的快速傅里叶变换(FF T )功能,对上述3个电压波形的谐波成份进行分析,3个电压波形中各次谐波含量如图4所示.(a )u an中各次谐波含量(b )u aa中各次谐波含量(b )u ab 中各次谐波含量图4　输出电压中的谐波3第1期黄绍平等:三相三电平电压型逆变器仿真建模与特性分析 4　结束语仿真实例结果表明了仿真模型的正确性,此模型可用于定量地分析计算逆变器的输出特性.本仿真模型和仿真方法适应于对采用不同电力电子器件、不同控制方法的三相电压型逆变器的仿真.参　考　文　献[1]　姜齐荣,谢小荣,陈建业.电力系统并联补偿———结构、原理、控制与应用[M].北京:机械工业出版社,2004. [2]　吴天明,谢小竹,彭　彬.MA TLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004.Simulation Modeling and Characteristic Analysisof Three2phase Three2level V oltage Type InverterHUAN G Shao-ping,YAN G Qing,HUAN Xi-ming(Dept.of Elect.and Information Eng.,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan411101,China)Abstract:Using the power system blockset(PSB),a simulating model for the three2phase three2level voltage type inverter is built.The ouput characteristics of this inverter are simulated and the harmonics in output voltage are analysed by the Fast Fourier Transform Algorithm(FF T)tool.The simulating instance confirms the correct2 ness of this model and the simulating method.K ey w ords:three2level inverter;Pulse2Width Modulation(PWM);Fast Fourier Transform Algorithm;har2 monic;MA TLAB《湖南工程学院学报》对论文摘要的编写要求摘要是科技论文的重要组成部分,是以提供文献内容梗概为目的,不加评论和补充解释,简明、确切地记述文献重要内容的短文。