多电平逆变器简介

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多电平逆变器简介

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。

多电平逆变器简介

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

3

4

①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:

多电平逆变器技术介绍

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。1988年,M. Marche-soni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。2000年,M. D. Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变单元

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

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,

多电平逆变器

多电平逆变器

实验参数设置
根据实际需求和实验条件,设置实 验平台的各项参数,如输入电压、 输出电压、开关频率、负载等。
实验测试
在实验平台上进行多电平逆变器的 测试,记录输出电压波形、电流波 形、开关管状态等关键指标,并与 仿真结果进行对比分析。
结果分析与讨论
1 2 3
仿真与实验结果对比
将仿真结果与实验结果进行对比分析,验证仿真 模型的准确性和有效性,同时分析实验误差来源 。
应用领域
多电平逆变器在可再生能源发电、电动汽车、智能电网、工业自动化等领域具有广泛的应用。随着技术 的不断进步和市场需求的不断增长,多电平逆变器的应用前景将更加广阔。
02
多电平逆变器基本原理
逆变器工作原理
直流电源转换
逆变器将直流电源转换为交流电 源,通过控制开关管的导通与关 断,实现直流电到交流电的转换 。
多电平逆变器
汇报人:XX
目录
• 引言 • 多电平逆变器基本原理 • 多电平逆变器拓扑结构 • 控制策略与优化方法 • 仿真与实验分析 • 应用领域及前景展望
01
引言
背景与意义
能源危机与环境污染
随着传统能源的日益枯竭和环境污染问题的日益严重,可再生能源的开发和利用已成为全 球关注的焦点。多电平逆变器作为可再生能源发电系统中的关键设备,对于提高能源利用 效率和减少环境污染具有重要意义。

多电平逆变电路

多电平逆变电路

多电平逆变电路

多电平逆变电路是一种能将直流电源转换为可变频率、可变幅

值交流电源的电路。它由多个电平组成,通过在电路中加入电容、电感等元器件,可以得到不同的输出电压,实现对输出波形的调节。多电平逆变电路主要由以下几部分组成:

1. 直流输入模块:该模块主要由直流电源、电容滤波器和直流

输入端元件组成。直流输入模块的作用是将输入的脉冲直流电源

转换为平滑的直流电源,为后续的逆变模块提供直流电源。

2. 逆变模块:该模块的核心是由多个电平组成的全桥逆变电路,包括两组双开关电路和一个输出变压器。逆变模块的作用是将直

流电源转换成交流电源,通过调节电容、电感等元器件的参数,

可以得到不同的输出电压。

3. 控制模块:该模块主要由控制器和驱动电路组成,用于控制

逆变模块的开关电器的开关时间和状态,实现对输出波形的控制。

4. 输出滤波模块:该模块主要由输出电路滤波器和负载组成,

用于滤除逆变模块输出波形中的谐波和噪声,提高波形的质量,

并将电能输出到负载中。

多电平逆变电路具有如下优点:

1. 输出电压、频率、幅值可自由调节,适用范围广。

2. 电路结构简单,易于实现。

3. 效率高,输出波形质量好。

4. 适合多种负载,能够满足不同的应用需求。

总之,多电平逆变电路是一种十分实用的电路,在工业生产、交通运输、电力能源等领域有着广泛应用。

多电平逆变器

多电平逆变器

多电平逆变器
8
4.3 多电平逆变器拓扑结构
1. 直流侧电压相同的串联H桥逆变器
串联H桥逆变器采用由多个直流电源分别供电的H桥单元 ,各单元的输出串联连接输出高交流电压。
5电平串联H桥逆变器:结构如下图所示,其中每相有两个 H桥单元,分别由电压为E的两个独立直流电源供电。
此直流电源可以采用多脉波二极管整流器实现。
H: H桥逆变器单元数
NOTE: 串联H桥逆变器的电平数目总是奇数
多电平逆变器
13
串联H桥逆变器可完全扩展到任意电平数。下图给出了 7电平和9电平逆变器一相的结构。
在7电平逆串联H桥逆变器中,每相有3个H桥单元,9 电平逆变器中每相有4个H桥单元。
多电平逆变器
14
A
S11
S31
E
vH1
S 41
S 21
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

多电平逆变器

多电平逆变器
POWER CELL B3 POWER CELL C3
集成一体式 变压器
FIBER OPTICS
三相变压变频 高压输出
高压电机
CENTRAL CONTROL SYSTEM
18
三个单元输出的电压叠加得到一相的电压波形 (3300V 输出)
CELL 1 单元 1 CELL 2 单元2 CELL 3 单元3
第4部分: 多电平逆变器
1
4.1 简

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
2
4.1 简 介
串联H桥逆变器: 英文Cascaded H-Bridge, CHB
S1
D1
S3
D3
Vd
ห้องสมุดไป่ตู้
Cd
S2
D2
v AB
S4
D4
3
4.2 H 桥逆变器
25
2. 移幅载波调制法
M个电平的逆变器调制:
调制正弦波:调制信号通常为幅值和频率都可调节的一相正弦波(三相三个)。 通过调制波和载波比较,可以产生所需要的门(栅)极驱动信号。
三角波载波:需要(m-1)个三角载波。所有三角载波均具有相同的频率和幅值, 所有载波垂直排列。
频率调制系数: 幅值调制系数:
率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一。

多电平逆变器的核心电路结构及其工作原理

多电平逆变器的核心电路结构及其工作原理

多电平逆变器的核心电路结构及其工作原

引言

多电平逆变器是一种重要的功率电子设备,广泛应用于各种电力电子系统和新能源领域。本文将介绍多电平逆变器的核心电路结构以及其工作原理。

核心电路结构

多电平逆变器的核心电路结构由多个单元级并联连接而成。每个单元级都由一个半桥变换电路组成,其中包括两个开关器件(一般为MOSFET或IGBT)和一个逆变电路,用于将直流电源转换成多种电平的交流输出。

在核心电路结构中,每个单元级的开关器件交替导通,以实现逆变过程中输出电压的多电平控制。为了有效控制开关器件并保护其工作状态,通常还会添加电流互补的二极管并联于开关器件上。此外,逆变电路通常由电感、电容和滤波器等元件组成,以实现对输出电压和电流的滤波和平滑。

工作原理

多电平逆变器的工作原理基于 PWM(脉宽调制)技术,通过

调节开关器件的导通时间和截止时间来控制输出电压的多种电平。

其具体步骤如下:

1. 输入直流电源经过逆变电路,得到一个不稳定的三相交流电压。

2. 通过单元级的半桥变换电路,将不稳定的三相交流电压转换

为稳定的多种电平的交流输出。每个单元级的开关器件交替导通,

通过调节导通时间和截止时间,可以获得不同电平的输出电压。

3. 经过电感、电容和滤波器等元件的处理,输出电压平滑过滤,并且去除杂散干扰,得到高质量的输出交流电压。

4. 控制系统不断采样检测输出电压和电流状态,并根据需要调

节各个单元级的开关器件导通时间和截止时间,以动态调整输出电压。

多电平逆变器的工作原理可以灵活地控制输出电压的谐波含量

和波形结构,从而满足不同应用领域对电力质量的要求。同时,由

级联型多电平逆变器控制策略的研究

级联型多电平逆变器控制策略的研究

级联型多电平逆变器控制策略的研究

引言:

随着新能源的快速发展,电网接入型光伏发电逆变器应用越来越广泛,但是传统的单电平逆变器无法满足高电压和大功率输出的需求。多电平逆

变器因其具有更低的谐波失真、更高的输出质量和更高的效率而逐渐得到

了广泛应用。本文主要研究级联型多电平逆变器的控制策略,以提高逆变

器的性能和实用性。

一、级联型多电平逆变器的结构及原理

级联型多电平逆变器由多个电平串联而成,每个电平由一个H桥逆变

器组成。通过控制每个H桥逆变器的导通时间及模块化级数,可以实现多

种输出电压等级。级联型多电平逆变器的基本原理是将输入直流电压按照

一定的方式切割成多个电平,然后对每个电平进行逆变操作,从而生成多

电平输出交流电压。

二、级联型多电平逆变器的控制策略

1.基于单环节传统控制策略

基于单环节传统控制策略的级联型多电平逆变器控制方法较为简单,

通过对每个H桥逆变器进行PWM调制来实现多电平输出电压。这种方法可

以满足一定程度的输出要求,但无法充分发挥多电平逆变器的优势。

2.基于多环节传统控制策略

基于多环节传统控制策略的级联型多电平逆变器控制方法在单环节传

统控制策略的基础上进行了改进。通过将多个H桥逆变器的输出电压进行

级联,在级联的过程中逐步滤除谐波,提高输出波形质量。

3.基于尺度不同的PWM控制策略

基于尺度不同的PWM控制策略是当前较为先进的控制方法之一、通过调整每个H桥逆变器的开关频率和占空比,实现尺度不同的PWM控制,从而降低逆变器输出的谐波失真,提高输出波形质量。

4.基于多谐波消除控制策略

基于多谐波消除控制策略是近年来的研究热点之一、通过分析级联型多电平逆变器输出的谐波成分,设计合适的控制方法来消除谐波。这种方法可以有效降低谐波失真,提高输出波形质量。

级联多电平逆变器

级联多电平逆变器

级联多电平逆变器

级联多电平逆变器是一种用于电力转换的重要设备,其主要功能是将直流电转换为交流电。它通过将直流电源输入转换为多个电平的直流电压,再将其转换为交流电压输出。级联多电平逆变器具有高效率、高可靠性和较高的输出质量等优点,被广泛应用于电力系统、电动汽车、太阳能发电等领域。

级联多电平逆变器的工作原理是通过多级电路来实现对输入电压的精确调节。一般来说,级联多电平逆变器由多个逆变单元组成,每个逆变单元都包含一个开关和一个电容。这些逆变单元按照一定的顺序连接在一起,形成一个级联的结构。当输入电压经过每个逆变单元时,开关会根据控制信号的指令来切换开关状态,从而实现对电压的调节。这样,级联多电平逆变器就能够将输入的直流电压转换为多个不同电平的直流电压,并进一步将其转换为交流电压输出。级联多电平逆变器具有多个电平输出的优点。首先,多电平输出可以减小输出电压的谐波含量,提高输出电压的质量。这在一些对电压质量要求较高的应用中尤为重要,例如电力系统中的电力质量调节。其次,多电平输出可以提高逆变器的效率。通过将输入电压分成多个电平进行处理,可以减小开关器件的损耗,提高逆变器的转换效率。此外,多电平输出还可以提高逆变器的可靠性。由于多个逆变单元可以相互独立地工作,一旦某个逆变单元出现故障,其他逆变单元仍然可以正常工作,从而保证了逆变器的可靠性。

级联多电平逆变器的控制方式也有多种。其中一种常用的控制方式是基于PWM调制技术的控制。PWM调制技术可以通过调节开关器件的开关频率和占空比来实现对输出电压的精确调节。通过将PWM控制信号传输到每个逆变单元,可以实现对电压的精确控制。另外,还有一种常用的控制方式是基于谐波消除技术的控制。这种控制方式通过控制每个逆变单元的输出相位差来实现对输出电压谐波的消除,从而提高输出电压的质量。

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。

多电平逆变器

多电平逆变器

二极管箝位式多电平逆变器
二极管箝位多电平逆变器 的特点是采用多个二极管 对相应的开关管进行箝位, 同时利用不同的开关状态 组合得到不同的输出电压
电平数。假定输出电压的 电平数为m,则直流分压电 容的个数为m-1,主功率开 关管的串联个数为2(m-1), 箝位二极管的个数为(m-2) (m-1)。
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。
电容箝位自平衡式多电平逆变器
工作原理:
1)每个开关级都是一个独立的开关单元。 2)每个开关级相邻的任何两个开关都工作在 互补状态下。 3)在一个开关级和周围互补开关组成的范围 内,任何一个开关的开关状态一旦确定,则其他的 开关状态也就由电路规律随之确定。
电容箝位自平衡式多电平逆变器
这种电容箝位自平衡式多电平逆变器电路的特点是: 1)这种逆变器电路的电能损耗与电容量和开关频
开绕组双端供电式电路
开绕组双端供电式电路 Udc/2
是将电动机的定子绕组 C1

3多电平逆变器及其直流侧电容电压分析p21-33

3多电平逆变器及其直流侧电容电压分析p21-33

第三章多电平逆变器及其直流侧电容电压分析

3.1 多电平变换器概述[11,12]

电力电子技术经过几十年的发展,在低压小功率领域,已基本成熟,而在高压大功率领域中应用到的技术正成为电力电子技术的研究重点。近年来,各种新型功率器件,如IGBT,IGCT等纷纷出现。4500V/1200A的IGBT,6000V/6000A的GTO等高压大功率器件已经出现。但是,在某些场合,传统的两电平拓扑仍不能满足要求。而且,由于现有的工艺水平,功率越大,开关频率越低。为实现大功率、高频率、低谐波的功率变换,从电路拓扑和控制方法上,提出了多种思路。

功率器件串并联技术将器件串联以承受高电压,并联以承受大电流。但由于器件参数的离散性,需要复杂的动态、静态均压均流电路,导致系统控制复杂,损耗增加。对于具有负温度系数的功率器件,并联均流十分困难。同时,要求驱动电路延迟时间一致并尽量短。关断过程中,需要众多的吸收电路,降低了系统的可靠性。并且,串并联技术对输出电压谐波毫无改善。

而多电平技术通过改变拓扑,输出电平数增加,改善输出波形的谐波,功率器件承受的电压也较小。正成为高压大功率变换研究重点,其优点如下: z功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压(n为电平数),很好地解决了开关器件耐压不够高的问题,所以可以用低耐压器件实现高压大功率输出。

z输出波形电平数增加,输出波形谐波更接近正弦波,电磁干扰问题大大减轻。

z消除同样谐波,多电平逆变器可以用较低频率进行开关动作,损耗小,效率高。

z相同直流母线电压条件下,由于电平数增加,du/dt应力减小。

多电平逆变器技术的研究与应用

多电平逆变器技术的研究与应用

多电平逆变器技术的研究与应用

近年来,随着电力电子技术的发展,逆变器技术也得到了长足的发展。多电平

逆变器作为一种新型的逆变器技术,已经在工业控制、电力电子等领域得到广泛应用。本文将介绍多电平逆变器技术的研究与应用。

一、多电平逆变器的原理

多电平逆变器是指通过在电路中增加多个电平,使输出电压具有多种电平值。

在基于单相桥式逆变器的三相多电平逆变器中,通过采用多种电压级别(如2N+1)的电路来生成不同电压输出。采用多电平逆变器,可以使输出电压的纹波减小,使负载电流的谐波减小,从而提供更加平稳、纹波更小的电源,提高系统的可靠性。二、多电平逆变器的应用

多电平逆变技术已经在许多领域得到了广泛的应用,如电网并联逆变器、电动

汽车、风力发电等。其中,电动汽车是多电平逆变器技术应用最为广泛的领域之一。采用多电平逆变器技术的电动汽车具有输出电压平稳、驱动电机转矩平滑、控制精度高等特点,可以大大提升电动汽车的性能和稳定性。

三、多电平逆变器技术的研究

目前,多电平逆变器技术的研究主要集中在以下几个方面:

1. 多电平逆变器拓扑研究。多电平逆变器可以通过不同的电路拓扑实现,目前

主要有MLI(多电平逆变器)、NPC(中点飞地式)和H桥三种拓扑。多电平逆

变输出的品质取决于拓扑的选取,不同拓扑在输出电压纹波、谐波失真、开关损耗上有所不同。

2. 多电平逆变器控制技术研究。多电平逆变器的控制技术也是多方面的。当前

控制方法主要有全桥和谐波抑制控制、直接功率控制法、电流控制法和Vectrol Orientation 控制法等。

3. 多电平逆变器特性分析与优化。通过对多电平逆变器的分析,可以对其输出性能进行优化。例如,可以通过增加支路数目、改变电压平衡方式等方式提升系统的电压平衡性,减少谐波失真和开关损耗。

逆变器的分类

逆变器的分类

逆变器的分类

逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子设备,广泛应用于太阳能发电、风力发电、电动汽车等领域。根据其不同的工作原理和应用场景,逆变器可以分为多种类型。

一、PWM逆变器

PWM逆变器是一种基于脉宽调制技术的逆变器,其工作原理是通过控制开关管的导通时间来控制输出电压的大小和频率。PWM逆变器具有输出电压稳定、波形质量高、效率高等优点,广泛应用于太阳能发电、UPS电源等领域。

二、谐振逆变器

谐振逆变器是一种基于谐振电路的逆变器,其工作原理是通过谐振电路的共振来实现电压的转换。谐振逆变器具有输出电压稳定、波形质量高、效率高等优点,广泛应用于太阳能发电、风力发电等领域。

三、多电平逆变器

多电平逆变器是一种通过多个电平输出来实现电压转换的逆变器,其工作原理是通过多个开关管的组合来实现不同电平的输出。多电平逆变器具有输出电压稳定、波形质量高、谐波含量低等优点,广泛应用于电动汽车、UPS电源等领域。

四、矢量控制逆变器

矢量控制逆变器是一种通过矢量控制技术来实现电机控制的逆变器,其工作原理是通过对电机的电流和电压进行矢量分析,实现对电机的精确控制。矢量控制逆变器具有控制精度高、响应速度快等优点,广泛应用于电动汽车、工业控制等领域。

五、智能逆变器

智能逆变器是一种集成了智能控制技术的逆变器,其工作原理是通过对电网和负载的实时监测和分析,实现对逆变器的智能控制。智能逆变器具有智能化程度高、响应速度快、安全可靠等优点,广泛应用于太阳能发电、风力发电等领域。

六、串联逆变器

串联逆变器是一种将多个逆变器串联起来实现电压转换的逆变器,其工作原理是通过多个逆变器的串联来实现高电压输出。串联逆变器具有输出电压高、效率高等优点,广泛应用于太阳能发电、风力发电等领域。

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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。

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)开关频率优化PWM控制法

具体做法是在正弦调制波中加入零序分量,或者正弦波改成梯形调制波,目的是将正弦波的波顶压平,降低开关频率,提高直流电压利用率。但这种方法只适用于三相三线制逆变器。

该方法可以在以下几方面达到优化:中点电压平衡;提供直流电压利用率;降低开关损耗。实际上,这种正弦调制波加入零序谐波的方法本质上与电压空间矢量PWM法是一致的,相当于在半开关周期的始末端均匀分布零矢量。

2)特定谐波消除PWM控制法

该方法是以消除输出电压波形中某些特定的低次谐波为目的的一种PWM控制法。有如下优点:可降低开关频率,降低开关损耗;在线相同开关频率下,可以生成最优的输出电压波形;可以通过控制得到较高的基波电压,提高直流电压利用率。难点是必须用牛顿迭代法解非线性方程组,运算时间长,无法在线计算。3)三相三电平NPC型逆变器的SVPWM控制策略

实现步骤:首先确定参考矢量所在的扇区及其所在的小三角形,确定合成参考电压矢量的三个基本矢量;确定三个基本矢量的作用时间,即每个电压矢量对应的占空比(伏秒平衡);确定各个基本电压矢量所对应开关状态;确定各开关状态的输出次序(七段式或者五段式)以及各相输出电平的作用时间。

4)基于60°坐标系的三电平二极管箝位型逆变器SVPWM方法

①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 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ,坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为:

轴,设参考矢量v ref

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

⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (v rg,v rh)。参考矢量所处的扇区的位置可以通过下表60°坐标系中的坐标为v ref

判断得到。

小三角形的确定方法:每个扇区可分为4个小三角形,根据下表的简单计算就可确定参考矢量所在的区域。选取处在参考矢量所在小三角形的三个顶点的矢量作为合成参考矢量的基本矢量。

③矢量作用时间

⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (v rg,v rh),在60°坐标系中运用伏秒平衡即可对于一个给定的参考矢量v ref

求得各个基本矢量的作用时间或占空比:

④输出开关状态的确定

设这三个基本矢量

则对应的开关状态为

则开关矢量为

在满足的条件下,选择不同的i就可以得到三个最近基本矢量所对应的全部开关状态。

基于60°坐标系的三电平NPC逆变器SVPWM方法能够很好地实现三电平电压PWM波的输出,其特点是能够将SVPWM算法极大简化,准确地确定参考电压矢量落入的矢量三角形和计算各个基本矢量的作用时间。

➢二极管箝位型五电平逆变器

1.拓扑结构

单相二极管箝位型五电平逆变器的拓扑结构。电路由4个等值分压电容、8

个IGBT串联构成的开关器件Q

1-Q

4

,Q

1

’-Q

4

’,12个箝位二极管组成。该拓扑结构

的原理是:采用多个箝位二极管对相应的功率器件进行箝位,利用多种开关组合来合成所需的不同电平。

输出电压与开关管的关系见下表。

可见,上下桥开关状态互补,即当开关对的其中一只开关导通时,另一只则关断

(控制脉冲相反)。该电路有4个互补对:(Q

1、Q

1

’)、(Q

2

、Q

2

’)、(Q

3

、Q

3

’)、(Q

4

Q

4

’)。且在控制过程中,每相电位只能向相邻电位过渡,不允许输出点位的跳变,这和三电平的情况是相同的。

五电平逆变器共有53=125种电压空间矢量,则有5个零矢量,独立的电压矢量为1+1*6+2*6+3*6+4*6=61个, 60°区域小三角形个数为1+3+5+7=16。

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