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。

一方面,人们希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级。

例如,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)等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装置等;另一方面,为了满足输出电压谐波含量的要求,又希望这些大功率电力电子装置能工作在高开关频率下,并且尽量减少EMI问题。

电力电子器件是电力电子装置的核心,在过去的几十年里,电力电子器件经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、双极型大功率晶体管(GTR或B厂)和场控制器件(IGBT和POWERMOSFET)三个阶段。

这些年来,各种新型功率器件,如工G挤,IEGT,ETO等又纷纷出现图。

器件的单管容量、开关频率已经有了极大的提高,许多国外生产厂商已能提供额定值为6000V/6000A的高压大功率GTO,4500V/1200A的IGBT,4500V/400OA的IEGT以及600OV/600OA的IGCT氏6,7,,在某些应用场合,传统的两电平电压源逆变器拓扑,不能满足人们对高压、大功率的要求。

并且,以现有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￡田。

为了实现高频化和低EMI的大功率变换,在功率器件水平未有本质突破的情况下,有效的手段是从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案。

在过去的二十多年里,研究者们进行了大量的研究和探索,提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法,归纳起来大致可分为以下五类:
1）功率器件的串并联技术
这是一种最简单和直接的方案,为了用小功率的开关器件实现大功率变换,将器件串联以承受高压,将器件并联以承受大电流,这个看似简单的方法,由于功率器件参数的离散性,需要复杂的动、静态均压电路和均流电路。

均压电路会导致系统控制复杂,损耗增加;而器件均流,对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。

同时,对于器件串并联,驱动电路的要求也大大提高,要求延迟时间接近,并尽量短。

在关断过程中,由于恢复性能的差异,数量众多的吸收电路也是必不可少的,降低了系统的可靠性,并且这一方案对输出电压谐波改善没有任何贡献,因而应用范围受到了一定的局限。

2) 逆变器并联技术
逆变器并联技术是将多个小容量的逆变器并联运行,并联逆变器的数目可以根据系统需要的容量来确定。

这种方法的主要优点是:易于实现逆变器模块化,可以灵活扩大逆变系统的容量;易于组成N+1个并联冗余系统,提高运行的可靠性和系统的可维护性。

逆变器并联技术的难点是需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、N+1冗余与热切换三大技术。

3) 多重化技术
为了用小容量的功率器件实现大容量的功率变换,还可利用多重化技术。

所谓多重化技术,就是以多个小功率逆变器在其输入或(和)输出端通过变压器串联或并联,各个逆变器以相同频率不同相位工作,从而达到系统的高功率运行和输入、输出谐波改善的目的。

多重化技术既可应用于单相电路,又可应用于三相电路。

多重化技术的主要不足之处在于:需要特殊设计的输入、输出变压器,它不仅增加了系统的成本,降低了系统的效率,而且当逆变器的数目增
多时,变压器的设计将非常困难。

4）组合逆变器相移SPWM技术
组合相移SPWM技术,其基本思想是:在一个由n个模块(每个模块就是一个普通的两电平逆变器)组成的系统中,所有模块采用相同的调制波,但相邻模块的三角载波相位相差2耐(nKc),(其中Kc)三角载波与调制波的频率比)。

这一相位差使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开,从而使各模块最终迭加输出的SPWM波形的等效开关频率提高到原来的nKc 倍,因此可在不提高开关频率的条件下,大大减小输出谐波。

从广义上说,相移SPWM组合逆变器,也是一种多重化技术。

不同于上面所述的输出电压多重化,这里采用的是三角载波的多重化,因此简化了输出变压器的设计。

相移SPWM组合逆变器的优点为:可采用开关频率较低的大功率开关器件,实现等效的高开关频率输出,开关损耗低,输出谐波含量小,减小了输出滤波元件的尺寸和容量,简化了变压器的设计。

缺点为:仍然需要工频变压器,增加了系统的损耗和成本,没有减小功率器件的电压应力。

5) 多电平逆变器技术
多电平逆变器技术是一种通过改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器,它无需升降压变压器和均压电路。

由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱,每个开关器件所承受的电压应力较小。

多电平逆变器技术已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研究领域。

多电平逆变器之所以成为高压大功率变换研究的热点,是因为它具有以下突出优点:
l)每个功率器件仅承受l/(n-1)的母线电压(n为电平数),所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出,且无需动态均压电路;
2)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(THD);
3)可以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形,因而开关损耗小,效率高;
4)由于电平数的增加,在相同的直流母线电压条件下,较之两电平逆变器,dy/dt应力大为减少,在高压大电机驱动中,有效防止电机转子绕组绝缘击穿,降低电磁辐射,同时改善了装置的EMI特性;
5)无需输出变压器,大大地减小了系统的体积和损耗;
6)降低了输入电流的谐波,减小了对环境的污染;
7)用于三相感应电机驱动时,可以减小或消除中性点电平波动;
8)安全性更高,母线短路的危险性大大降低;多电平逆变器技术作为解决高压大功率变换的一种具有代表性和较为理想的方案,受到越来越多的关注、研究和应用。

1.2多电平逆变器的研究现状
德国学者Holtz于1977年首次提出三电平逆变拓扑;1980年,日本长冈科技大学提出二极管中点箱位式三电平逆变器;1983年Bhagwat和Stefanovic由三电平到多电平,奠定了NPC 结构的多电平模式。

多电平电路的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路,逐渐成为大功率电机传动和大功率无损补偿等领域的重点研究对象。

多电平功率变换技术是一种可满足高压大功率需要的新兴技术。

它可以应用在如交流电源,静态无功补偿,传动系统等诸多方面。

其基本原理是将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压,一般来说,电平数越多,其分辨率越高,那么输出电压波形越接近正弦波。

在电路拓扑结构上,多电平逆变器有二极管籍位、飞跨电容、H桥级联等三种基本拓扑结构。

近些年来,在这几种拓扑结构的基础上又研究得到一些新型的优化拓扑。

1.3多电平逆变器的应用
多电平功率逆变器的应用领域非常广泛,包括电力系统中的无功功率补偿、大功率的电力传动和可再生能源系统等。

具体介绍如下:
1) 高压变频调速系统
中高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的一个重要领域,在大电机调速中,传统的两电平高频PWM逆变器存在以下几个问题:输出电压和电流,除基波分量外,还含有一系列的谐波分量,这些谐波会使电机产生转矩脉动,使转矩出现周期性的波动,从而影响电机平稳运行和调速范围;在中压场合,提高频率一定程度上可以克服上述某些缺点,但又容易导致较高的dy/dt和浪涌电压,在电机的线圈中产生很大的共模电压,这样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿,而且开关器件所产生的电压应力和开关损耗将降低电机效率,同时产生很高的EMI(IOKHZ-30MHZ),将干扰周围电子设备;高电压等级更是受到限制;功率因数低。

而多电平逆变器工作在工频时,可在一定程度上克服上述几个问题。

将多电平逆变器用于高压变频器领域,不但可以提高逆变器的电压等级,还可以减少逆变器输出端的谐波含量和开关损耗,提高功率因数,动态性能稳定和效率高等,在高压大容量交流调速领域日益受到重视,是目前较理想的高压变频方式,该方式工作原理是利用多电平功率逆变器叠加合成正弦电压波形,随着电平数的增加,合成阶梯波形分级越多,合成的电压畸变越小。

其优点是可使用常规低压功率开关器件实现高压变频调速技术,并从根本上解决谐波及EMI问题,还可避免较高的dy/dt 导致电动机损坏。

多电平变频器结构主要有:级联型多电平结构和二极管箱位型多电平结构。

前者适合于如风机、水泵类等平方转矩负载,后者适合于轧机、卷扬机类负载。

级联多电平结构的每相由几个低压PWM功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。

采用功率单元串联,而不是用传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压的问题。

功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗,而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。

波形的改善除减小输出谐波外,还可以降低噪声、dy/dt值和电机的转矩脉动。

所以这种变频器对电机无特殊要求,可用于普通笼型电机,且不必降额使用,对输出电缆长度也无特殊限制。

由于功率单元有足够的滤波电容,变频器可承受正负30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。

这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加,但由于IGBT驱动功率很低,且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器,可使变频器的效率高达%%以上。

美国罗宾康(ROBICON)公司利用级联多电平结构,生产出功率为315-I000OkW的完美无谐波高压变频器,无须输出变压器直接实现了3.3kV 或6kV高压输出,采用了先进的工GBT功率开关器件,达到了完美无谐波的输出波形,无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求,输入功率因数可达0.95以上,THD<1%,总体效率(包括输入隔离变压器在内)高达97%。

2) 静止无功补偿器
无功补偿作为灵活交流输电技术的一个重要组成部分,一直是国内外相关专业领域内的研究热点。

无功补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿器SVC,即晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)之后,随着现代功率半导体器件的应用与新颖功率变换电路及控制技术相结合,产生了新型无功补偿装置:静止调相机(STA TCOM).STATCOM是按照调相机的原理,由新型大功率固体电子元件构成的可调节逆变器、直流电容器组和输出变压器等组成的无转动结构的静止无功补偿装置,核心是电压源逆变器(VSI)。

在实际应用中VS工的拓扑结构常见的有两种,一种是传统的6脉动桥式逆变器,另一种是多电平逆变器,后者由于开关频率低,随着电平数增加,输出电压提高了而谐波含量却减少了,从而成为非常有吸引力的方案。

如西门子公司制造的一台二极管箱位三电平STA TCOM,已安装在丹麦REJSBYHADE风力发电厂。

该STATCOM由两个三电平VSI通过
一个三绕组变压器联结到一条15kV母线上,其中一个VS工联接到Y绕组,另一个VSI联接到三角形绕组,采用逆导GTO,器件的额定功率值为4500V/3000A,装置用空气冷却,无功调节范围为 8 Mvar。

1996年,田纳西大学的F.2.Peng等人将级联多电平结构拓扑结构用于无功补偿。

由N个单相全桥模块在交流侧串联构成一相桥臂对,直流侧两边相互独立。

由3个桥臂对通过星形或三角形连接构成三相系统。

级联多电平结构STA TCOM摒弃了多重化变压器,因此避免了耗资大、损耗大、体积大、笨重、由变压器饱和导致控制困难、不可靠等缺点。

同时还可通过冗余设计,进一步提高装置的可靠性。

由于具有上述优点,F.2.Peng首次提出级联多电平STA TCOM概念以来,并引起了广泛关注。

1999年,世界上首台级联多电平STA TCOM工业装置在英国EastClayton变电站投入运行,其容量为75Mvar。

这标志着级联多电平STATCOM技术已进入实用化阶段。

3) 有源电力滤波器
电能质量的改善是电力系统面临的一项重要课题。

在众多谐波治理方案中,有源电力滤波器(APF)可以起到瞬时补偿电力系统谐波、无功功率、电压波动、负序等作用,在国内外得到了广泛的研究。

然而,要实现大容量的谐波补偿,需要APF具有较大的装置容量。

由于目前电力电子器件容量、价格及其串并联技术等的限制,装置容量大势必使初始投资大,并且大容量APF还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题,从而限制了APF的进一步发展。

近年来,多电平逆变器在高电压领域得到越来越广泛的应用,特别是在减小电网谐波方面有着非常良好的应用前景。

清华大学的李永东教授研制出级联多电平结构APF。

浙江大学的张仲超教授将相移SPWM技术应用于级联多电平结构APF,器件开关频率仅为600HZ,取得了很好的滤波效果。

美国田纳西大学的F.2.Peng山等人采用二极管籍位五电平结构,研制出统一电能质量调节器,滤波之后系统电流的THD仅为3%。

清华大学的韩英铎教授采用二极管箱位三电平拓扑结构,研制出并联电能质量补偿器圈。

文献圈采用混和级联多电平结构,对每相由四个串联连接单相全桥逆变器构成的81电平并联有源滤波器进行了研究。

实验结果表明,该滤波器的性能明显优于普通两电平APF。

4) 高压直流输电(HVDC)
在远距离输电(跨地域输电),非周期输电(非同步)的电力系统实现联网方面,高压直流输电优于交流输电,同时直流输电节省金属材料的用量(少一根输电线),直流输电需要构造超大功率的整流和逆变装置。

级联型多电平变流器输出电压的相位和幅值便于调节和控制,而且输出电压的谐波含量低,并有很高的可能性,再加上其模块化设计的简单结构,因此在高电压级别的高电压直流输电中也得到较多的应用。

如巴西伊太普HVDC工程运行电压最高为600KV,输送功率为3100MW,线路长SOOKM,它代表当今HVDC水平。

我国葛洲坝-上海南桥SOOKV,120OKW输电工程建设中也用了该项技术。

基于电压源逆变器的新型高压直流输电(HVDC)系统,由于其电压源逆变采用的是全控器件和自换相技术,使得系统在保证整流侧和逆变侧有功传输平衡的同时,能独立调节各边的无功量,还可向弱交流电系统及无源网络供电,这些明显优于传统HVDC的功能,使得基于电压源逆变器的HVDC具有广阔的应用前景。

但是目前研制成功的基于两电平电压源逆变器HVDc,其容量仅能达到200四左右,还远不能满足传输更大功率的要求。

浙江大学的徐政教授将两电平电压源逆变器结构改造为二极管箱位三电平结构,应用于HVDC,仿真结果表明在现有全控器件水平下,显著提高了电压源逆变器HVDC的容量。

并且可以直接匹配高的电压等级,输出电压波形更好地接近正弦电力电子技术的发展和电力电子器件的更新是密不可分的。

随着电力电子器件耐压等级提高,载流能力增大,开关频率提高,多电平技术将以它单个器件承受电压应力小;容易实现高压大容量;输出电压自由度多;相同开关频率下输出电压电流波形更好地接近正弦;谐波含量低;电磁干扰轻等强大的优势发挥越来越大的作用。

在高压变频器领域,多电平技术还将在未来很长一段时间里占居明显优势。

在无功补偿、有源滤波器、高压直流输电领域,采用多电平拓扑的工
业装置将慢慢进入实用化阶段。

随着高压大容量电力电子装置需求的日益加大,多电平技术作为电力电子技术的核心技术之一,将对中国电力系统未来的发展起到至关重要的作用,而且其产业化也展示了诱人的前景。

运用多电平技术来改造传统的电力工业,使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作,也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。

第二章多电平逆变器的种类介绍
2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点
二极管钳位式多电平逆变器是研究最早和应用最多的一种多电平逆变器。

二极管钳位式多电平逆变器是通过串连的一系列电容将较高电压分成一系列较低的电压。

一个M 电平的二极管钳位多电平逆变器在直流侧需要M-1 个电容。

例如一个三相五电平二极管钳位式逆变器的一相，在其直流侧含有 4 个大小相同的电容C1,C2，C3 和C4。

若直流侧的总电压为1V，那么每个电容上分得的电压为V/4，并且通过钳位二极管的作用，每个开关器件上的电压应就限制在一个电容的电压V/4 上，这样逆变器合成的输出电压就可以相对地提高了。

二极管钳位多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流侧设计比较简单。

虽然开关器件被钳位在V/4 电压上，但是钳位二极管却要承受不同倍数的V/4 反向电压。

如果使二极管的反向电压与开关器件相同，则每相需要的钳位二极管的个数为(M-1)(M-2)。

这个数字随电平数的增加而快速增加，尤其是当器件是工作在高频状态，钳位二极管由于开关速度的限制，只能用IGBT 或其它开关频率高的器件代替，这将增加成本，同时系统的可靠性也被削弱。

因此，这种电路的实际应用中输出电平数不可能很高，一般被限制在五电平。

比较分析，我们可以得到二极管钳位型多电平逆变器优缺点如下：优点：(1)电平数越多，输出电压谐波含量越少，从而避免了滤波器的使用；(2)调制时，器件在基频下工作，开关损耗较小，效率高；(3)bac k-to-back连接系统控制比较简单。

缺点：(1)需要大量的钳位二极管；(2)每个桥臂主开关器件的开关损耗都不同，需要的电流容量也不相等；(3)直流分压电容的电压不平衡。

2.2 电容箝位式多电平逆变器及其优缺点
飞跨电容代替二极管对功率开关进行钳位，因此就不存在二极管钳位型多电平逆变器中的主、从功率开关管的阻断电压不平衡和钳位二极管反相电压不能快速恢复的问题。

例如一个三相五电平电容钳位型多电平逆变器的一相。

此逆变器的直流侧采用了一种阶梯型结构，每一层的电容的电压都与下一层的电容的电压不同。

为能够产生M 电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要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。

2.3 H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。

缺点：随着电平数的增加，需要大量独立直流电源，增加了系统的成本。