多电平变换器拓扑及控制技术的发展综述ppt课件

C5
Dp1
D c1
D c4 Sa1
D c9
vo
sc1
sc4
sc9
C2
D c5
D c1 0
Dn1 sc2
D c2
sc10
sn1
sc5
Sa 2
1V dc
C6
D c6 D a2
D c1 1
Dn2 sc6
sc11
sn2
C3
D c1 2
Dn3
sc12
sn3
1V dc
C7
Dn4
sn4 0
5-Level
图15 通用五电平单臂电路
C4
Sa4'
-
0 V1
Ca3 Ca2
Ca1
Ca3
a
Ca2
Ca3
Sb1
Sb2
Cb3
Sb3
Cb2
Sb4
Cb1
Cb3
b
Sb1' Cb2
Sb2' Cb3
Sb3'
Sb4'
图4 单相飞跨电容型五电平变换器主电路构造
特点：大量的开关组合冗余， 可用于电压平衡控制；
〔普通采用相移PWM调制〕
在纯无功负载情况下，电 容电压不能平衡，因此不 能用于无功补偿等场所。
图20 新颖调制方法下的实验结果
➢ 我们对飞跨电容型拓扑也得到了基于控制自在度组合额的载 波PWM调制方法。
结论与展望
1. 对多电平变换器拓扑的系统化研讨。
2. 多电平变换器最优拓扑的研讨，使其构造简单， 控制方便，性能优越。
3. 从控制自在度组合的思想出发，充分利用多电平变换 器具有多个控制自在度的特点，结合多电平变换器详细 的电路拓扑，将多个控制自在度进展组合，对一个或多 个性能目的进展优化，使多电平变换器的PWM控制方法 趋于适用化。
V14(-110)
V5(010) V6(110)
(-10-1) 6 (00-1)
等，缺乏之处在于当电平数超越5 V18(10-1) 时 ， 算 法 过 于 复 杂 。
V15(-11-1) V16(01-1) V17(11-1)
图8 三电平逆变器空间电压矢量图
2. APEC’2002-2003中提出的新拓扑和控制方法
0V
-700V
0s
5ms
V(out1)- V(out2)
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
Time
(c) 相电压输出波形
图13 改良级联型拓扑的仿真波形
35ms
40ms
35ms
40ms
〔a〕 Vdc1=2vdc2
〔b〕 Vdc1=3vdc2
〔c〕 Vdc1=4vdc2
〔d) Vdc1=6vdc2
图18 器件缺点时的实验结果
3.4 提出基于控制自在度组合的载波PWM控制方法
载波的自在度： 对于载波而言，至少有频率、幅值、相位、程度方向
的偏移量和竖直方向的偏移量等多个可调理控制的参数
调制波的自在度 对于调制波而言，至少有频率、幅值和相位，叠加
零序分量等多个自在度
自在度之间的组合 假设把载波自在度和调制波的自在度按照一定的原
多电平SVPWM法和两电平SVPWM 法一样，是一种建立在空间矢量合
B
V13(-111)
A
V4(011) (-100)
V0(111) (-1-1-1)
(000)
A
V1(100) (0-1-1)
D
V7(1-1-1)
成概念上的PWM法，它的最大优点 在于概念明晰，反映了SPWM的本
5
1
质，电压利用率高，易于数字实现
特点：无需箝位二极管和箝位电容，在三 种电路构造中，对于一样电平数，所需 器件最少，易于封装；需多个独立直流 电压源。该构造适用于各种可再生能源， 如，燃料电池，光伏电池等。
Vd c
Vd c
Vd c
Lo ad
Lo ad
Vd c
Vd c
图5 单相级联型七电平变换器主 电路构造
2V dc
图6 混合级联型多电平变换器拓扑
❖ ❖减少共模电压的滞流调理战略。运用三个独立的多电平滞流调理器来产生三套互补 的门极信号。〔APEC’2003〕 ❖
3. 我们在多电平拓扑和控制方面所作的任务
3.1 提出了基于根本单元串－并〔并－串〕思想生成多电平变换器 拓扑的新方法
V1 Sa1
V o u t1
V1 S a1
V out
Sa2 V2
在近两年APEC中研讨比较多的拓扑和控制方法： 拓扑：二极管箝位型和级联型 控制方法：空间矢量PWM
四电平Marx逆变器 〔APEC’2003〕
四电平Marx逆变器
Marx 单元
半桥单元〔M级〕 图9 四电平Marx逆变器
一种运用于有源整流或无功补偿的新的混合多电 平变换器拓扑：(APEC’2002)
那么进展相互组合，以系统的性能目的优化为目的，将 产生一些具有实践意义的新型多电平逆变器PWM控制 方法，这种控制自在度组合的思想为多电平变换器高性 能的实现提供了能够
二极管箝位式多电平变换器 新颖载波PWM控制方法
4
Voltage(p.u.)
2
0
-2
-4 0
V ze rm o V a a ,V b x ,V c)(2 mV a i,V n b ,V c () Va* Va Vzero Vb* Vb Vzero Vc* Vc Vzero
图10 混合多电平变换器原理图
新的控制方法
❖一种通用的空间矢量PWM控制算法：处理了空间矢量计算的复杂性，并且该法可以 运用于恣意电平的H-桥级联型多电平拓扑。〔APEC’2003〕 ❖ ❖用于级联型多电平变换器的错时采样的空间矢量调制方法，大大减小了谐波分量。 ❖〔APEC’2003〕
❖减少电流纹波的空间矢量混合PWM技术。〔级联型〕〔APEC’2003〕
Sn4 4-Level
图7 通用五电平单臂电路
Dp4 C7 Vdc
Dc7
Dc8 C8 Vdc
Dc9
Dc10 C9 Vdc
Dc11
Dc12 C10
Vdc Dn4
5-Level
1.2 多电平变换器控制方法的简单概述
1.2.1 基于载波的多电平PWM控制方法
(a) 消谐波PWM方法〔SHPWM〕
(b) 开关频率优化PWM方法 〔SFOPWM〕
多电平变换器拓扑及控制技术 的开展综述
主要内容：
1。现有多电平变换器拓扑和控制方法的简单概述 2。APEC’2002-2003中提出的新拓扑和新控制方法 3。我们在多电平拓扑和控制方面所作的任务
1.1 多电平变换器拓扑的简单概述
+
V5
Sa1
Sb1
C1 Sa2
V4 Sa3
Da1
Sb2
Da2
Sb3
Db1 Db2
LOAD
C2 Sa4
Vdc V3
Sa1'
C3 Sa2'
V2 Sa3'
C4
Sa4'
-
0 V1
a Da1' Da2'
Da3
Sb4
Sb1'
Sb2'
Sb3' Da3'
Sb4'
Db3 b
Db1' Db2' Db3'
图1 单相二级管箝位型五电平变换器主电 路构造
特点： 可控制无功功率流，但是传送 有功功率时，存在直流分压 电容电压不平衡问题。
载波交叠－开关频率优化PWM方法除具有载波交叠式PWM方法的优点 外，还添加了直流电压的利用率，使调制度到达1.15，该方法适宜高电 压调制度的三相功率变换场所
二极管箝位式多电平变换器 载波PWM控制方法之间的比较
2
THD%100
Vn
n1V1
%
THD[%]
140
SHPWM
120
COPWM
SFOPWM
❖ back-to-back衔接 ❖外加电压调理控制器 ❖经过改良拓扑构造 ❖经过改良调制方法
O
Vo
O
Vo
图2 改良的二极管箝位型五电 平变换器电路拓扑
图3 二极管箝位/飞跨电容型混合 五电平变换器拓扑
LOAD
+
V5
Sa1
C1 Sa2
V4 Sa3
C2 Sa4
Vdc V3
Sa1'
C3 Sa2'
V2 Sa3'
600V
0V
-600V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
35ms
40ms
v(out1,D9:1)
(a) 3-H单元的输Time出波形
100V
0V
-100V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
V(S20:4)- V(out2)
Time
(b) 3-H单元的输出波形
700V
Voltage(p.u.)
4 2 0 -2 -4
0
time(s)
〔a〕 载波交叠式PWM方法原理图
0.02
time(s) 〔b〕 载波交叠－开关频率优化PWM方法原理图
0.02
图19 二极管箝位式多电平变换器新颖载波PWM控制方法
二极管箝位式多电平变换器 新颖载波PWM控制方法的优点
多电平逆变器的载波交叠式PWM方法在调制度小于0.85的范围内，其谐 波特性要远远优于传统的消谐波PWM方法；在高调制度范围内其谐波 特性和传统的消谐波PWM方法根本一样
谢 谢 大 家！
3.2 改良的级联型多电平变换器拓扑
+
s a1
v d c2
s a2 -
+
s a1 '
s a2 '
v d c1
s a3 '
s a3
+
表1 几种多电平拓扑单臂电路输出15电平常所需 元件数的比较
vo2
-
s a4
vo
+ s a5 '
vo1
s a6 ' -
s a7 '
s a4 '
s a8 '
-
图12 2－H/3-H级联型多电平变换器拓扑
图16 具有冗余功能的五电平变换器单 臂电路
思想：拓扑存在着多种开关形状组合，当器件发生断路缺点 时，改动开关形状组合，使发生缺点的器件处于关断形状； 当器件发生短路缺点时，改动开关形状组合，使发生缺点的 器件处于导通形状。
图17 消谐波调制方法
(a) sp1断路缺点时输出电压
(b) sp2短路缺点时输出电压
C5 Sc10
Dc5
Sc11 Dc6
C6 Sc12
Dn3
Sn4 4-Level
Dp4 C7 Vdc
Dc7
Dc8 C8 Vdc
Dc9
Dc10 C9 Vdc
Dc11
Dc12 C10
Vdc Dn4
sp3
Dp3
1V dc C4 D c7
sc7
sp2
C1
Dp2
D c3 D a1
D c8
sc8
sc3
1V dc
sp1
通用的多电平变换器拓扑
Sp1 Vo
Sபைடு நூலகம்1
Sp2
Sc1 Dp1
C1 Sc2
Dn1
Sn2
2-Level
Sp3
Sc3 Dp2
C2 Sc4
Dc1
Sc5 Dc2
C3 Sc6
Dn2
Sn3 3-Level
Sp4
Sc7 Dp3
C4 Sc8
Dc3
Sc9 Dc4
C5 Sc10
Dc5
Sc11 Dc6
C6 Sc12
Dn3
100
COSFOPWM
80
60
40
20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Modulation Index
〔a〕 三电平逆变器COPWM方法调制度为0.8的 〔b〕 三电平逆变器COSFOPWM方法调制度为0.8的
相电压波形和线电压波形的实验结果
相电压波形和线电压波形的实验结果
Sa3
V o u t2
V1
Sa1
Sa3
Vout1
Vout2
S a2 V2
〔a〕多电平变换器的根本单元
Sa4 V3
〔b〕 根本单元的串联
Sa2
Sa4
V2
〔c〕 根本单元的并联
图11 根本单元的概念
由该方法不仅可以得到已有的三类根本多电平变换器拓扑，而且可以推导得到一系列新的 拓扑构造，从而将多电平变换器拓扑构造的研讨一致在根本构成单元的范畴之内，为多电 平变换器拓扑构造的研讨提供了一个新的指点原那么。
图14 改良级联型拓扑的实验结果
3.3 提出一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑
sp4
Dp4
Sp2
Sp1 Vo
Sn1
Sc1 Dp1
C1 Sc2
Dn1
Sn2
2-Level
Sp3
Sc3 Dp2
C2 Sc4
Dc1
Sc5 Dc2
C3 Sc6
Dn2
Sn3 3-Level
Sp4
Sc7 Dp3
C4 Sc8
Dc3
Sc9 Dc4
(c) 载波带频率变化的PWM方法
(d) 相移载波PWM方法
图7 基于载波的多电平PWM控制方法
1.2.2 多电平逆变器空间矢量PWM控制方法
V11(-1-11) V10(0-11) V9(1-11)
3
D
B
V12(-101) V3(001) V2(101) V8(1-10)
4 (-1-10) C
(0-10) C 2