多电平逆变器
多电平逆变器主要控制策略综述
多电平逆变器主要控制策略综述( 本站提供应用行业：阅读次数：1082) 【字体：大中小】1 引言多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点，近十年得到广泛的研究[1]。
研究主要集中在拓扑结构、控制策略两方面。
图1是多电平逆变器的主要研究内容。
图1 多电平逆变器主要研究内容由于多电平逆变器拓扑结构的多样性，且涉及到直流电压的均衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，使得对多电平逆变器的控制具有一定的挑战性。
2 载波调制方法(Carrier-based Modulation)载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。
载波调制按其采样方法可分为:自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。
规则采样又分对称和不对称采样。
在载波调制中，对于m电平逆变器，常定义幅度调制比ma和频率调制比mf分别为:其中Ac为载波峰峰值，fc为载波频率，Am为调制波峰值，fm为调制波频率。
多电平载波调制由于载波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度。
2.1 子谐波脉宽调制SHPWM(SubHarmonic PWM)由Carrara[2]提出的SHPWM的基本原理是:对m电平逆变器，将m-1个具有相同频率fc和峰峰值Ac的三角载波集连续分布。
频率为fm、幅值为Am的正弦调制波置于载波集的中间。
将调制波与各载波信号进行比较，得到逆变器的开关状态。
在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案:(1) PD—所有载波具有相同相位;(2) POD—正、负载波间相位相反;(3) APOD—相邻载波间相位相反。
图2是SHPWM采用PD配置的波形图。
SHPWM的最大线性幅度调制比ma为1。
对SHPWM的研究有如下一些重要结论[3]:·对于三相系统，频率比mf应为取3的倍数;·单相逆变器，APOD配置电压谐波最小;·三相逆变器，PD配置线电压谐波最小。
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
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。
多电平逆变器及其原理概论
多电平逆变器及其原理概论：庆杰学号：班级：13级应电3班摘要:对多电平逆变器的基本原理和多电平逆变器的各种拓扑进行了分析，同时指出了各类拓扑的优缺点。
分析了已有多电平逆变器不同的载波 PWM 控制方法，重点研究了多载波 PWM 控制方法，并以二极管钳位式五电平逆变器为例进行了仿真研究。
同时采用了三次谐波注入法，对输出波形的谐波进行改善。
关键词：三次谐波;二极管钳位；多电平逆变器；调制技术引言20 世纪 50 年代电力电子技术诞生以来，经过几十年的飞速发展，至今已被广泛应用于电力系统、电机调速等需要电能变换的领域。
日本学者南波江章（A.Naba）于1980 年提出三电平中点钳位逆变器以来，引起人们的普遍关注。
由于在节能、可靠性和性能指标等方面的巨大优势,使得它越来越多地被人们所采用。
经过近30 年的研发，很多学者相继提出了具有实际意义的多电平逆变器电路及多种多电平逆变器的调制控制方法。
当前的多电平逆变器的主要结构有：H 桥级联式（Cascaded H-bridge）、电容箝位式（Capacitor-Clamped）、二极管箝位式（Diode-Clamped）、飞跨电容嵌位式（Flying -Capacitors）。
为了更好地利用这项技术，许多研究人员提出了一些改进：在拓扑的研究方面，改进的主要方向是减少器件使用数量，并解决电容电压的不平衡等问题 ;在控制方面，改进的主要方向是优化输出波形和算法等。
1 多电平逆变器种类及优缺点分析1.1 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。
混合H桥级联多电平逆变器改进PD调制策略
混合H桥级联多电平逆变器改进PD调制策略1. 引言1.1 背景介绍混合H桥级联多电平逆变器是一种高性能的功率逆变器拓扑结构，广泛应用于风能发电系统、电动汽车以及工业电力系统中。
其具有输出波形质量高、功率密度大、效率高等优点，因而备受研究者和工程师的关注。
随着电力电子技术的不断发展，混合H桥级联多电平逆变器的应用也不断拓展。
在实际应用过程中，人们发现传统的PD调制策略存在一些问题，比如输出波形失真严重、开关损耗较大等。
对PD调制策略进行改进，提高混合H桥级联多电平逆变器的性能是当前研究的重点之一。
本文旨在探讨混合H桥级联多电平逆变器的原理，分析传统PD调制策略存在的问题，提出改进的PD调制策略，并通过实验验证和分析，比较改进策略与传统策略的性能差异和优势。
最终，对研究进行总结，展望未来混合H桥级联多电平逆变器的发展方向，探讨其在工程实践中的意义。
1.2 研究意义混合H桥级联多电平逆变器在新能源领域中也有着广阔的应用前景。
随着新能源如光伏发电系统、风力发电系统等在电网中的逐渐普及，电力系统的稳定性和可靠性等问题也变得更加突出。
混合H桥级联多电平逆变器能够提供更加高效、稳定和可靠的电能转换解决方案，可以更好地满足新能源电力系统的需求，因此具有重要的研究意义。
对混合H桥级联多电平逆变器进行研究具有重要的理论和应用价值，通过深入探索其工作原理和优化调制策略，可以进一步提高其性能和稳定性，促进电力电子技术的发展和应用。
1.3 研究目的研究目的是为了探究混合H桥级联多电平逆变器在PD调制策略下存在的问题，并针对这些问题提出改进方案。
通过对比实验验证和分析，我们旨在提高混合H桥级联多电平逆变器的性能和效率，为其在工程实践中的应用提供更好的支持。
通过本研究，我们希望能够为电力电子领域的研究和实际应用贡献新的见解和解决方案，进一步推动电力电子技术的发展和进步。
通过深入探讨改进的PD调制策略及其在混合H桥级联多电平逆变器中的应用，我们期望可以为提高电力转换系统的性能和效率提供有益的借鉴和指导。
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，由于单元级的并联连接，故障发生时只需维修故障单元级，对整个逆变器的影响较小。
结论多电平逆变器是一种重要的功率电子设备，其核心电路结构由多个单元级并联连接而成。
通过 PWM 技术控制开关器件的导通时间和截止时间，可以实现多种电平的输出电压。
多电平逆变器的工作原理灵活，能够满足不同应用领域的需求，并且故障发生时维修代价相对较低。
多电平逆变器的主电路结构及其工作原理
多电平逆变器的主电路结构及其工作原理1. 引言多电平逆变器是一种广泛应用于电力电子领域的电路结构，它可以将直流电能转换为多个不同电平的交流电能，使得电能的输出更加稳定和高效。
本文将介绍多电平逆变器的主电路结构以及其工作原理。
2. 主电路结构多电平逆变器的主电路结构主要包括直流电源、开关器件、电容和电感等元件组成。
2.1 直流电源直流电源是多电平逆变器的输入端，通常是通过整流器将交流电能转换为直流电能。
直流电源的电压和容量决定了多电平逆变器的输出能力。
2.2 开关器件开关器件是控制多电平逆变器工作的关键组成部分。
常用的开关器件包括MOSFET、IGBT和GTO等。
通过控制开关器件的导通和关断过程，可以实现直流电能到交流电能的转换。
2.3 电容和电感电容和电感是用来滤波和储能的元件。
电容可以平滑输出电压和电流，减小输出的波动性；而电感则可以储存电能，并提供稳定的电流输出。
3. 工作原理多电平逆变器的工作原理是通过调整开关器件的导通和关断时间，控制输出电压的波形和电平数量。
具体工作原理如下：1. 初始化阶段：启动逆变器时，在给定的电压和电流条件下，控制开关器件的初始状态。
2. 正常工作阶段：在逆变器正常工作时，开关器件按照预设的控制规律进行导通和关断。
通过合理的开关频率和占空比控制，可以实现多电平输出，从而提高输出的波形质量和效率。
3. 故障恢复阶段：当逆变器遇到故障或异常情况时，及时进行故障检测和处理，保证逆变器的安全稳定运行。
4. 应用领域多电平逆变器广泛应用于电网无功补偿、电力传输、工业控制和新能源领域等。
它的高效稳定的输出特性，使得它成为了现代电力电子系统中不可缺少的关键技术。
5. 结论多电平逆变器的主电路结构和工作原理已在本文中进行了简单介绍。
深入了解和研究多电平逆变器的电路结构和工作原理，对于提高电能转换的效率和质量具有重要意义。
以上是关于多电平逆变器的主电路结构及其工作原理的文档，希望对您有所帮助。
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。
典型多电平逆变器拓扑结构
典型多电平逆变器拓扑结构从当前资料上能够得到的典型多电平逆变器，根据其结构形式可分为钳位式多电平逆变器和具有独立直流电源的级联式多电平逆变器两种，近年来还有采用级联叠加变压器的多电平逆变器等新型的多电平逆变器拓扑结构见诸文献资料，鉴于本项目采用的多电平逆变器结构，以下仅对典型多电平逆变器分类介绍。
一、钳位式多电平逆变器钳位式多电平逆变器是由基本逆变单元通过串、并联组合而成的单一直流电源、半桥式结构形式的多电平逆变器，主要包括二极管钳位式多电平逆变器(diode-clamped multi-1evel inverter)、电容钳位式多电平逆变器(flying-capacitor multi-1evel inverter)、混合钳位式多电平逆变器以及通用钳位式多电平逆变器。
二极管钳位式多电平逆变器是由德国学者于1977年首先提出，主要包括二极管串联钳位和二极管自钳位式多电平逆变器，采用多个二极管对相应的开关管进行钳位，同时利用不同的开关状态组合得到不同的输出电平数。
串联钳位结构解决了功率开关管串联均压问题，提高了输出电压的电平数，使输出电压和电流的总谐波含量大大降低，但是由于二极管的电压应力不均匀，需要不同的反向耐压，且在开关状态改变时，电流回路发生改变，钳位二极管电压突变，由于二极管杂散性，可能导致某个二极管承受的反向电压过高。
二极管自钳位式多电平逆变器解决了钳位二极管受压不均的问题，不但可以将功率开关管钳位在单个直流分压电容上，二极管也被钳位在单个直流分压电容电压上，避免了二极管直接串联存在的安全隐患。
二极管钳位式多电平逆变器所需的钳位二极管数量随着电平数的提高大大增加，导致成本提高、系统可靠性降低，所以采用该结构时直流侧分压电容一般少于四个。
图1.5 二极管钳位式逆变器，左为串联钳位、右为自钳位电容钳位式多电平逆变器是由法国学者于1992年首先提出，用多个飞跨电容取代二极管对功率开关进行钳位，利用不同的开关组合得到不同电平的输出电压，解决了二极管钳位式多电平逆变器中功率开关阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速回复的问题。
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
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。
3.2多电平逆变器的工作原理3.2.1 二极管钳位式三电平逆变器多电平变换器的概念是由日本学者A.Nabae等人在1980年提出的。
该电路是一种三电平逆变器，也称作中点钳位（NPC，Neutral Point Clamped）逆变器。
用两个串联的电容将直流母线电压分为3个电平，每个桥臂由三4个开关器件串联，用2个串联二极管和内侧开关管并联，其中间抽头和两个串联电容的中点连接，实现中点钳位，如图3-1所示。
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。
h桥级联型多电平逆变器的研究
h桥级联型多电平逆变器的研究H桥级联型多电平逆变器的研究随着科技的不断发展，电力电子技术也在不断突破，为我们的生活带来了更多的便利。
H桥级联型多电平逆变器作为一种新型的电力电子器件，已经引起了广泛的关注和研究。
本文将探讨H桥级联型多电平逆变器的原理、应用以及未来的发展趋势。
我们来了解一下H桥级联型多电平逆变器的原理。
H桥级联型多电平逆变器是一种由多个H桥逆变器级联而成的电力电子系统。
每个H桥逆变器都由四个功率开关管和四个二极管组成，通过控制这些开关管的开关状态，可以实现输入直流电压的多电平逆变。
通过合理地控制开关管的开关状态和PWM调制技术，可以输出不同电平的交流电压，从而实现对电力信号的精确调节。
H桥级联型多电平逆变器具有多种优点。
首先，它能够产生多电平的输出电压，可以减小电力系统中的谐波含量，提高电力质量。
其次，它具有较高的输出电压波形质量，能够有效地减小电力系统中的噪声和干扰。
此外，H桥级联型多电平逆变器还具有较高的效率和较好的可靠性，能够满足不同的电力系统要求。
H桥级联型多电平逆变器在多个领域有着广泛的应用。
首先，它可以应用于电力系统中的无功补偿和电能质量改善。
通过控制H桥级联型多电平逆变器的输出电压，可以实现对电力系统中的无功功率的补偿，提高电能质量。
其次，它还可以应用于电力电子变换器、电力传动系统以及再生能源系统等领域，实现对电力信号的精确调节和控制。
未来，H桥级联型多电平逆变器的发展还将面临一些挑战和机遇。
首先，随着电力电子技术的不断进步，H桥级联型多电平逆变器的性能将会得到进一步提升。
其次，随着新能源的不断发展和应用，H桥级联型多电平逆变器将在逆变器和变流器中发挥更重要的作用。
此外，H桥级联型多电平逆变器还可以与其他新型电力电子器件相结合，实现更高效、更可靠的电力系统。
H桥级联型多电平逆变器作为一种新型的电力电子器件，具有很大的研究价值和应用前景。
通过对其原理、应用和未来发展趋势的研究，可以为电力电子技术的进一步发展提供一定的参考和指导。
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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。
所以为了实现高频化和低EMI的大功率变换,在功率器件水平没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问题的方案。
现有的高压大功率变换电路归结起来可以分为5类。
1、普通三相逆变器2、降压一普通变频一升压电路3、变压器祸合的多脉冲逆变器4、交一交变频电路5、多电平变换器。
相对于其他的高压大功率变换电路,多电平变换器技术由于优点多，受到了越来越广泛的关注、研究和应用。
1.2 多电平变换器研究和应用现状从多电平变换器概念的提出至今,在短短二十多年的时间里,已经形成了三类基本拓扑及一系列改进拓扑。
与此相对应,多种多电平变换器的调制控制方法也被提出和研究。
在拓扑的研究方面,改进的主要方向是减少器件数量,同时解决电容电压的不平衡问题等;在控制方面,改进的主要方向是输出波形性能的优化和算法的简化以及算法的通用型等。
但是,在多电平变换器概念提出的最初几年,它并没有受到更多的关注,其原因在于:多电平逆变器特殊的拓扑结构,无论是对功率器件还是对控制电路的要求都比较高。
因此直到20世纪80年代末,随着GTO、IGBT、IGCT等大功率可控器件容量等级的不断提高,以及以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及,关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。
电力系统中的无功补偿和高压直流输电以及高压大容量电机变频调速是目前多电平变换器应用的主要领域。
无功补偿作为柔性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的研究热点,也是现代电力电子技术应用于电力系统最突出的表现。
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(SVC)之后,随着现代功率半导体器件的应用与新型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一静止同步补偿器STATCOM,而S卫汀COM 的核心就是电压源逆变器。
从目前情况看,将多电平逆变器应用到大功率高电压的电力系统中,如果电平数过多将会遇到很多困难,如硬件电路过于复杂;为了保持各个电容器的平衡充电,控制变得困难等。
所以,目前多电平逆变器应用于STATCOM中以三电平或五电平为主,也最为实际。
中高压交流大电机变频调速是多电平变换器的另一重要应用领域,由于多电平变换器在输出相同质量的电压波形的条件下,开关器件的电压应力大大减小,工作频率大为降低,所以可以克服两电平高频PWM逆变器驱动中的种种问题,其代价是所需的功率器件较多,因而它更适于大电机的驱动。
一般中大功率的电机调速输出电压在6kV左右,目前随着大功率开关器件的耐压水平的进一步提高,二极管箱位型三电平逆变器达到这样的输出电压是完全可能的,因此,二极管箱位型三平逆变器广泛应用于高性能、高电压、大容量电力传动系统中。
日本学者曾经于1996年预见,近几年内,二极管箱位型多电平变换器的功率范围,将飞速发展并迅速占据几乎所有的中高压变频和无功补偿领域。
目前国际上很多著名的电气公司,包括西门子、ABB、阿尔斯通、GE一东芝、三菱、安川等公司都己经具有此类的大容量电机调速产品。
据国外资料统计,目前用于风机、泵类负载的高压大容量多电平变换调速装置仍然占应用的大部分,在电厂、油田、石化、钢厂和自来水处理等领域广泛应用的。
大容量多电平逆变器供电的交流电机调速系统近年来在轨道交通系统中也得到了越来越广泛的应用。
在国内由于高压变频技术仍没有较大规模形成产业化,落后于发达国家,目前应用的高压大功率装置大部分是引进产品。
而我国又潜在着巨大的高压大功率变频器市场,国家计委预计在今后15年内,我国变频器总需求的投资额在500亿元以上,而其中60%~70%是高压大功率变频器。
所以,在世界上各大电气公司都在这一领域展开激烈竞争,以抢占我国高压大功率变频器市场的同时,我国也意识到研制国产高压大功率变频器的紧迫性和重要性。
近些年来,国内部分科研院所和一些公司在这一领域也做了一些研究和产品开发工作,包括北京利德华福、山东新风光等国内公司的变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染和无需专电机等优点,在技术上已经达到国际先进水平。
2多电平逆变器的拓扑结构2.1二极管钳位式多电平逆器二极管钳位式多电平逆变器是开发最早的一种多电平逆变器,这种逆变器的特点是主电路和控制电路比较简单,控制方式也比较简单,便于双向功率流动的控制,功率因数控制也方便。
一个m电平逆变器,每相桥臂钳位二极管个数为(m-1)*(m-2)。
图2-1给出三相三电平逆变器的电路由于三相工作原理一样,那么就以A相分析。
它由两个直流分压电容C1=C2,4个开关管,4个续流二极管和两个钳位二极管VDa1和VDa2组成。
当开关管Sal和Sa2同时导通时,A点对O点的电压为E/2,开关管状态不同输出电压不同,具体关系如表所示(l代表开,0代表关)。
由于B,C和A三相相位互差120度“,因此线电压可以五种电平,因此通过适当的控制,三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。
图2.1三相二极管钳位式三电平逆变器原理电路结构表2-1相输出电压与开关状态的关该电路拓扑的优点是:输出功率大,电平数越多,输出电压谐波含量越少。
阶梯波调制时,器件在基频下工作,功率器件损耗小,输出功率大,动态响应好,传输带宽较宽。
该电路拓扑的缺点是:m电平逆变器每相需要耐压等级相同的二极管数量为(m-1)*(m-2),使得制造成本增加线路安装困难。
开关器件通过的额定电流不相同,直流电容分压不均衡。
同时要求钳位二管的耐压指数高,并且数量多。
2.2飞跨电容钳位式多电平逆变器由于是采用悬浮电容器来代替钳位二极管工作,飞跨电容钳位式多电平逆变器也叫悬浮电容多电平逆变器,最先由法国学者H.Foch和T.A.Meynard提出来的。
一个m电平的飞跨电容钳位式多电平逆变器,每相桥臂钳位电容的个数为(m-1)*(m-2)/2图2.2给出了飞跨电容钳位式三电平单相逆变器的电路拓扑。
与二极管钳位三电平相比较,只是用钳位电容取代了钳位二极管,电容C的作用主要是将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容的电压上,从而实现三电平输出。
图2.2飞跨电容钳位式三电平单相逆变器电路拓扑该电路拓扑的优点:电平数容易扩展,有多种开关组合来合成输出电平,控制比较灵活。
电源断电时,大容量电容器存储的能量可作为电源。
能控制有功和无功功率,可用于高压直流输电。
该电路拓扑的缺点:需要大量的钳位电容,为了使电容的充放电保持平衡,需要采用不同的开关组合,使得系统控制复杂,器件开关损耗增大。
2.3电容钳位自平衡式多电平逆变器一个m电平电容钳位自平衡式多电平逆变器,每相桥臂钳位电容的个数为(m+l)*(m-1)/4,这种逆变器电路是以电容钳位的半桥式逆变电路为基本单元,按照金字塔的结构形式构成的多级电路,其中每个基本单元的电压等级相同。
由于控制的开关器件较多,所以这种电路形式的多电点平逆变电路开关模式极其灵活,不需要接触附加的电路来抑制直流侧的电容电压偏移问题,在理论上能够实现电容钳位的自平衡。
另外这种电路拓扑具有通用的意义。
前面介绍的二极管钳位,电容钳位,其他各种衍生的多电平电路结构,都可以看作是这种电路的一种特例,因此具有很高的研究与应用价值。
图2.3电容钳位自平衡式多电平逆变器电这种电路拓扑的优点是:很容易实现直流侧母线电容电压自平衡不需要附加电路来抑制。
其他各种电路都可以通过这种电路衍生出来。
该电路拓扑的缺点是:由于存在很多冗余状态,所以控制策略比较复杂,同时开关损耗比较大。
2.4级联式多电平逆变级联式多电平逆变器是用H桥直接串联叠加组成的一种级联式电路结构。
这种逆变器需要独立的直流电压源。
图2.4是级联式五电平三相逆变器主电路结构,从图上可以知道2个两电平的H桥直接串联叠加组成每相桥臂,每相输出电压是各个单元输出的叠加。
级联型五电平变流器的输出电压及其对应的开关状态如表2-2所示。
图2.4级联式五电平三相逆变器主电路结构这种电路拓扑的优点是:独立的直流电源,无须进行电容均压控制。
容易模块化,易于扩展。
无需钳位二极管和电容,在三种电路结构中,对于相同电平数所需器件最少,易于封装。
容易实现软开关技术,不用阻容吸收电路。
该电路拓扑的缺点是:需要独立直流电源多,不易实现四象限运。
表2-2级联型五电平变流器的输出电压及其对应的开关状态以上详细总结了目前多电平变流器的电路拓扑,对各自的优缺点进行了分析、比较,三种结构各有优劣,但在实现工程应用当中需要考虑多种因数,比如简单性的主电路结构,实现的容易性以及成本高低等多方面来考虑,飞跨电容钳位式需要大量的钳位电容,但是由于高压应用场合中电容体积势必增大,这样就限制了它的应用。
级联式逆变器需要多个独立直流供电电源,实际上就需要多个变压器,也使体积和损耗增大。