电力电子 多电平技术.ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二极管箝位多电平变流器的元件：P105
设变流器的电平数为m，则： 1. 需分压电容： m－1 2. 每相开关元件： 2（m－1） 3. 每相二极管： （m－1）（m－2）
4.2－4 电容箝位型多电平变流器
三电平电容嵌位 逆变器
此电路又被称为飞跨(悬浮)电容逆变 器，独立的嵌位电容使每个逆变单元 的电压被嵌制在一个电容电压。图中 a点和n点间输出三电平， Van=Vdc/2, 0, 或-Vdc/2。 P106
对应于Vdc/2 状态，开关S1和 S2导通；对应于－Vdc/2 状态， 开关S1 ‘和S2 ’导通；对应于 0 状态，S2和S1‘ 导通。 P102
特点：任意时刻控制导通的器件数是桥臂器件 数的一半。此例桥臂器件4个，每次控制2个。 优点：绝对不会形成电源通过桥臂短路，所以 不用设死区时间。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
Flexible AC transmission System
FACTS
灵活交流输电系统或柔性交流输电系 统
4.2 多电平技术
多电平技术概念最早由日本长冈科技大学的A.Nabae 等人在1980年IAS年会上提出来。目前已经成为电力 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。
多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将 低压的功率开关器件连接在一起，实现了高电压、大 容量。多电平变换技术已经在有源电力滤波器、高压 直流变换和功率因数校正等方面取得了成功的应用。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
二极管箝位多电平变流器的缺点：P106
1. 需大量二极管，大大提高了成本，安装困难， 实际应用仅限于7电平或9电平。 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 单变流器难以控制用功功率。 4. 电容电压不平衡，增加了控制的复杂度和难 度。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
3) 对于Van = 0，则有6种组合方式： d) 导通S1，S2，S1'，S2' e) 导通S3，S4，S3'，S4' f) 导通S1，S3，S1'，S3' g) 导通S1，S4，S2'，S3' h) 导通S2，S4，S2'，S4' i) 导通S2，S3，S1'，S4' 4) 对应于Van = -Vdc/4，则有3种组合方式： 5) 对应于Van = -Vdc/2，导通S1'-S4' 。
4.2 －1 多电平技术的优点
每个功率器件仅仅承受单级电压，所以可以用低耐压 的器件实现高压大功率输出，且无需均压电路。P102
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，输出电压谐波含量降低。
可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变 换器相同THD的输出电压波形，因而开关损耗小、效 率高。
1) 对应于Vdc/2状态，开关S1和S2导通； 2) 对应于-Vdc/2状态，开关S1'和S2'导通； 3) 对应于0状态， (S1，S1')导通，或者(S2，
S2')导通。 当(S1，S1')导通时，电容C1被充电，当(S2， S2')导通时，电容C1放电。电容C1被充电可 由适当选择 0 状态开关组合来实现。
4.2－5 级联型多电平变流器
级联型逆变器
具有独立直流电源的级 联型逆变器最初应用在 电机驱动领域，每个全 桥单元需要一个绝缘的 和独立的直流电源。级 联的逆变器适用于所有 的功率状况，特别是中 压系统。在线性功率串 并联状态下，与传统的 PWM 控制的逆变器相 比，此逆变器的比较优 势是低成本，高性能， 低电磁干扰(EMI)，高 效率等优点。
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
电容箝位多电平变流器的元件：P106
设变流器的电平数为m，则： 1. 需分压电容： m－1 2. 每相开关元件： 2（m－1） 3. 每相箝位电容：（m－1）（m－2）/2
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
电容箝位型多电平变流器的缺点： P107 1. 需大量电容，电容体积大，成本高， 封装难。 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 控制用功功率时，开关频率高，开关损 耗大。 4. 为使电容充放电保持平衡，增加了系统 控制的复杂度。
二极管嵌位逆变器 五电平二极管嵌位逆变器 P105
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
设中点 n 为输出相电压的参考点来说明阶梯波电压 的合成。 在 a 点和 n 点间有五种开关模式的组合来合成五电 平。 1）对应于Van = Vdc/2，导通S1-S4。 2）对应于Van = Vdc/4，导通S2-S4和S1'。 3）对应于Van = 0，导通S3-S4，S1'和S2'。 4）对应于Van =-Vdc/4，导通S4和S1'-S3'。 5）对应于Van =-Vdc/2，导通S1'-S4'。 四组互补的开关存在于每一相中。互补开关被定义为， 当其中的一个开关导通时另一个开关就截止，反之亦 然。上例中，四组互补开关为(S1，S1')，(S2，S2')， (S3，S3')，(S4，S4')。
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
五电平电容嵌位 逆变器 P106
电容嵌位五电平逆变器，它的电压合成比二极管方 式更具有灵活性。Van可有以下开关组合方式合成： 1) 对应于Van = Vdc/2，导通S1-S4。 2) 对应于Van = Vdc/4，则有3种组合方式： a) 导通S1，S2，S3，S1' b) 导通S2，S3，S4，S4' c) 导通S1，S3，S4，S3'
4.2 －6 多电平技术的矢量控制 P107
五电平逆变器的 电压矢量图
多电平技术的一大优点 是矢量合成的优越性
利用电压空间矢量定义 式,可得到N电平逆变器 的电压矢量图。
无需输出变压器，减少了系统的体积和损耗。
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 －2 多电平技术的电路结构
二极管箝位型多电平变流器 电容箝位型多电平变流器 级联型变流器
4.2 －3 二极管箝位型多电平变流器
三电平二极管嵌位 逆变器
图中，两个串联的电容C1和C2 把直流总线电压分成 3 个等级。 其中两个电容的中点 n 定义为零 点电压。输出端Van有三个状态： Vdc/2，0，－Vdc/2。
设变流器的电平数为m，则： 1. 需分压电容： m－1 2. 每相开关元件： 2（m－1） 3. 每相二极管： （m－1）（m－2）
4.2－4 电容箝位型多电平变流器
三电平电容嵌位 逆变器
此电路又被称为飞跨(悬浮)电容逆变 器，独立的嵌位电容使每个逆变单元 的电压被嵌制在一个电容电压。图中 a点和n点间输出三电平， Van=Vdc/2, 0, 或-Vdc/2。 P106
对应于Vdc/2 状态，开关S1和 S2导通；对应于－Vdc/2 状态， 开关S1 ‘和S2 ’导通；对应于 0 状态，S2和S1‘ 导通。 P102
特点：任意时刻控制导通的器件数是桥臂器件 数的一半。此例桥臂器件4个，每次控制2个。 优点：绝对不会形成电源通过桥臂短路，所以 不用设死区时间。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
Flexible AC transmission System
FACTS
灵活交流输电系统或柔性交流输电系 统
4.2 多电平技术
多电平技术概念最早由日本长冈科技大学的A.Nabae 等人在1980年IAS年会上提出来。目前已经成为电力 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。
多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将 低压的功率开关器件连接在一起，实现了高电压、大 容量。多电平变换技术已经在有源电力滤波器、高压 直流变换和功率因数校正等方面取得了成功的应用。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
二极管箝位多电平变流器的缺点：P106
1. 需大量二极管，大大提高了成本，安装困难， 实际应用仅限于7电平或9电平。 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 单变流器难以控制用功功率。 4. 电容电压不平衡，增加了控制的复杂度和难 度。
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
3) 对于Van = 0，则有6种组合方式： d) 导通S1，S2，S1'，S2' e) 导通S3，S4，S3'，S4' f) 导通S1，S3，S1'，S3' g) 导通S1，S4，S2'，S3' h) 导通S2，S4，S2'，S4' i) 导通S2，S3，S1'，S4' 4) 对应于Van = -Vdc/4，则有3种组合方式： 5) 对应于Van = -Vdc/2，导通S1'-S4' 。
4.2 －1 多电平技术的优点
每个功率器件仅仅承受单级电压，所以可以用低耐压 的器件实现高压大功率输出，且无需均压电路。P102
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，输出电压谐波含量降低。
可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变 换器相同THD的输出电压波形，因而开关损耗小、效 率高。
1) 对应于Vdc/2状态，开关S1和S2导通； 2) 对应于-Vdc/2状态，开关S1'和S2'导通； 3) 对应于0状态， (S1，S1')导通，或者(S2，
S2')导通。 当(S1，S1')导通时，电容C1被充电，当(S2， S2')导通时，电容C1放电。电容C1被充电可 由适当选择 0 状态开关组合来实现。
4.2－5 级联型多电平变流器
级联型逆变器
具有独立直流电源的级 联型逆变器最初应用在 电机驱动领域，每个全 桥单元需要一个绝缘的 和独立的直流电源。级 联的逆变器适用于所有 的功率状况，特别是中 压系统。在线性功率串 并联状态下，与传统的 PWM 控制的逆变器相 比，此逆变器的比较优 势是低成本，高性能， 低电磁干扰(EMI)，高 效率等优点。
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
电容箝位多电平变流器的元件：P106
设变流器的电平数为m，则： 1. 需分压电容： m－1 2. 每相开关元件： 2（m－1） 3. 每相箝位电容：（m－1）（m－2）/2
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
电容箝位型多电平变流器的缺点： P107 1. 需大量电容，电容体积大，成本高， 封装难。 2. 器件负荷不一致，电流等级不同。 3. 控制用功功率时，开关频率高，开关损 耗大。 4. 为使电容充放电保持平衡，增加了系统 控制的复杂度。
二极管嵌位逆变器 五电平二极管嵌位逆变器 P105
4.2－3 二极管箝位型多电平变流器
设中点 n 为输出相电压的参考点来说明阶梯波电压 的合成。 在 a 点和 n 点间有五种开关模式的组合来合成五电 平。 1）对应于Van = Vdc/2，导通S1-S4。 2）对应于Van = Vdc/4，导通S2-S4和S1'。 3）对应于Van = 0，导通S3-S4，S1'和S2'。 4）对应于Van =-Vdc/4，导通S4和S1'-S3'。 5）对应于Van =-Vdc/2，导通S1'-S4'。 四组互补的开关存在于每一相中。互补开关被定义为， 当其中的一个开关导通时另一个开关就截止，反之亦 然。上例中，四组互补开关为(S1，S1')，(S2，S2')， (S3，S3')，(S4，S4')。
4.2 －4 电容箝位型多电平变流器
五电平电容嵌位 逆变器 P106
电容嵌位五电平逆变器，它的电压合成比二极管方 式更具有灵活性。Van可有以下开关组合方式合成： 1) 对应于Van = Vdc/2，导通S1-S4。 2) 对应于Van = Vdc/4，则有3种组合方式： a) 导通S1，S2，S3，S1' b) 导通S2，S3，S4，S4' c) 导通S1，S3，S4，S3'
4.2 －6 多电平技术的矢量控制 P107
五电平逆变器的 电压矢量图
多电平技术的一大优点 是矢量合成的优越性
利用电压空间矢量定义 式,可得到N电平逆变器 的电压矢量图。
无需输出变压器，减少了系统的体积和损耗。
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 －2 多电平技术的电路结构
二极管箝位型多电平变流器 电容箝位型多电平变流器 级联型变流器
4.2 －3 二极管箝位型多电平变流器
三电平二极管嵌位 逆变器
图中，两个串联的电容C1和C2 把直流总线电压分成 3 个等级。 其中两个电容的中点 n 定义为零 点电压。输出端Van有三个状态： Vdc/2，0，－Vdc/2。