多电平电路112..
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第 11 章
多电平电路
1
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
主要内容
11.0 概述 11.1 中点钳位式逆变电路 11.1.1 中点钳位式方波逆变电路 11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路 11.2 中点钳位式直流变换电路 11.2.1 间接式NPC-DC/DC电路 11.2.2 直接式NPC-DC/DC电路 11.3 中点钳位式PWM整流电路 11.3.1 SVPWM的控制算法 11.3.2 NPC-PWM-REC的控制 本章小结
两电平逆变电路输出线电压波形
两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平；三电平逆变电路的
输出线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平
三电平逆变电路输出电压为6阶梯波，谐波可大大少于两电平逆变电路 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压
的一半
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（2）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（3）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（4）
故
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（5）
三电平逆变电路输出线电压波形
ma mf Am ( N 1) Ac fc fm
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（3）
电压空间矢量PWM控制方式
1）在三电平电路中，由 于每相对直流中点有三 个开关状态，因此整个 三相桥一共有3×3＝27 种开关状态；
2）每个电压空间矢量代 表逆变桥的一种开关状 态，也就是各桥臂器件 的导通状态，从而决定 了该时刻中三相逆变输 出的瞬时值。
多电平电路在高电压大功率的变频调速、有源电力滤 波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功 补偿等方面有着广泛的应用
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1 中点钳位式逆变电路
11.1.1 三电平方波逆变电路 中点钳位式（Neutral Point Clamped）逆变电路 每桥臂都由两个全控型器件 串联构成，两个器件都反并 联了二极管。两个串联器件 的中点通过钳位二极管和直 流侧电容的中点相连
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（4）
电压空间矢量PWM控制方式
24个非零矢量在坐标平面 α -β 中可划分为六个扇形 区，每个扇形又包含两个 子伏，每个子区各拥有3个 非零矢量，其幅值分别为
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（5）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（2）
消谐波PWM方法的原理： 对于一个N电平的变换器，每相采用N-1个具有相 同频率fc和相同峰值Ac的三角载波与一个频率为fm ，幅值为Am的正弦波相比 较，为了使N-1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连 且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻， 如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之， 如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。 对于一个N电平的变换器，调制度 ma和载波比mf定义如下：
电压空间矢量PWM控制方式
以第I扇区的矢量分布为例，扇区细分为 A～D四个子区，每个子区各包含3个基本 矢量。当 落入某一子区后，用该子区 三角形顶点所标矢量去逼近 可得到最 佳效果
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（6）
电压空间矢量PWM控制方式
11.1.1 中点钳位式方波逆变电路
五电平方波逆变电路（1）
为进一步提高电路的输出电压等级， 降低谐波含量和EMI，仿照三电平 逆变电路拓扑，发展了多电平逆变 电路
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 中点钳位式方波逆变电路
五电平方波逆变电路（2）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（1）
主电路与中点钳位式方波电路相同；区别在于控制方式， 控制极信号用脉冲代替方波 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）
(c) 载波带频率变化的PWM方法
(d) 相移载波PWM方法
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
在NPC-SVPWM技术中，电压矢量的更迭必须遵循以下规则: 1)由电压矢量更迭所引起的开关状态的更迭必须保持 的顺 序，尽可能不使用 ，目的是为了减小输出电压的变率，保持 NPC电路的优点。 2)实现开关状态更迭的开关次数为最小，目的是减小电路的开关损耗。 多电平SVPWM法和两电平SVPWM法一样，是一种建立在空间矢 量合成概念上的PWM法，它的最大优点在于概念清晰，反映了 SPWM的本质，电压利用率高，易于数字实现等，不足之处在于 当电平数超过5时，算法过于复杂。
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.0 概述（１）
多电平电路的分类
多电平电路泛指其 输出量具有多个电平的 电路；多电平整流电路 则指其输入电流量具有 多个电平
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.0 概述（２）
多电平电路的特点：扩容和谐波抑制
1) 多电平电路输出具有多个电平，可使输出波形接近正弦，波形 畸变率(THD)大大缩小,并不是依靠高开关频率来实现谐波抑制； 2) 对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压 的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出， 且无需动态和静态均压电路； 3) 输出电压电平数目增加，电压变率相应降低，EMI强度相应下 降。
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
控制极信号时序分布（以A相为例） 1）ug1m与ug4A、ug4m与ug1A在相位上 互补； ug1m与ug4m、ug1A与ug4A相位 上互差180。。 2)控制信号一个周期包含a～d四个 时区。a和c时区主辅器件控制极信 号相位相反，在b和d时区中，控制 极信号相位相同。 3)在开关点上，上下桥臂各相串联 的两个可控器件无同时导通或关断 的状态，所以没有电压动态分配不 均现象；而在非开关期中，处于阻 断的器件则均为电源所钳位，故无 电压静态分配不均现象。
多电平电路
1
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
主要内容
11.0 概述 11.1 中点钳位式逆变电路 11.1.1 中点钳位式方波逆变电路 11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路 11.2 中点钳位式直流变换电路 11.2.1 间接式NPC-DC/DC电路 11.2.2 直接式NPC-DC/DC电路 11.3 中点钳位式PWM整流电路 11.3.1 SVPWM的控制算法 11.3.2 NPC-PWM-REC的控制 本章小结
两电平逆变电路输出线电压波形
两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平；三电平逆变电路的
输出线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平
三电平逆变电路输出电压为6阶梯波，谐波可大大少于两电平逆变电路 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压
的一半
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（2）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（3）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（4）
故
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 三电平方波逆变电路（5）
三电平逆变电路输出线电压波形
ma mf Am ( N 1) Ac fc fm
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（3）
电压空间矢量PWM控制方式
1）在三电平电路中，由 于每相对直流中点有三 个开关状态，因此整个 三相桥一共有3×3＝27 种开关状态；
2）每个电压空间矢量代 表逆变桥的一种开关状 态，也就是各桥臂器件 的导通状态，从而决定 了该时刻中三相逆变输 出的瞬时值。
多电平电路在高电压大功率的变频调速、有源电力滤 波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功 补偿等方面有着广泛的应用
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1 中点钳位式逆变电路
11.1.1 三电平方波逆变电路 中点钳位式（Neutral Point Clamped）逆变电路 每桥臂都由两个全控型器件 串联构成，两个器件都反并 联了二极管。两个串联器件 的中点通过钳位二极管和直 流侧电容的中点相连
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（4）
电压空间矢量PWM控制方式
24个非零矢量在坐标平面 α -β 中可划分为六个扇形 区，每个扇形又包含两个 子伏，每个子区各拥有3个 非零矢量，其幅值分别为
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（5）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（2）
消谐波PWM方法的原理： 对于一个N电平的变换器，每相采用N-1个具有相 同频率fc和相同峰值Ac的三角载波与一个频率为fm ，幅值为Am的正弦波相比 较，为了使N-1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连 且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻， 如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之， 如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。 对于一个N电平的变换器，调制度 ma和载波比mf定义如下：
电压空间矢量PWM控制方式
以第I扇区的矢量分布为例，扇区细分为 A～D四个子区，每个子区各包含3个基本 矢量。当 落入某一子区后，用该子区 三角形顶点所标矢量去逼近 可得到最 佳效果
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（6）
电压空间矢量PWM控制方式
11.1.1 中点钳位式方波逆变电路
五电平方波逆变电路（1）
为进一步提高电路的输出电压等级， 降低谐波含量和EMI，仿照三电平 逆变电路拓扑，发展了多电平逆变 电路
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.1 中点钳位式方波逆变电路
五电平方波逆变电路（2）
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（1）
主电路与中点钳位式方波电路相同；区别在于控制方式， 控制极信号用脉冲代替方波 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）
(c) 载波带频率变化的PWM方法
(d) 相移载波PWM方法
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
在NPC-SVPWM技术中，电压矢量的更迭必须遵循以下规则: 1)由电压矢量更迭所引起的开关状态的更迭必须保持 的顺 序，尽可能不使用 ，目的是为了减小输出电压的变率，保持 NPC电路的优点。 2)实现开关状态更迭的开关次数为最小，目的是减小电路的开关损耗。 多电平SVPWM法和两电平SVPWM法一样，是一种建立在空间矢 量合成概念上的PWM法，它的最大优点在于概念清晰，反映了 SPWM的本质，电压利用率高，易于数字实现等，不足之处在于 当电平数超过5时，算法过于复杂。
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.0 概述（１）
多电平电路的分类
多电平电路泛指其 输出量具有多个电平的 电路；多电平整流电路 则指其输入电流量具有 多个电平
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
11.0 概述（２）
多电平电路的特点：扩容和谐波抑制
1) 多电平电路输出具有多个电平，可使输出波形接近正弦，波形 畸变率(THD)大大缩小,并不是依靠高开关频率来实现谐波抑制； 2) 对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压 的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出， 且无需动态和静态均压电路； 3) 输出电压电平数目增加，电压变率相应降低，EMI强度相应下 降。
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
控制极信号时序分布（以A相为例） 1）ug1m与ug4A、ug4m与ug1A在相位上 互补； ug1m与ug4m、ug1A与ug4A相位 上互差180。。 2)控制信号一个周期包含a～d四个 时区。a和c时区主辅器件控制极信 号相位相反，在b和d时区中，控制 极信号相位相同。 3)在开关点上，上下桥臂各相串联 的两个可控器件无同时导通或关断 的状态，所以没有电压动态分配不 均现象；而在非开关期中，处于阻 断的器件则均为电源所钳位，故无 电压静态分配不均现象。