多电平逆变电路的三种控制方法
多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。
1. 三角载波PWM方法
①消谐波PWM（SHPWM）法
消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。为了使M－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对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。
②开关频率最优PWM（SFOPWM）法
开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统
中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。
③三角波移相PWM（PSPWM）法
三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。
2. 空间电压矢量PWM方法
多电平PWM的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高。多电平空间矢量PWM是根据2电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是
多电平的电压矢量更密集，模大小可选择的种类更多，合成时过渡更自然，合成的磁链更接近圆磁场，因而控制更精确，输出电压谐波更小。
3.控制方法适用的主电路结构
根据以上分析，可以得到以下结论：
1）在应用中，当变换器电平数超过5时，空间矢量PWM法将非常复杂，为了简化控制算法，三角载波PWM是较好的选择；
2）SHPWM法和SFOPWM法既可以用于箝位式电路又可以用于级联式电路，而PSPWM法和PS-SFOPWM法只适合用于级联式电路，SFOPWM法和PS-SFOPWM法由于在正弦调制波中注入了零序分量，因而只适合用于三相系统；
3）对于单相级联式多电平变换器，PSPWM法的控制效果最好；
4）对于三相级联型多电平变换器，PS-SFOPWM法由于提高了等效开关频率，较之SFOPWM法具有更好的控制效果。
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。 图2 5电平SHPWM-PD波形(ma=0.9，mf=21) 2.2 开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switching Frequency Optimal PWM) 由Steinke[4]提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)。设三相均衡参考电压分别为va，vb，vc，叠加零序电压vn，后三相参考电压分别为varef，vbrdf，vcref，具体叠加方法为:
逆变电源广泛运用于各类：电力、通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域。 在电路中将直流电转换为交流电的过程称之为逆变，这种转换通常通过逆变电源来实现。这就涉及到在逆变过程中的控制算法问题。 只有掌握了逆变电源的控制算法，才能真正意义上的掌握逆变电源的原理和运行方式，从而方便设计。在本篇文章当中，将对逆变电源的控制算法进行总结，帮助大家进一步掌握逆变电源的相关知识。 逆变电源的算法主要有以下几种。 数字PID控制 PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点： PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。 PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。 采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。 状态反馈控制 状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想。 重复控制
多电平逆变电路的三种控制方法 多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。 1. 三角载波PWM方法 ①消谐波PWM（SHPWM）法 消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。为了使M－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对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。 ②开关频率最优PWM（SFOPWM）法 开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统
中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。 ③三角波移相PWM（PSPWM）法 三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。 2. 空间电压矢量PWM方法 多电平PWM的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高。多电平空间矢量PWM是根据2电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是
https://www.doczj.com/doc/0812751679.html,/ 逆变电源广泛运用于各类：电力、通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域。 在电路中将直流电转换为交流电的过程称之为逆变，这种转换通常通过逆变电源来实现。这就涉及到在逆变过程中的控制算法问题。 只有掌握了逆变电源的控制算法，才能真正意义上的掌握逆变电源的原理和运行方式，从而方便设计。在本篇文章当中，将对逆变电源的控制算法进行总结，帮助大家进一步掌握逆变电源的相关知识。 逆变电源的算法主要有以下几种。 数字PID控制 PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点：
https://www.doczj.com/doc/0812751679.html,/ PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。 PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。 采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。 状态反馈控制 状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想。
太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法摘要：太阳能光伏发电是21世纪最为热门的能源技术领域之一，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注。本文介绍了太阳能光伏并网控制逆变器的工作过程，分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理，太阳能光伏逆变器的并网原理及主要控制方式。 1 引言： 随着工业文明的不断发展，我们对于能源的需求越来越多。传统的化石能源已经不可能满足要求，为了避免面对能源枯竭的困境，寻找优质的替代能源成为人们关注的热点问题。可再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等能源形式不断映入人们的眼帘。水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的水能开发程度较高，继续开发存在一定的困难。风能的利用近些年来也是热点问题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等缺点，大规模并网对电网会形成一定冲击，如何有效控制风能的开发和利用仍是学术界关注的热点。在剩下的可再生能源形式当中，太阳能发电技术是最有利用价值的能源形式之一。太阳能储量丰富，每秒钟太阳要向地球输送相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量。我国的太阳能资源也十分丰富，除了贵州高原部分地区外，中国大部分地域都是太阳能资源丰富地区，目前的太阳能利用率还不到1/1000。因此在我国大力开发太阳能潜力巨大。 太阳能的利用分为“光热”和“光伏”两种，其中光热式热水器在我
国应用广泛。光伏是将光能转化为电能的发电形式，起源于100多年前的“光生伏打现象”。太阳能的利用目前更多的是指光伏发电技术。光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题。随着光伏组件成本的下降，光伏发电的成本不断下降，预计到2013年安装成本可降至1.5美元/Wp，电价成本为6美分/(kWh)，光伏并网已经成为可能。并网型光伏系统逐步成为主流。本文主要介绍并网型光伏发电系统的系统组成和主要部件的工作原理。 2 并网型光伏系统结构 图1所示为并网型光伏系统的结构。并网型光伏系统包括两大主要部分：其一，太阳能电池组件。将太阳传送到地球上的光能转化成直流电能；其二，太阳能控制逆变器及并网成套设备，负责将电池板输出直流电能转为电网可接受的交流能量。根据功率的不同太阳能逆变器的输出形式可为单相或者三相；可带隔离变压器，也可不配隔离变压器。
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。
目录 目录 1 绪论 (1) 1.1研究背景及意义 (1) 1.2国内外研究进展 (2) 1.2.1 STATCOM装置的应用与发展 (2) 1.2.2 STATCOM的主电路拓扑研究现状 (3) 1.2.3 STATCOM控制方法研究现状 (5) 1.2.4 STATCOM调制策略的研究 (6) 1.3本文的主要研究内容 (8) 2 级联H桥STATCOM的工作原理与建模 (9) 2.1STATCOM的结构与无功补偿原理 (9) 2.1.1 STATCOM的拓扑结构分析 (9) 2.1.2 STATCOM的无功补偿原理 (10) 2.2H桥模块的工作模式 (12) 2.3STATCOM的CPS-PWM调制技术 (13) 2.4STATCOM的数学模型 (14) 2.5本章小结 (15) 3 级联H桥STATCOM的控制策略 (16) 3.1级联STATCOM的控制系统结构 (16) 3.2级联STATCOM的直接电流控制 (16) 3.2.1基于PI控制的电流跟踪控制技术 (17) 3.2.2基于无源控制的电流跟踪控制技术 (19) 3.3级联STATCOM的直流侧电容电压平衡控制 (22) 3.3.1 直流侧电容电压的波动成因分析 (22) 3.3.2 直流侧电容电压不平衡的产生机理 (23) 3.3.3 直流侧电容电压整体控制 (24) 3.3.3 基于调制波平移的直流侧电容电压平衡策略 (25) 3.4仿真结果分析 (27) 3.4.1 电流跟踪效果仿真分析 (27) 3.4.2 直流侧电压平衡控制仿真 (30) 3.5本章小结 (32) 4 级联H桥STATCOM的故障容错技术 (33) 4.1故障容错的重要性 (33) 4.2冗余方案与故障隔离方案的选取 (33) 4.2.1冗余方案的选取 (33) I
摘要：多电凭高压变频器自诞生以来就在节能和环保方面体现出极高的价值，也引起了众多的学者进行研究。本文对多电平高压变频器的两种主要拓扑结构及其原理进行分析。 关键词：三电平；单元串联多电平；应用 About multi-level high-voltage converter topology of the two TANG Xin g Long LIU Hui Kang XIONG Wen SUN Kai（Wuhan University of Science a nd Technology College of Information Science and Engineering,Wuhan Hu bei 430081）Abstract: With high voltage inverter, since its birth in the ene rgy-saving and environmental protection reflects the high value, it also ca used a lot of academics for research. In this paper, the multi-level high-vo ltage converter topology of the two main structure and principles for analy sis.Key words: Level 3; Series multi-level unit; Application 1 前言 对于高压电动机，我们如果采用传统的三相六拍的结构变频器对电动机进行控制，由于电压过高，加上电力电子器件开关速度的提高，这样开关器件输出的值就会很大。由于电动机的绕组的中性点是不接地的，电动机每绕组对地存在分布电容，输出电压的变化相当于电容两端电压的变化，即对电容的频繁充放电，充放电对电动机定子绕组的绝缘将造成冲击，而且越大，冲击也越大。电压输出端的电压谐波很容易引起电动机发热而造成电机的损坏，再加上由于电力电子器件本身制造的原因很难达到我所需要的6KV或10KV的高压所以就必须对变频器的拓扑结构进行研究。 多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1980年的IEEEIAS年会上，日本长冈科技大学的A.Naba。等人提出了中性点钳位型（Neutral Point Clamped-NPC）的三电平电路结构[1]。基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对功率逆变器件和控制电路要求都很高，最初并未受到太多关注。直到90年代，随着GTO, IGBT的成熟应用和IGCT, IEGT等新型全控型器件的先后出现，以及以DSP为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压钳位方式，可将其分为二极管钳位型（Diode Clamped，又称中性点钳位型NPC）、电容钳位型（Capacitor Clamped）和单元级联型（Cascaded Multicell）三类[2]。 2 三电平变频器及其派生的方案 2.1 三电平变频器的工作原理
多电平逆变器准最优脉宽调制方法 宁静!贺昱曜 " 西北工业大学航海学院!陕西西安#$%%#&’摘要(多电平变换器是高压大功率应用领域的研究热点!文中针对多电平载波)*+技术中电压调制深度低和基波幅值小的问题!提出了一种新颖的多电平准最优)*+法! 分析了输出最大电压调制深度,基波幅值和谐波畸变率等!同时给出了输出电压开关切换角,最优调制波形等的求解方法!并进行了计算机仿真-结果表明!该方法极大地提高了输出电压调制深度和基波幅值- 关键词(多电平变换器!脉冲宽度调制!电压调制深度 中图分类号(.+/ &$01&文献标识码(2文章编号($%%%3"&%%5’%&3%$1&3%1多电平变换器的思想是利用独立的直流电源来 产生较小的阶梯电压!从而最终输出较高电压的交 流波形6$7-多电平变换器的拓扑结构6 &!87主要有8种(二极管钳位型,飞跨电容型和级联型多电平变换 器-它们的主要优点687是(9电平数越多!输出电压谐波含量越低:;器件开关频率低!开关损耗小:<器件应力小!无需动态均压-但它们又有各自的缺 点(二极管钳位型需要大量的钳位二极管:飞跨电容 型需要大量的钳位电容:且都存在直流侧分压电容 电压不均衡问题-近年来!已提出了大量的多电平变 换器)*+控制方法6=!17!这些)*+控制方法可分 为&大类(三角载波)*+法和空间矢量)*+法 ">?)*+’687-但> ?)*+法用于五电平以上的电路时!其控制算法变得非常复杂-因此!对于五电平 以上的多电平电路!采用三角载波)*+657的控制 方法是一种较为可行的方案-本文提出的多电平准 最优)*+技术"+>@A )*+’ !可以在高次谐波分量不增加的情况下!使调制深度BC $!从而进一步 发挥了脉宽调制法的优点-在分析+>@A )*+法 原理的基础上!给出了五电平逆变器的开关切换角, 最优调制波形等的求解方法- D 准最优EF G E 多电平准最优)*+法的基本原理为调制波H I 是在正弦调制波H "基波’上叠加适当幅度和相位的8的整数倍次谐波生成的!载波要求与>J )*+法657相同-由于合成参考信号的最大值减小!从而发挥了脉宽调制法的优点"图$’- 因为注入的8的整数倍次谐波在三相系统中可以相互抵消!所以该方 法适用于三相系统-图$针对五电平的+>@A )*+图$五电平+>@A )*+法原理及开关切 换角的确定"加三次谐波’ &%%5 年=月第&=卷第&期西北工业大学学报K L M N O P Q L R S L N T U V W X T W N O)L Q Y T W Z U O [Z P Q @O [\W N X [T Y 2]N 0&%%5?L Q 0&=S L 0& ^收稿日期(&%%13%13&1基金项目(全国优秀博士论文作者专项资金"&%%&1%’资助作者简介(宁静"$/4%_’!女!西北工业大学硕士生!主要从事电力电子及电力传动的研究-万方数据
第5章逆变电路 主要容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。 重点：换流方式，电压型逆变电路。 难点：电压型逆变电路，电流型逆变电路。 基本要求：掌握换流方式，掌握电压型逆变电路，理解电流型逆变电路，了解多重逆变电路和多电平逆变电路。 逆变概念： 逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。 本章无源逆变逆变电路的应用： 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 本章仅讲述逆变电路基本容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的容会进一步展开 1换流方式 （1）逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例： S 1～S 4 是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S 1 、S 4 闭合，S 2 、S 3 断开时， 负载电压u o 为正S 1 ；S 1 、S 4 断开，S 2 、S 3 闭合时，u o 为负，把直流电变成了交流电。改变两 组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 图5-1 逆变电路及其波形举例 电阻负载时，负载电流i o 和u o 的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i o 滞后于u o ， 波形也不同（图5-1b）。
t 1前：S 1 、S 4 通，u o 和i o 均为正。 t 1时刻断开S 1 、S 4 ，合上S 2 、S 3 ，u o 变负，但i o 不能立刻反向。 i o 从电源负极流出，经S 2 、负载和S 3 流回正极，负载电感能量向电源反馈，i o 逐渐减小， t 2时刻降为零，之后i o 才反向并增大 （2）换流方式分类 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。 关断：全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述 1、器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。 2、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。 3、负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。 图5-2 负载换流电路及其工作波形 基本的负载换流逆变电路： 采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈 容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感L d ， i d 基本没有 脉动。 工作过程：
0 引言 多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，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，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的d v/d t应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器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前景。 1 多电平变换器的拓扑结构 国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种： 1）二极管中点箝位型（见图1）； 2）飞跨电容型(见图2)； 3）具有独立直流电源级联型（见图3）； 4）混合的级联型多电平变换器。 图1 二极管箝位型三电平变换器 图2 飞跨电容型三电平变换器
图3 级联型五电平变换器 其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。 二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。 飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。 级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。其主要缺点是采用多路的独立直流电源。目前，这种拓扑结构也有实用化的产品。 2 多电平变换器的控制策略 从目前的资料来看，多电平变换器主要有5种控制策略，即阶梯波脉宽调制、特定消谐波PWM、载波PWM、空间矢量PWM、Sigma-delta调制法。 2.1 阶梯波脉宽调制[1][2][3] 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的方法。典型的阶梯波调制的参考电压和输出电压如图4所示。在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除。2m＋1次的多电平的阶梯波调制的输出电压波形的傅立叶分析见式(1)及式(2)。消除k次谐波的原理就是使电压系数b k为0。这种方法本质上是对做参考电压的模拟信号作量化的逼近。从图4中不难看出这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以，可以采用低开关频率的大功率器件如GTO来实现；另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单，控制上硬件实现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。 图4 九电平阶梯波输出电压波形 v t(t)=b n sin nωt（1） b n=[V cos nα1＋2V cosnα1＋……＋jV cos nαj＋……＋mV cosnαm]（2） 2.2 多电平特定消谐波法[4][5][6] 多电平的特定消谐波法也被称作开关点预制的PWM方法。这种方法是建立在多电平阶梯波调制方法的基础之上的。这种方法的原理就是在阶梯波上通过选择适当的“凹槽” 有选择性地消除特定次谐波，从而达到输出波形质量提高和输出THD减小的目的。这种方法的消谐波和阶梯波的消谐波一样，唯一不同的就是输出电压波形的傅立叶分析后的系数 b n有所不同。现以五电平的特定消谐波的一个输出电压波形(如图5所示)来分析傅立叶分解
个人总结-多电平变换器的拓扑结构和控制 策略(s h r i m p l m)
多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，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，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(T HD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt 应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器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前景。 1 多电平变换器的拓扑结构 国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种： 1）二极管中点箝位型（见图1）； 2）飞跨电容型(见图2)； 3）具有独立直流电源级联型（见图3）； 4）混合的级联型多电平变换器。
图1 二极管箝位型三电平变换器 图2 飞跨电容型三电平变换器 图3 级联型五电平变换器 其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。 二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。
第5章逆变电路 主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。 重点：换流方式，电压型逆变电路。 难点：电压型逆变电路，电流型逆变电路。 基本要求：掌握换流方式，掌握电压型逆变电路，理解电流型逆变电路，了解多重逆变电路和多电平逆变电路。 逆变概念： 逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。 本章无源逆变逆变电路的应用： 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开 1换流方式 （1）逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例： S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 图5-1 逆变电路及其波形举例 电阻负载时，负载电流i o和u o的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i o滞后于u o，波形也不同（图5-1b）。
t1前：S1、S4通，u o和i o均为正。 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，u o变负，但i o不能立刻反向。 i o从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，i o逐渐减小，t2时刻降为零，之后i o才反向并增大 （2）换流方式分类 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。 关断：全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述 1、器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。 2、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。 3、负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。 图5-2 负载换流电路及其工作波形 基本的负载换流逆变电路： 采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感L d，i d基本没有脉动。 工作过程：