第5章 多电平变换器.ppt

两电平拓扑结构
1)一般只使用于小容量的变换器。 2)输出电压波形中谐波较大。 3)一般来说，需要较高的开关频率。 4)输出电压波形中，du/dt较大。 5)损耗较大，效率较低。
两电平拓扑结构
图7 三相两电平逆变拖动系统的示意图
两电平拓扑结构
图8 两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析
二极管钳位式多电平变换器
表1 二极管钳位式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图12 两种二极管钳位式五电平变换器示意图(一个桥臂)
二极管钳位式多电平变换器
图13
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图14
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
级联式多电平变换器
6)不存在电容电压不平衡问题。 1)需多个独立直流电源。 2)不易实现四象限运行。 3)所需开关器件较多，若采用U/f开环控制，低频时电平数减少， 输出谐波增加。 4)单元采用电解电容的可靠性差。
级联式多电平变换器
图15 两个H桥级联的变换 器示意图(一个桥臂)
级联式多电平变换器
变换器理想开关的定义
1)通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。 2)阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。 3)开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。 4)通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一 个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向承受电 压，即双向可控开关。 1)通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。 2)阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。 3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零 时间内降为零。
变换器理想开关的定义
4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流经电流在零时间内 降为零。 5)双向可控开关，处于通态时，其流通电流方向可正可负；处于 阻态时，其两端的承受电压可正可负，即在其电压电流相平面图 上，其工作区域为两坐标轴，如图3-27所示。 6)相对于实际器件，理想器件还具有这样的特性，即其通态和阻 态时间宽度可以无限小(即没有最小脉宽限制)。
基于器件特性的变换器基本拓扑单元
6)开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限 制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。 1)开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率， 必须在额定的范围内。 2)两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的 情况。 3)因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关动作之间存 在一定的“死区”。 4)因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制 存在最小脉宽。 5)两个开关的动态特性相互影响。
表5 级联式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)
表6 两个H桥级联的变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系
图16 1∶2直流电源H桥级联
图17 1∶3直流电源H桥级联
表7 三种直流电源模式下的输出电平数与开关器件数目比较
多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路
图16 Peng通用多电平拓扑结构
多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路
图17 简化出的三种拓扑
多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路
图18
多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路
图18 不考虑杂散参数的与实际变换器中的 IGCT电压电流波形比较仿真
表2 二极管钳位式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系
电容悬浮式多电平变换器
1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 3)可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。 4)大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 1)需大量的钳位电容。 2)用于纯无功负载时，存在悬浮电容电压的不平衡。
多电平电力电子变换器
多电平电力电子变换器，简称多电平变换器。这 种变换器正是为适应于集成系统的发展，为提高 系统性能和适应性而提出来的。一般来说，多电 平变换器具有更多的开关器件和较复杂的拓扑结 构。上一节的两电平变换器拓扑特性分析也适用 于多电平变换器。但是与两电平变换器拓扑不同， 多电平变换器拓扑具有自己本身独有的特点。
3.4.3 电容悬浮式多电平变换器
图14 电容悬浮式五电平变换器 示意图(一个桥臂)
电容悬浮式多电平变换器
表3 电容悬浮式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)
表4 电容悬浮式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系
级联式多电平变换器
① uaz1(Ud1=Ud2=E)；uaz2(Ud1=E,Ud2=2E)；uaz3(Ud1=E,Ud2=3E)。 ② 用隔离电压极性相反串接得到所需的电平，在实际应用中一般 不采用。 1)直流电源电压难以平衡。 2)直流电源有较突出的功率平衡问题(如1∶3结构)。 3)器件选型复杂。 1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 3)无需钳位二极管或钳位电容，易于封装。 4)基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块 化，较适于7或9电平及以上的多电平应用场合。 5)易采用软开关技术。
多电平变换器基础
图10 多电平变换器与电机集成系统示意图
多电平变换器基础
图11未经调制的五电平输出波形(线电压为九电平)
多电平变换器基础
图12 采用调制的五电平输出波形(线电压为九电平)
二极管钳位式多电平变换器
1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。 3)可控制无功功率流向。 4)背靠背连接系统控制简单。 1)需要较多钳位二极管。 2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 3)存在直流分压电容电压不平衡问题。
图5 变换器的基本关轨迹
基于器件特性的变换器基本拓扑单元
1)通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经 电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。 2)阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与 两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。 3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在一 定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。 4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时 间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。 5)无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即开关器 件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受开关器 件恢复特性的影响。
图1 双向可控理想开关的 开关轨迹
图2 组合式与非组合式双向可控开关
变换器的基本拓扑单元
1)具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。 2)具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。
变换器的基本拓扑单元
图3 n相输入p相输出开关 矩阵变换器
图4 电力电子变换器基本拓扑单元的两种形式
多电平变换器基础
1)主电路中的每个开关器件承受一部分直流母线电压，可以采用 较低耐压的器件组合来实现高压大功率输出，且无需动态均压电 路。 2)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波 形的畸变(THD减小)。 3)可以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的 输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。 4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输 出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小，在中、高压 大电机驱动中，有效防止电机绕组绝缘击穿，同时改善了变换器 装置的EMI特性。