多電平逆變器

1、多電平逆變器摘要 多電平逆變器及其相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的最新發(fā)展之一,它主要面向高壓大容量的應(yīng)用場合近年來,多電平逆變器的研究受到廣泛重視,并得到了一定的應(yīng)用。多電平逆變器輸出端可以有更多級的輸出電壓波形,諧波含量小,波形更接近正弦波,逆變器性能更好,更適用于高壓大容量的電力電子變換?？偨Y(jié)和比較了多電平逆變器各種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點,它們主要包括了:二極管鉗位式、飛跨電容鉗位式,電容電壓自平衡式和聯(lián)型式拓?fù)?并且分析了它們的優(yōu)缺點。本文介紹了幾種多電平逆變器調(diào)制方式。關(guān)鍵字 多電平逆變器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 調(diào)制策略1引言1.1 多電平逆變器的產(chǎn)生和發(fā)展背景 電力電子技術(shù)自20世紀(jì)50

2、年代誕生以來,經(jīng)過半個多世紀(jì)的飛速發(fā)展,至今已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及各種電源系統(tǒng)等需要電能變換的領(lǐng)域。在低壓小功率的用電領(lǐng)域,電力電子技術(shù)的各個方面己漸趨成熟,將來的研究目標(biāo)則是高功率密度、高效率和高性能;而在高壓大功率的工業(yè)和輸配電領(lǐng)域,各個方面的技術(shù)正成為當(dāng)今電力電子技術(shù)的研究重點。大功率電力電子裝置如電力系統(tǒng)中的高壓直流輸電(HVDC),以靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)和有源電力濾波器(APF)為代表的柔性交流輸電技術(shù)(FACTS),以及以高壓變頻為代表的大電機(jī)驅(qū)動和大功率電源等需要能夠處理越來越高的電壓等級和容量等級,同時,為了滿足輸出電壓諧波含量的要求,這些大功率電力

3、電子裝置還要能夠工作在高開關(guān)頻率下,并且盡量減少電磁干擾(EMI)問題。電力電子器件是電力電子裝置的核心。在過去幾十年里,以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關(guān)斷器件得到長足的發(fā)展,尤其是以IGBT、IGCI,為代表的雙極性復(fù)合器件的驚人進(jìn)步,使得電力電子器件向大容量、高頻、易驅(qū)動、低損耗、智能模塊化的方向發(fā)展。即便如此,在某些應(yīng)用場合,傳統(tǒng)的兩電平電壓源變換器拓?fù)?仍然不能滿足人們對高壓、大功率的要求。并且,以現(xiàn)有的電力電子器件的工藝水平,其功率處理能力和開關(guān)頻率之間是矛盾的,往往功率越大,開關(guān)頻率越低。所以為了實現(xiàn)高頻化和低EMI的大功率變換,在功率器件水平?jīng)]有本質(zhì)突破的情況下,有效的

4、手段是從電路拓?fù)浜涂刂品椒ㄉ险业絾栴}的方案?，F(xiàn)有的高壓大功率變換電路歸結(jié)起來可以分為5類。1、普通三相逆變器2、降壓一普通變頻一升壓電路 3、變壓器禍合的多脈沖逆變器 4、交一交變頻電路 5、多電平變換器。相對于其他的高壓大功率變換電路,多電平變換器技術(shù)由于優(yōu)點多，受到了越來越廣泛的關(guān)注、研究和應(yīng)用。1.2 多電平變換器研究和應(yīng)用現(xiàn)狀從多電平變換器概念的提出至今,在短短二十多年的時間里,已經(jīng)形成了三類基本拓?fù)浼耙幌盗懈倪M(jìn)拓?fù)?。與此相對應(yīng),多種多電平變換器的調(diào)制控制方法也被提出和研究。在拓?fù)涞难芯糠矫?改進(jìn)的主要方向是減少器件數(shù)量,同時解決電容電壓的不平衡問題等;在控制方面,改進(jìn)的主要方向是輸出

5、波形性能的優(yōu)化和算法的簡化以及算法的通用型等。但是,在多電平變換器概念提出的最初幾年,它并沒有受到更多的關(guān)注,其原因在于:多電平逆變器特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),無論是對功率器件還是對控制電路的要求都比較高。因此直到20世紀(jì)80年代末,隨著GTO、IGBT、IGCT等大功率可控器件容量等級的不斷提高,以及以DSP為代表的智能控制芯片的迅速普及,關(guān)于多電平變換器的研究和應(yīng)用才有了迅猛的發(fā)展。 電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償和高壓直流輸電以及高壓大容量電機(jī)變頻調(diào)速是目前多電平變換器應(yīng)用的主要領(lǐng)域。無功補(bǔ)償作為柔性交流輸電技術(shù)的一個重要組成部分,一直是國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的研究熱點,也是現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)最突出

6、的表現(xiàn)。無功補(bǔ)償經(jīng)歷了早期的基于并聯(lián)補(bǔ)償原理的常規(guī)靜止無功補(bǔ)償(SVC)之后,隨著現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用與新型功率變換電路及控制技術(shù)相結(jié)合,產(chǎn)生了新型無功補(bǔ)償裝置一靜止同步補(bǔ)償器STATCOM,而S衛(wèi)汀COM的核心就是電壓源逆變器。從目前情況看,將多電平逆變器應(yīng)用到大功率高電壓的電力系統(tǒng)中,如果電平數(shù)過多將會遇到很多困難,如硬件電路過于復(fù)雜;為了保持各個電容器的平衡充電,控制變得困難等。所以,目前多電平逆變器應(yīng)用于STATCOM中以三電平或五電平為主,也最為實際。 中高壓交流大電機(jī)變頻調(diào)速是多電平變換器的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域,由于多電平變換器在輸出相同質(zhì)量的電壓波形的條件下,開關(guān)器件的電壓應(yīng)力大

7、大減小,工作頻率大為降低,所以可以克服兩電平高頻PWM逆變器驅(qū)動中的種種問題,其代價是所需的功率器件較多,因而它更適于大電機(jī)的驅(qū)動。一般中大功率的電機(jī)調(diào)速輸出電壓在6kV左右,目前隨著大功率開關(guān)器件的耐壓水平的進(jìn)一步提高,二極管箱位型三電平逆變器達(dá)到這樣的輸出電壓是完全可能的,因此,二極管箱位型三平逆變器廣泛應(yīng)用于高性能、高電壓、大容量電力傳動系統(tǒng)中。日本學(xué)者曾經(jīng)于1996年預(yù)見,近幾年內(nèi),二極管箱位型多電平變換器的功率范圍,將飛速發(fā)展并迅速占據(jù)幾乎所有的中高壓變頻和無功補(bǔ)償領(lǐng)域。目前國際上很多著名的電氣公司,包括西門子、ABB、阿爾斯通、GE一東芝、三菱、安川等公司都己經(jīng)具有此類的大容量電機(jī)

8、調(diào)速產(chǎn)品。據(jù)國外資料統(tǒng)計,目前用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的高壓大容量多電平變換調(diào)速裝置仍然占應(yīng)用的大部分,在電廠、油田、石化、鋼廠和自來水處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的。大容量多電平逆變器供電的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)近年來在軌道交通系統(tǒng)中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)由于高壓變頻技術(shù)仍沒有較大規(guī)模形成產(chǎn)業(yè)化,落后于發(fā)達(dá)國家,目前應(yīng)用的高壓大功率裝置大部分是引進(jìn)產(chǎn)品。而我國又潛在著巨大的高壓大功率變頻器市場,國家計委預(yù)計在今后15年內(nèi),我國變頻器總需求的投資額在500億元以上,而其中60%70%是高壓大功率變頻器。所以,在世界上各大電氣公司都在這一領(lǐng)域展開激烈競爭,以搶占我國高壓大功率變頻器市場的同時,我國也意識到研

9、制國產(chǎn)高壓大功率變頻器的緊迫性和重要性。近些年來,國內(nèi)部分科研院所和一些公司在這一領(lǐng)域也做了一些研究和產(chǎn)品開發(fā)工作,包括北京利德華福、山東新風(fēng)光等國內(nèi)公司的變頻裝置具有高功率因數(shù)、高效率、無諧波污染和無需專電機(jī)等優(yōu)點,在技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。2多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2.1二極管鉗位式多電平逆器 二極管鉗位式多電平逆變器是開發(fā)最早的一種多電平逆變器,這種逆變器的特點是主電路和控制電路比較簡單,控制方式也比較簡單,便于雙向功率流動的控制,功率因數(shù)控制也方便。一個m電平逆變器,每相橋臂鉗位二極管個數(shù)為(m-1)*(m-2)。圖2-1給出三相三電平逆變器的電路由于三相工作原理一樣,那么就以A相

10、分析。它由兩個直流分壓電容C1=C2,4個開關(guān)管,4個續(xù)流二極管和兩個鉗位二極管VDa1和VDa2組成。當(dāng)開關(guān)管Sal和Sa2同時導(dǎo)通時,A點對O點的電壓為E/2,開關(guān)管狀態(tài)不同輸出電壓不同,具體關(guān)系如表所示(l代表開,0代表關(guān))。由于B,C和A三相相位互差120度“,因此線電壓可以五種電平,因此通過適當(dāng)?shù)目刂?三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路。圖2.1三相二極管鉗位式三電平逆變器原理電路結(jié)構(gòu)表2-1相輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)該電路拓?fù)涞膬?yōu)點是:輸出功率大,電平數(shù)越多,輸出電壓諧波含量越少。階梯波調(diào)制時,器件在基頻下工作,功率器件損耗小,輸出功率大,動態(tài)響應(yīng)好,傳輸帶寬較寬。該

11、電路拓?fù)涞娜秉c是:m電平逆變器每相需要耐壓等級相同的二極管數(shù)量為(m-1)*(m-2),使得制造成本增加線路安裝困難。開關(guān)器件通過的額定電流不相同,直流電容分壓不均衡。同時要求鉗位二管的耐壓指數(shù)高,并且數(shù)量多。2.2飛跨電容鉗位式多電平逆變器 由于是采用懸浮電容器來代替鉗位二極管工作,飛跨電容鉗位式多電平逆變器也叫懸浮電容多電平逆變器,最先由法國學(xué)者H.Foch和T.A.Meynard提出來的。一個m電平的飛跨電容鉗位式多電平逆變器,每相橋臂鉗位電容的個數(shù)為(m-1)*(m-2)/2圖2.2給出了飛跨電容鉗位式三電平單相逆變器的電路拓?fù)?。與二極管鉗位三電平相比較,只是用鉗位電容取代了鉗位二極管

12、,電容C的作用主要是將功率開關(guān)管的電壓鉗位在單個直流分壓電容的電壓上,從而實現(xiàn)三電平輸出。圖2.2飛跨電容鉗位式三電平單相逆變器電路拓?fù)?該電路拓?fù)涞膬?yōu)點:電平數(shù)容易擴(kuò)展,有多種開關(guān)組合來合成輸出電平,控制比較靈活。電源斷電時,大容量電容器存儲的能量可作為電源。能控制有功和無功功率,可用于高壓直流輸電。 該電路拓?fù)涞娜秉c:需要大量的鉗位電容,為了使電容的充放電保持平衡,需要采用不同的開關(guān)組合,使得系統(tǒng)控制復(fù)雜,器件開關(guān)損耗增大。2.3電容鉗位自平衡式多電平逆變器 一個m電平電容鉗位自平衡式多電平逆變器,每相橋臂鉗位電容的個數(shù)為(m+l)*(m-1)/4,這種逆變器電路是以電容鉗位的半橋式逆變電

13、路為基本單元,按照金字塔的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的多級電路,其中每個基本單元的電壓等級相同。由于控制的開關(guān)器件較多,所以這種電路形式的多電點平逆變電路開關(guān)模式極其靈活,不需要接觸附加的電路來抑制直流側(cè)的電容電壓偏移問題,在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)電容鉗位的自平衡。另外這種電路拓?fù)渚哂型ㄓ玫囊饬x。前面介紹的二極管鉗位,電容鉗位,其他各種衍生的多電平電路結(jié)構(gòu),都可以看作是這種電路的一種特例,因此具有很高的研究與應(yīng)用價值。圖2.3電容鉗位自平衡式多電平逆變器電 這種電路拓?fù)涞膬?yōu)點是:很容易實現(xiàn)直流側(cè)母線電容電壓自平衡不需要附加電路來抑制。其他各種電路都可以通過這種電路衍生出來。 該電路拓?fù)涞娜秉c是:由于存在很多冗余狀態(tài)

14、,所以控制策略比較復(fù)雜,同時開關(guān)損耗比較大。2.4級聯(lián)式多電平逆變 級聯(lián)式多電平逆變器是用H橋直接串聯(lián)疊加組成的一種級聯(lián)式電路結(jié)構(gòu)。這種逆變器需要獨立的直流電壓源。圖2.4是級聯(lián)式五電平三相逆變器主電路結(jié)構(gòu),從圖上可以知道2個兩電平的H橋直接串聯(lián)疊加組成每相橋臂,每相輸出電壓是各個單元輸出的疊加。級聯(lián)型五電平變流器的輸出電壓及其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如表2-2所示。 圖2.4級聯(lián)式五電平三相逆變器主電路結(jié)構(gòu) 這種電路拓?fù)涞膬?yōu)點是:獨立的直流電源,無須進(jìn)行電容均壓控制。容易模塊化,易于擴(kuò)展。無需鉗位二極管和電容,在三種電路結(jié)構(gòu)中,對于相同電平數(shù)所需器件最少,易于封裝。容易實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù),不用阻容吸收電路

15、。 該電路拓?fù)涞娜秉c是:需要獨立直流電源多,不易實現(xiàn)四象限運。表2-2級聯(lián)型五電平變流器的輸出電壓及其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài) 以上詳細(xì)總結(jié)了目前多電平變流器的電路拓?fù)?對各自的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析、比較,三種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣,但在實現(xiàn)工程應(yīng)用當(dāng)中需要考慮多種因數(shù),比如簡單性的主電路結(jié)構(gòu),實現(xiàn)的容易性以及成本高低等多方面來考慮,飛跨電容鉗位式需要大量的鉗位電容,但是由于高壓應(yīng)用場合中電容體積勢必增大,這樣就限制了它的應(yīng)用。級聯(lián)式逆變器需要多個獨立直流供電電源,實際上就需要多個變壓器,也使體積和損耗增大。相對來說,二極管箱位式多電平逆變器由于不需要相互獨立的直流電源來維持每個電平電壓,因而研究的比較多,應(yīng)用領(lǐng)域更

16、廣泛。3多電平逆變器調(diào)制策略 多電平逆變器要想高效率、高性能運行,不僅需要優(yōu)良的電路拓?fù)?而且必須采用的好的控制策略。多電平變流器控制策略的主要控制目標(biāo)為: (l)控制逆變器本身工作狀態(tài),其中包括直流母線電容電壓平衡控制、開關(guān)損耗控制、輸出波形質(zhì)量控制等。 (2)控制電壓輸出,使逆變器輸出的脈沖序列與參考電壓波形等效。 根據(jù)開關(guān)頻率的高低,可以將多電平逆變器的控制策略分概況為兩個類別: (l)開關(guān)器件工作在低頻方式中,在輸出電壓或電流一個周期中,開關(guān)器件只進(jìn)行一次或兩次動作。主要有選擇性諧波消除調(diào)制(SHEPWM)和階梯波調(diào)制; 2)開關(guān)器件工作在高頻方式中,在輸出電壓或電流一個周期中,開關(guān)器

17、件要進(jìn)行多次動作,主要有載波PWM調(diào)制和空間矢量調(diào)制(SVPWM)。3.1特定消諧法(SHEPWM) 特定消諧PWM技術(shù),即SHEPWM方法與傳統(tǒng)的兩電平選擇性諧波消除調(diào)制方法類似,就是在階梯波上通過預(yù)制適當(dāng)?shù)摹鞍疾邸毙畔磉x擇性的消除特定次諧波。SHEPWM技術(shù)具有以下主要特點是功率開關(guān)管的開關(guān)頻率下降約三分之一,降低了開關(guān)損耗,同時具有消除諧波次數(shù)多、殘余的諧波分量幅值小、電壓利用率高等優(yōu)點。主要缺點是需要求解高階非性方程組,計算很復(fù)雜,一般都是離線計算,隨著計數(shù)器、光電禍合器等電子器件的速度不斷提高,存儲器容量的不斷增大,將對應(yīng)不同輸出基波電壓的大量開關(guān)角組存儲并快速尋址、傳輸為可能。例

18、如將特定消諧技術(shù)應(yīng)用于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中可以得到比較好的效果。3.2階梯波調(diào)制 所謂階梯波調(diào)制是指用階梯波來逼近正弦波,是比較直觀的方法,為了消除和抑制特定低次諧波控制每一個電平持續(xù)時間的長短,諧波的個數(shù)的消除由電平數(shù)決定。階梯波調(diào)制主要特點是控制簡單直觀,開關(guān)頻率要求低,可以使用具有大功率低開關(guān)頻率器件,可靠性高,另外這種方法調(diào)制比變化范圍寬而且算法簡單,控制上硬件實現(xiàn)方便。不過這種方法的一個主要缺點就是輸出波形的諧波含量高。3.3載波PWM調(diào)制 多電平逆變器的載波PWM調(diào)制技術(shù)是多電平逆變器在兩電平SPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,多電平逆變器中由于開關(guān)管多,因此,多電平逆變器的載波和調(diào)制波

19、都不止一個,每一個載波和調(diào)制波有多個控制自由度,這些自由度至少有頻率、幅值和偏移量等。這些自由度的不同組合,將會產(chǎn)生大量載波PWM技術(shù)。下面將對幾個代表性的調(diào)制方法進(jìn)行介紹。1) 載波疊加SPWM法2) 對于一個多電平逆變器,每相由萬個載波采用個具有相同峰峰值和相同頻率和相同相位的對稱分布三角載波與一個頻率為種昌值為A的正弦波相比較。在正弦波和三角載波相交狀態(tài),假如正弦波幅值小于某三角波幅值,則關(guān)斷相應(yīng)開關(guān)器件,反之,則開通該器件。3) 載波移相PWM法這種控制方法一般適用于飛跨電容型多電平變流器和級聯(lián)型多電平變流器拓?fù)?。針對級?lián)型多電平逆變器,每個全橋單元模塊都使用低開關(guān)頻率的單SPWM,各

20、模塊擁有相同的頻率調(diào)制比、幅度調(diào)制比,但各載波間在時間上錯開T=T/2N(T為載波周期,N為單元模塊數(shù)),逆變器的總輸出為各單元模塊輸出的線性疊加,使其等效開關(guān)頻率提高1倍,大大減小了輸出電壓諧波含量。這種方法的原理如圖3.1所示。圖3.1載波移相PWM法方法原理示意圖3.4空間矢量調(diào)制SVPWM SVPWM技術(shù)最早來源于交流電機(jī)控制中,為了在電動機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場,對于兩電平六開關(guān)逆變器來說,在不同開關(guān)狀態(tài)下,可以形成8個電壓空間矢量,共同構(gòu)成一個正六邊形電壓空間矢量圖。由空間矢量所在區(qū)域的開關(guān)空間矢量運用“伏秒相等”的原則進(jìn)行合成任意矢量。圖3-2(a)為兩電平電壓空間矢量圖。 多電平

21、SVPWM方法是由兩電平SVPWM方法演化而來,圖3.2(b)是三電平空間矢量圖,三電平逆變器的電壓空間矢量為27個,包括零矢量,短矢量,中矢量和長矢量。空間矢量調(diào)制方法的主要特點是直流母線電壓的利用率很高,開關(guān)損耗低,調(diào)制比大,動態(tài)性能好,但是有個明顯的的缺點:如果應(yīng)用于于五電平以上場合時,控制算法比較復(fù)雜,很難實現(xiàn),所以當(dāng)前多電平SVPWM技術(shù)的研究一般只限于五電平以下。圖3.2兩電平和三電平的空間電壓矢量 4總結(jié) 多電平變換器因其具有小的輸出波形THD、低的器件電壓應(yīng)力和低的系統(tǒng)EMI等優(yōu)點而受到研究者們的青睞，成為近年來高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點。本文總結(jié)了已有的多電平變換器拓?fù)涞墓?/p>

22、作原理，對多電平變換器已有的PWM控制方法進(jìn)行了簡單的分析，目前高壓大功率變流器不存在一種通用的方案，三電平是多電平當(dāng)中最基礎(chǔ)也是最簡單的一種拓?fù)洌脒M(jìn)一步改善輸出波形質(zhì)量就需要增加電平數(shù)目，如五電平、七電平等，但相應(yīng)地開關(guān)選擇的冗余度加大，控制策略將變得更加復(fù)雜。如果尋找一種或幾種更加通用實用的電路拓?fù)浜涂刂撇呗允且院笮枰龅墓ぷ?。參考文獻(xiàn)1錢照明,張軍明,呂征宇.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇J.電工技術(shù)學(xué)報,2004,19(8):34-38.2王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:l-47.3林渭勛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:1-38.4李永東.高性能大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀及展望J.電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(2):1-12.5吳忠志,吳