多电平技术课件.ppt

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1、多电平变换器MultilevelConverter主讲人：牛得存目录1多电平变换器研究的背景及意义2多电平逆变器研究现状2.1二极管箝位型多电平逆变器2.2飞跨电容型多电平逆变器2.3级联型多电平逆变器3多电平调制策略4H桥级联型逆变器仿真1多电平变换器研究的背景及意义随着社会工农业生产规模的不断扩大，对能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持续发展。电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部门统计，我国的发电量有6

2、0%左右被电动机消耗，而其中的90%被交流电动机消耗。1多电平变换器研究的背景及意义因此，对于交流电动机的变频调速研究，存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电能损失。而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约，传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。多电平变换器研究的背景及意义为此，有学者提出一

3、种多电平功率变换技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为高压大功率驱动场合的发展趋势。2多电平逆变器研究现状多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点：无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低,因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染少等。多电平逆变器研究现状多电平逆变器的思想从提出至今，出现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：(1)二极管箝位型逆变器(2)飞跨电容型逆变器(3)具有独立电源的级联型逆变器多电平逆变器研究

4、现状这三种结构具有共同的优点：(1)电平数越高，输出电压谐波含量越低；(2)器件开关频率低，开关损耗小；(3)器件应力小，无需动态均压。二极管箝位型多电平逆变器1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路。1980年日本的ANabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电路。图1为单相二极管箱位逆变电路，它具有2个电容，能输出3电平的电压。Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输出所需的

5、不同电平。对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电压和输出电流的总谐波畸变率越小。在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。表1二极管箝位型三电平逆变器工况若要得到更多电平数，如N电平，只需将直流分压电容改为(N-1

6、)个串联，每桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位，再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。二极管箝位型逆变器的优点二极管箝位结构的显著优点：就是利用二极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适于高电压场合。二极管箝位型逆变器的优点由于没有两电平逆变器中两个串联器件同时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，du/dt小，对电机负载的冲击小等

7、。二极管箝位型逆变器的缺点但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。飞跨电容型多电平逆变器1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出了如图2所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路，其特点是用箝位电容代替图1中所述的箝位二极管。直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位型逆变器相似。若要输出