第五讲 多电平1

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1、第5讲多电平和组合型开关变换器5.1多电平简介5.2三相桥二极管箝位多电平逆变器5.3三相组合型输出变换器5.4AC/DC－DC/AC三电平VVVF变频器5.1多电平简介应用背景背景：我国能源生产总值居于世界前茅，但是单位产值能耗太大，节能方面差距很大。我国发电量的60％～70％左右用于推动电动机做功，其中90％的电机是交流电机，大部分为400～40000kW，3～10kV的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。节能：占工业用电30％以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20％计算，对

2、全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。高性能调速系统：在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业的改造和高速列车、城市地铁轻轨、电动汽车等现代化交通工具的驱动中也需要使用大容量的调速系统,以提高系统性能和生产效率。5.1多电平简介（续1）日本长岗科技大学A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。此后经过多年的研究发展出几种主要的拓扑结构，为高压大容量高性能逆变器提供了新的发展方向。主要优点体现在：更适合大容量、高电压场

3、合。可产生M层阶梯输出电压，对阶梯波再作调制，可以得到很好近似的正弦波，含有谐波数很低。电磁干扰（EMI）问题大大减轻，一次动作的dv/dt只有普通双电平的1/(M-1)。消除谐波效率高，损耗低，效率高。5.1多电平简介（续2）多电平逆变器研究拓扑和调制方法拓扑结构二极管钳位多电平逆变器飞跃电容多电平逆变器级联多电平逆变器调制方法多电平消谐波PWM方法多电平空间矢量方法优化阶梯波宽度技术相移SPWM技术5.1多电平简介（续3）优点：输出电压谐波含量小，波形更接近正弦。电磁干扰（EMI）问题大大减轻，一次动作的dv/dt只有普通双电平的1/(M-1)。阶梯波调制时，器件在基

4、频下工作，开关损耗小，效率高。二极管箝位式多电平逆变器5.1多电平简介（续4）缺点：箝位二极管承受电压不均匀。不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象。不能实现有功功率的双向流动。若要得到更多电平数，如n电平，则直流分压电容为（n－1）个串联，此时二极管数目非常多。5.1多电平简介（续5）最初目的是减少二极管嵌位多电平变流器在较多电平情况下过多的嵌位二极管。即采用悬浮电容器来代替嵌位二极管工作，直流侧的电容不变。工作原理与二极管箝位式变流器相似。但在电压合成方面，开关状态的选择比二极管箝位式具有更大的灵活性。电容箝位式多电平逆变器5.1多电平简介（续6）缺点：

5、拓扑结构虽省去了大量的二极管,但又引入不少电容。对高压大容量系统而言,电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。存在直流分压电容电压不均衡问题。控制方法非常复杂,而且开关频率将增高,开关损耗加大,效率随之降低。5.1多电平简介（续7）优点：直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行调速控制。控制方法相对简单。因每一级结构的相同性,可分别对每一级进行PWM控制,然后进行波形重组。具有独立直流电源的级联多电平逆变器5.1多电平简介（续8）一般二极管嵌位式、电容悬浮式限于三或五电平。级联型结构电平数可较多，适合更高电压，谐波含量更少

6、，对相同电平数，级联型结构所需器件数目最少。不存在电容电压平衡问题。缺点：每个模块均需要独立的直流电源，成本高，系统庞大。不易实现四象限运行。5.1多电平简介（续9）大功率逆变器的复合结构优点：可采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低。输出谐波含量幅值小，谐波频率较单变换器高。缺点：需要工频变压器，系统的成本增加。功率器件的电压应力没有减小。5.2三相桥二极管箝位多电平逆变器三相桥两电平逆变器、、只能是、两电平，不能为0，有种开关状态；三电平逆变器可有三种电平、、0，有种开关状态。5.2三相桥多电平逆变器(续1)5.2三相桥多电平逆变器（续

7、2）0态三相桥共有种开关状态二极管D5、D6的作用1态2态5.2三相桥多电平逆变器（续3）5.2三相桥多电平逆变器（续4）5.2三相桥多电平逆变器（续5）两电平：仅六个相差的等幅矢量可选用于合成矢量三电平：有24个相差不等幅矢量可选用于合成矢量其中包括6个长矢量，6个中矢量，12个短矢量和3个零矢量。在这些电压矢量中，零矢量对应3种开关状态，与中间的正六边形顶点相对应的矢量存在着两种开关状态。实际控制中，选取适当的空间矢量组合和电压矢量导通时间，可得到很逼近圆形的磁通。5.2三相桥多电平逆变器（续6）进行傅立叶分析可知，三电平