三电平逆变器的关键技术及其应用.pdf

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1、三电平逆变器的关键技术及其应用TheKeyTechnologyandApplicationofThree-levelInverter康劲松同济大学主要内容¾0.概述¾1.三电平逆变器的拓扑结构¾2.三电平逆变器的控制策略¾3.三电平逆变器中点电压不平衡问题¾4.三电平逆变器设计的关键技术0.概述¾多电平（设为N电平）逆变器与传统的两电平逆变器相比，在相同条件下具有以下优点：¾可产生2N－1层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波形，谐波含量减小；¾开关器件每次开关时电压变化率dv/dt小，为两电平逆变器的1/（N－1），器件

2、的开关应力减小；电流变化率di/dt也相应减小,电机的转矩脉动和电磁噪音降低，电磁干扰（EMI）问题大大减轻；¾效率高，在同样谐波含量时，多电平逆变器开关频率大大降低，开关损耗明显减少；¾适用于高压、大功率应用场合。0.概述-在变频调速中的应用轧钢系统水泥制造业0.概述-在变频调速中的应用高炉鼓风机造纸业0.概述-在轨道交通中的应用中国CRH2（和谐号）动车组日本新干线高速列车0.概述-在电力系统中的应用静止无功功率补偿器综合潮流控制器0.概述-在电力系统中的应用直流输电新能源并网1.三电平逆变器的拓扑结构首先是德国学者Ho

3、ltz于1977年首次提出，德文为Dreipunktshaltung,直译为中文为三点式电路；其主电路采用常规的两电平电路结构，在每相桥臂中点与直流侧电源中点用一对反并联的功率器件辅助中点箝位，从而逆变器的每相交流输出电压有三种电平。1.三电平逆变器的拓扑结构日本学者Nabae1980年提出新的结构形式：中点采用二极管箝位而两个功率主管串联的方案，即中点箝位式三电平逆变器（NeutralPointClampedThree-levelInverter）。中点箝位式主要有三种拓扑，¾二极管箝位型¾电容箝位型¾混合箝位型1.1二极

4、管箝位型¾直流母线电压被两个串联电容C1，C2分成2个电平。¾当开关S1和S2同时导通时，输出端a对中点电位o的电平为Udc/2；¾当开关S2和S3同时导通时，输出端a对中点电位o的电平为0;¾当开关S3和S4同时导通时，输出端a对中点电位o的电平为-Udc/2。1.2电容箝位型¾三电平逆变器单臂电路中S1～S4为功率开关器件，C1为箝位电容，C2、C3为直流分压电容。¾当开关管S1、S2导通时，逆变器输出端相对于中间直流回路中性点o的电压为Udc/2；¾开关管S3、S4导通时，逆变器输出为-Udc/2；¾开关管S1、S3或

5、者S2、S4同时导通时，逆变器输出都为0。1.3混合箝位型¾与二极管箝位型结构相比，它在每个桥臂的箝位二极管后增加了一个箝位电容；¾由于增加了一个箝位电容，T2和T3不能同时导通；¾三种电平Udc/2、0和-Udc/2中的0电平可以通过两种开关方式得到，即一种方式是当T2和T4同时导通且T1和T3截止，另一种是当T1和T3同时导通且T2和T4截止。1.4二极管箝位型三电平逆变系统CdLfCdCf1.5级联式的多电平逆变系统Cdδ=−20°δ=0°δ=+20°2.三电平逆变器的控制策略三电平逆变器的控制策略主要是PWM控制技术

6、。所谓PWM技术，就是利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波的一种技术。目前，常用的PWM控制策略有：¾单脉冲控制方式¾多载波控制方式¾空间电压矢量（SVPWM）控制方式2.1单脉冲控制方式¾单脉冲控制时，也称为方波控制¾三电平逆变器U相输出电压如右图所示：波形这里控制角α指逆变器U相中主管T1、T4的控制角改变α的大小，即可控制方波的宽度，从而改变逆变器的输出电压。。2.1单脉冲控制方式uABiAB仿真波形实际波形2.2多载波控制方式1载波重叠法U/V载波层

7、叠法是由两组频率和幅值相同的三角载波上下层t/s叠，且两组载波对称分布于统一调制波的正负半波。U/2假设三个电平从高到低依dc次为p、o和n，当调制波的正t/s半波大于上层载波时，输出电平为p；而调制波的负半波幅−Udc/2值小于下层载波时，输出电平为n，其他情况输出o电平。2.2多载波控制方式150015001000100050050000-500-500-1000-1000-1500-1500t/st/s8463422100-2-1-4-2-6-3-8-40.090.10.110.120.130.140.150.090.

8、10.110.120.130.140.15t/st/s（a）m=0.6（b）m=0.82.2多载波控制方式2载波移相法U/V载波移相PWM法是和层叠法PWM相同，也是两t/s组频率和幅值都相同的三角波在参考轴上下层叠。Udc/2但是上层载波和下层载波的相位不同，图中是上层t/s载波和下层载