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1、多电平变换器拓扑及控制技术 的发展综述 陈阿莲 王鸿雁 何湘宁 浙江大学电气工程学院 03/011/011 主要内容： 1。现有多电平变换器拓扑和控制方法的简单概述 2。APEC2002-2003中提出的新拓扑和新控制方法 3。我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作 1.1 多电平变换器拓扑的简单概述 图1 单相二级管箝位型五电平变换器主电 路结构 特点： 可控制无功功率流，但是 传递有功功率时，存在直 流分压电容电压不平衡问 题。 v back-to-back连接 v外加电压调节控制器 v通过改进拓扑结构 v通过改进调制方法 图2 改进的二极管箝位型五电 平变换器电路拓扑 图3 二极管箝位/飞
2、跨电容型混合 五电平变换器拓扑 图4 单相飞跨电容型五电平变换器主电路结构 特点：大量的开关组合冗余 ，可用于电压平衡控制 ； （一般采用相移PWM调制 ） 在纯无功负载情况下， 电容电压不能平衡，因 此不能用于无功补偿等 场合。 图5 单相级联型七电平变换器主 电路结构 特点：无需箝位二极管和箝位电容，在 三种电路结构中，对于相同电平数 ，所需器件最少，易于封装；需多 个独立直流电压源。该结构适用于 各种可再生能源，如，燃料电池， 光伏电池等。 图6 混合级联型多电平变换器拓扑 通用的多电平变换器拓扑 图7 通用五电平单臂电路 1.2 多电平变换器控制方法的简单概述 (a) 消谐波PWM方法
3、（SHPWM） (b) 开关频率优化PWM方法（ SFOPWM） (c) 载波带频率变化的PWM方法 (d) 相移载波PWM方法 1.2.1 基于载波的多电平PWM控制方法 图7 基于载波的多电平PWM控制方法 1.2.2 多电平逆变器空间矢量PWM控制方法 图8 三电平逆变器空间电压矢量图 多电平SVPWM法和两电平SVPWM 法一样，是一种建立在空间矢量合 成概念上的PWM法，它的最大优点 在于概念清晰，反映了SPWM的本 质，电压利用率高，易于数字实现 等，不足之处在于当电平数超过5 时，算法过于复杂。 2. APEC2002-2003中提出的新拓扑和控制方法 在近两年APEC中研究比较
4、多的拓扑和控制方法： 拓扑：二极管箝位型和级联型 控制方法：空间矢量PWM 四电平Marx逆变器 （APEC2003） 四电平Marx逆变器 Marx 单元 半桥单元（M级） 图9 四电平Marx逆变器 一种应用于有源整流或无功补偿的新的混合多电 平变换器拓扑：(APEC2002) 图10 混合多电平变换器原理图 新的控制方法 v一种通用的空间矢量PWM控制算法：解决了空间矢量计算的复杂性，并且该法可以 应用于任意电平的H-桥级联型多电平拓扑。（APEC2003） v用于级联型多电平变换器的错时采样的空间矢量调制方法，大大减小了谐波分量。 （APEC2003） v减少电流纹波的空间矢量混合PW
5、M技术。（级联型）（APEC2003） v减少共模电压的滞流调节策略。使用三个独立的多电平滞流调节器来产生三套互补 的门极信号。（APEC2003） 3. 我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作 3.1 提出了基于基本单元串并（并串）思想生成多电平变换器 拓扑的新方法 由该方法不仅可以得到已有的三类基本多电平变换器拓扑，而且可以推导得到一系列新的 拓扑结构，从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴之内，为多电 平变换器拓扑结构的研究提供了一个新的指导原则。 （a）多电平变换器的基本单元 （b） 基本单元的串联 （c） 基本单元的并联 图11 基本单元的概念 3.2 改进的级联型多
6、电平变换器拓扑 图12 2H/3-H级联型多电平变换器拓扑 表1 几种多电平拓扑单臂电路输出15电平时所需 元件数的比较 (a) 3-H单元的输出波形 (b) 3-H单元的输出波形 (c) 相电压输出波形 图13 改进级联型拓扑的仿真波形 图14 改进级联型拓扑的实验结果 （b b） Vdc1=3vdc2 Vdc1=3vdc2 （c c） Vdc1=4vdc2 Vdc1=4vdc2 （a a） Vdc1=2vdc2 Vdc1=2vdc2 （d) Vdc1=6vdc2d) Vdc1=6vdc2 3.3 提出一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑 图16 具有冗余功能的五电平变换器单 臂电路 图15
7、通用五电平单臂电路 思想：拓扑存在着多种开关状态组合，当器件发生断路故障 时，改变开关状态组合，使发生故障的器件处于关断状态； 当器件发生短路故障时，改变开关状态组合，使发生故障的 器件处于导通状态。 图18 器件故障时的实验结果 图图17 17 消谐波调制方法消谐波调制方法 ( (a) sp1a) sp1断路故障时输出电压断路故障时输出电压( (b) sp2b) sp2短路故障时输出电压短路故障时输出电压 3.4 提出基于控制自由度组合的载波PWM控制方法 l载波的自由度： 对于载波而言，至少有频率、幅值、相位、水平方向 的偏移量和竖直方向的偏移量等多个可调节控制的参 数 l调制波的自由度
8、对于调制波而言，至少有频率、幅值和相位，叠加零序 分量等多个自由度 l自由度之间的组合 如果把载波自由度和调制波的自由度按照一定的原则进 行相互组合，以系统的性能指标优化为目标，将产生一 些具有实际意义的新型多电平逆变器PWM控制方法， 这种控制自由度组合的思想为多电平变换器高性能的实 现提供了可能 二极管箝位式多电平变换器 新颖载波PWM控制方法 （a） 载波交叠式PWM方法原理图 （b） 载波交叠开关频率优化PWM方法原理图 图图19 19 二极管箝位式多电平变换器新颖载波二极管箝位式多电平变换器新颖载波PWMPWM控制方法控制方法 二极管箝位式多电平变换器 新颖载波PWM控制方法的优点
9、l多电平逆变器的载波交叠式PWM方法在调制度小于0.85的范围内，其谐 波特性要远远优于传统的消谐波PWM方法；在高调制度范围内其谐波 特性和传统的消谐波PWM方法基本相同 l载波交叠开关频率优化PWM方法除具有载波交叠式PWM方法的优点 外，还增加了直流电压的利用率，使调制度达到1.15，该方法适合高电 压调制度的三相功率变换场合 二极管箝位式多电平变换器 载波PWM控制方法之间的比较 图20 新颖调制方法下的实验结果 （a） 三电平逆变器COPWM方法调制度为0.8的 相电压波形和线电压波形的实验结果 （b） 三电平逆变器COSFOPWM方法调制度为0.8的 相电压波形和线电压波形的实验结果 我们对飞跨电容型拓扑也得到了基于控制自由度组合额的载 波PWM调制方法。 结论与展望 1. 对多电平变换器拓扑的系统化研究。 2. 多电平变换器最优拓扑的研究，使其结构简单 ，控制方便，性能优越。 3. 从控制自由度组合的思想出发，充分利用多电平变换 器具有多个控制自由度的特点，结合多电平变换器具体 的电路拓扑，将多个控制自由度进行组合，对一个或多 个性能指标进行优化，使多电平变换器的PWM控制方法 趋于实用化。 谢 谢 大 家！