维普资讯 http://www.cqvip.com 也源／／ 、 ＼、． 多电平级联型变流器的研究与应用 Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｃａｓｃａｄｅｄ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 武汉大学电气工程学院 丁凯孙建军 摘要：在现有的多电平变流器中，级联型变流器以其结构简单、控制方式简便的优点在高压、大容量的工业领 域得到越来越广泛的应用。本文对其基本的拓扑结构、控制策略、以及研究现状作了较为详确诗论。 关键词：级联型变流器；应用；电能质量 一 前言 器。它们的共同优点是：电平数越高、 平衡问题，只是存在产生多路直流电 近年来，多电平变流器在高压、 输出的电压谐波含量越低，器件开关 源的复杂性，尽管如此，级联结构还 大功率领域得到越来越多的关注。在 频率低，开关损耗小；器件应力小，无 是具有较高的性能，在实际工业应用 传统的两电平变换器的大功率运用中 须动态均压。第三种级联型变流器不 中也较多采用该种结构。 存在许多问题：需要笨重、耗能、昂 需要前两种电路所需的大量钳位二极 在过去二十年中，人们还提出了 贵的变压器；为了得到高质量的输出 管和钳位电容，结构简单，技术成熟， 大量的针对多电平变换器的控制方 波形而提高开关频率，造成很高的开 易于模块化，每个单元由一路直流电 法，这其中主要分为工频开关运行方 关损耗，而为了适应高电压的要求， 源单独供电，所以不存在电容电压不 式和脉宽调制解调（ＰＷＭ）方式。通常 需采用器件串联，因而需要复杂的动 态均压电路。 多电平变换器的思想最早在 ▲ ————Ｌ————Ｊ 、０ ’Ｌ ： Ｄ［＝Ｓ ４Ｖｄ １９８１年由Ｎａｂｌｅ等人提出，它的基本 思路是由几个电平台阶合成阶梯波以 逼近正弦输出电压。多电平变换器作 ｓ３ ［ Ｓ４ 【 为一种新型的高压大容量功率变换 器，从电路拓扑结构人手，在得到高 ▲ 一 ‘ № ＳＤＣＳ 一４ｖｄｃ Ｖ 广１ ＬＪ ｊ Ｖｃａ４ Ｓ ｖａ１＋ —’ 质量的输出波形的同时，克服了两电 平变流器的诸多缺点：无须输出变压 ｊ］ Ｓ２ Ｖｄｃ ＳＤＣＳ Ｖ器和动态均压电路，而开关器件应力小，系统效率高等。 开关频率低，因 Ｖｓｌ▲ Ｉ｝ ｈ ｈ ｃａ３ 广］¨Ｉ ．—— ———Ｌ——』一 Ｌ ｌ ｌ Ｖ恍 ＳＤＣＳ ＶＣ 多电平变换器的思想提出至今，出现 了许多电路拓扑，但归纳起来主要有 ｃ｛ ｛ ｃａ１ Ｊ 厂 三种：二极管钳位型、飞跨电容型、以 及具有独立直流电压源的级联型逆变 图１单相级联型变流器 ．吉构和Ｉ频控制原理图 维普资讯 http://www.cqvip.com ＼＼也源 ， ’． ， 一 ／ ． 器可以不用变压器，直接 起来的。 并入或中压配电网中用 以下用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件来描 １ 作电压调节、无功补偿和 绘正弦相移ＰＷＭ法的原理。变流器 滤波装置，多电平级联逆 每个模块的ＳＰＷＭ信号都是由一个 ∈ｌ Ｏ １ 变器的单相结构每个电 三角载波和一个正弦波比较产生，所 （三角载波）ｆ空间矢量、）１ 压源，在一个周期内，由 的三角载波与它相邻模块的三角载波 （Ｍ一１）／２个单相电桥联 之间有一个相移，这一相移使得各模 桥都有其独立的直流电 有模块的正弦波都相同，但每个模块 结成的逆变器发出Ｍ个 块所产生的ＳＰＷＭ脉冲在相位上错 电平，这种结构的优点在 开，从而使各模块最终迭加输出的 于比较容易使逆变器工 ＳＰＷＭ波的等效开关频率提高到原 作在高电压大容量的环 来的Ｋ倍，因此可在不提高开关频率 、境下。 －的条件下，大大减小输出谐波。设三 倍，则一个三角载波周期所占的电角 ０ ０．０１ ０。０２ 级联型变流器的控 角载波的开关频率是正弦波频率的ｋ， 制策略 ， ｊ¨¨１厂］厂］‘Ｊ１ ■ ■—■一一 ｎ 几． 器控制是决定其性能的 联型多电平变换器，相邻三角载波之 重要一环，多电平级联型 问的相移为 ＝Ｏ／ｎ＝２１ｒ／ｎｋｒ＇相应的 如何对级联型变流 度为 ＝２ ，对于一个ｎ模块的级 一 一－－ ｜ｌ＿ 变流器的控制策略主要 输出ＳＰＷＭ波的等效载波频率为 ２ｐ － ｒ ０ ４Ｖ ｐｉ 有图２所示的几种分类、 ｆ￣．－ｇ／ｋ，、，９电平级联型变流器在正弦 其中工频开关工作 移相ＰＷＭ方式下工作的波形如图３ 方式最早得到应用，其主 所示。 要目的是减少传统两电 Ｏ ● 平变流器在ＰＷＭ方式下 的开关损耗高等问题。工 频开关工作原理已在（图 多电平级联型变流器的 应用现状 如前文所述，多电平级联型变流 ４Ｖ ０ ０．０１ ０．０２一 ● 图３由４个模块组合成的９电平输出波形 ．１）中得到演示。由于级联 器有结构简单、控制方式简便的优 ＰＷＭ控制方法又分为两大类：三角 变流器的应用面越来越广，对变流器 点，因此在灵活电力系统和用户电力 载波ＰＷＭ和空间矢量法ＰＷＭ。 输出波形的要求也逐渐提高。工频开 技术方面有广阔的应用，现有的各种 关模式已无法适应工业发展的要求。 应用中主要分为三类：交直流能量转 级联型变流器拓扑结构 和控制策略 扑结构 空间矢量法ＰＷＭ实际上是幂ｌＪ用数字 换、高压大电机变频调速、电能质量 技术在ＰＷＭ中的应用，具有硬件电 综合治理，详见表１。 多电平变流器由于其自身结构的 。 平数大于５时，其计算过程变得Ｓ较 特点，所以在交直流能量转换上应用 多电平级联变流器的主电路拓 路简单、谐波含量低等优点，但当电 Ｐｅｎｇ等学者在１９９５年提出了一 为复杂，所以空间矢量法ＰＷＭ主要 十分广泛。与传统的两电平电路相 种用多个带独立电压源的单相桥式逆 用于三电平的领域。于是三角载波 比，其控制方式灵活，输出电压的相 变器组合而成的新型多电平级联变流ＰＷＭ方法便成为级联型变流器的通 位和幅值便于调节与控制，而且输出 器的主电路拓扑结构，并陆续发表了 用的标准调制方法。其后出现的各种 电压的谐波含量低，因此在清洁能源 多篇该方向的文章。图１中所示逆变 载波ＰＷＭ方法都是在其基础上发展 的利用上可以起到重要的作用，可再 ＿＿６８・２００２．１０．Ａ奄孑座品ｔ幂ＷＷＷ．ｅｄｗ．ｃｏｒｎ．ｃｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 电源／／ ・ 、 、 ＼～ 生清洁能源例如风力能、太阳能等。 衷』多皂平级联型变 器应用分娄 方法是先将电能储存在电容或蓄电池 中，再通过级联型变流器将电能传输 级联型变流 器的应用 交直流能量转换 中高压电机应用 电能质量综合治理 到电网中。而在高电压级别的高压直 清洁能 高压直 中高压变 中高压调 无功 有源 动态电 具体应用 源接口 流输电 频器 速电机 补偿 滤波 压恢复 调制方式 工频开关运行方式 三角载波 工频 ＰＷＭ 或ＰＷＭ 工频 三角载波Ｐ喇 电压等级 中低压 高压 中压级别 应用于中高压级别 流输电中，多电平级联变流器由于其 模块化设计的简单结构也得到较多的 应用。 高压大电机变频调速是多电平级 联变流器应用的另一重要领域。传统 的两电平变流器在高压电机应用时有 电甲数 视电压级别而定 三电平为主 广泛应用中 五电平以上 应用中 待推广 应用现状 待推广 应用中 几点问题：①高频容易导致较高的 ｌ丘世 ． ｄ缘压③ｖ／击应高ｄｔ频￣穿力１３开浪和；②关涌开高产电关频生压损开很耗，将关高所电的降机产电低转生磁电子的干机绕器扰效组件将率绝电干； 网络 耦耦合电感 ｌ合变压器ｉ ｉ 南 菱 一 扰周围电子设备；而多电平级联变流 ． 器问工题作。而在将工级频联时，型便变可流以器克用服于以高上压的变 ．．…… 一．．．一．．．…一．一 独电立压直源流＿Ｕ ＂－ ［＝＝ Ｌ ／ Ｉ 多联变电平流级器 Ｌ：＿－－ Ｔ 亡Ｉ Ｌ ’１、 旦“ 以 厥佩 州吧 电力有源滤波器 动态电压补偿器 变流器的电压等级，更主要是减少变 频器出Ｈ端的谐波含量。目前该类型 图 宅能质量综合治理装置框图 产品的电压等级已达到６．３ＫＶ，应用 变流器结构中是比较适合应用于高电面十分广阔。 ＤＣＳｏｕｒｃｅｆｏｒＳｔａｔｉｃＶＡＲＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ．’ 压、大容量工业领域。针对其结构的 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ ｓ ｏｎ ＩＡ，ｌ ９９６，３２ 多电平级联变流器在电能质量综 控制策略也正在不断的优化当中。本 （５）：ｌｌ３０－ｌ１３７． 合治理中的应用也开始受到人们的重 文提出在高电压等级的电能质量综合 视。 治理中采用级联型变流器作为主电路３ Ｔｏｌｂｅｒｔ Ｌ Ｍ ＥＴ Ａ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｔ ｌｏｗ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ 高压级别的电能质量综合治理的 是有其理论基础和实践意义的，但 ｉｎｄｉｃｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ、ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ， 框架图如图４所示。 中、高电压等级的电能质量治理在国 ２０００．１５（７）：７１９—７２５． 各补偿部分控制思路：在中、高 内仍处于起步阶段，本文提出用级联４ Ｈ．Ａｋａｇｉ，Ａ．Ｎａｂａｅ，ａｎｄ Ｓ．Ａｔｏｈ， 压等级的电能质量综合治理中，首先 型变流器作为装置主电路不失为一条 ‘Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙｏｆａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｓ 用无源无功补偿装置来补偿系统中的 有益的探索。● ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅ ＰＷＭ 大部分无功不平衡；余下的小部分无 功可以由电力有源滤波器来补偿；系 统中的谐波和电压不平衡则由电力有 一一 恫 “ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，’ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ａｐｐｌ，ｖｏ１． 参考文献 ｌ Ｌａｉ ＪｉＳ，Ｐｅｎｇ Ｆ ｚ，‘Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ “ＩＡ一２０，ｎｏ－３，ｐｐ４６０－４６６，１９８６． 一～～～除。 Ｃｏｎｖｅｒｎｖ ｅｒｔｅｒｓ ｔｅ ｒｓ＇ＩＥＥ ＥＴｒａｎ ｓ ｏｎ ＩＡ ，１９９６．＝＝＝ ｌ＝＝ 敬请订阅２ｏｏ３年、 —々由 Ｉ‘７ 表哩开友：矗ｈ 由 Ｔ １ 凸 ……Ｔｎ…． …。，：ｔ．、 … ｔ ■■■＿●‘ ………’…… ＇…’…一…一一一一…一一…一