1、v多電平變換器v多電平變換器PWM 控制技術v多電平技術在電力牽引系統中的應用v結論一、多電平變換器4v兩電平變換器不適合于高壓大功率場合v一、半導體開關承受的關斷電壓等級受到限制雖然通過開關的串聯方式可以提高變換器的電壓等級，通過開關并聯方式可以提高變換器的電流等級，但前者需要采取均壓措施，后者需要采取均流措施，在實現上需要復雜的輔助電路，而且往往效果并不理想。兩電平變換器兩電平變換器5兩電平變換器兩電平變換器vNabae等人于20世紀80年代初提出多電平變換器的思想。多電平變換器主要采用器件箝位或輸出串聯等方式將低壓的功率開關器件連接在一起， 實現了高電壓、大容量。它的一般結構是由幾個電平

2、臺階(典型情況是電容電壓)合成階梯波以逼進正弦輸出電壓。v多電平變換器相對傳統兩電平變換器具有如下優點：v1）每個功率管承受的電壓應力大幅降低；v2）相同開關頻率下，輸出諧波含量大幅降低；v3）功率管開關損耗降低。v由于以上優點，多電平變換器在高壓大功率場合得到越來越廣泛的應用。v多電平變換器從目前所見到的主電路拓撲結構來看， 最終可歸結為3種基本的拓撲結構：v二極管箝位型多電平變換器v級聯多電平變換器v飛躍電容型多電平變換器三相五電平二極管箝位型逆變器v對這種類型的m電平三相電路，需直流分壓電容(m-l)個串聯，每橋臂主開關器件2(m-1)個串聯，每橋臂的箝位二極管數量(m-1)(m-2)個

3、，每(m-l)個串聯后分別跨接在正負半橋臂對應開關器件之間進行箝位。v二極管箝位多電平變換器的特點如下v優點：電平數越多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下工作，開關損耗小，效率高v可控制無功功率流vback -to -back 連接系統控制簡單v缺點：需要大量箝位二極管v用單個變換器難以控制有功功率流v存在電容電壓不平衡問題三相級聯五電平逆變器v由兩個單相全橋電路級聯而成v每個獨立直流電源給一個單相全橋逆變器供電v 不同電平逆變器的交流電壓串聯v不再需要前種電路中的大量箝位二極管，但需要多個獨立電源。具體來說，對這種類型的m電平三相電路，需要3(m -1)/2個獨立電源，6(m-1)個主開關

4、器件，3(m-1)個分壓電容。v優點：電平數超多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下開通關斷，損耗小，效率高v無需箝位二極管和電容，易于封裝v基于低壓小容量變換器級聯的組成方式，技術成熟、易于模塊化v可采用軟開關技術，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路v不存在電容電壓平衡問題v缺點：需多個獨立電源三相五電平飛躍電容逆變器v與二極管箝位多電平變換器不同，這種電路采用的是飛跨在串聯開關器件之間的串聯電容進行箝位的。該電路的電壓合成更為靈活，即對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關狀態組合得到。這種開關組合的可選擇性，為這種電路用于有功功率變換提供了可能性。對這種類型的m電平三相電路，需開關器件6(m-1

5、)個，直流分壓電容3(m-1)個以及箝位電容3(m-l)(m-2)/2 個。v優點：電平數越多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下開通關斷，損耗小，效率高v可控無功和有功功率流，可用于高壓直流輸電v不同的開關組合，可得到電壓平衡v缺點：需大量的箝位電容v用于有功功率傳輸時，控制復雜，開關頻率高，開關損耗大v存在電容電壓不平衡問題v所以其相對于前兩種拓撲應用較少。v二、多電平變換器PWM 控制技術v對于傳統兩電平變換器的PWM 控制，其方案有許多種，從追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦，從效率最優，轉矩脈動最少，再到消除噪音等。目前，常用的兩電平PWM 算法有載波調制法、電壓空

6、間矢量調制法、優化目標函數調制法等。v多電平變換器PWM 技術主要對兩方面的目標進行控制：輸出電壓的控制，即變換器輸出的脈沖序列在伏秒意義上與參考電壓波形等效；變換器本身運行狀態的控制，包括電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關的輸出功率平衡控制、器件開關損耗控制等。v多電平變換器的PWM 控制方法主要有：載波PWM 方法、空間電壓矢量(SVM)法和優化PWM方法等。v載波調制PWM控制技術是通過載波和調制波的比較，得到開關脈寬控制信號。v由于多電平變換器需要多個載波，因此在調制生成多電平PWM 波時有兩類基本方法：v第一類方法，首先多個幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個調制波比較，

7、得到多電平PWM 波，即載波層疊法。這類方法可直接用于二極管箝位型多電平結構的控制。v第二類方法，用多個分別移相、幅值相同的三角載波與調制波比較，生成PWM 波分別控制各組功率單元，然后再疊加，形成多電平PWM 波形，稱為載波移相法，一般用在級聯型結構、電容箝位型結構。v為實現控制目標和性能指標，如電容電壓的平衡、優化輸出諧波、提高電壓利用率，開關管功率平衡等。解決途徑主要有以下三方面：v通過多載波，即改變三角載波之間的相位關系，如各載波同相位、交替反相、正負反相、以及載波移相。v調制波上加入相應的零序分量v對于某些特殊的結構，如級聯型結構、電容箝位型結構、以及層疊式多單元結構，這些結構當橋臂

8、上輸出相同的電壓時，可以有多個不同的開關狀態組合對應，不同的開關狀態組合對上述一些性能指標的影響是不同的，選擇適當的開關狀態組合就可以實現上述目標v多電平特定諧波消去法（SHEPWM）是以優化輸出諧波為目標的優化PWM 方法，它過在預先確定的時刻實現特定開關的切換，產生預期的最優SPWM控制，以消除選定的低頻次諧波。vSHEPWM一種基于傅立葉級數分解、計算得到開關時刻的PWM 方法。v從電動機的角度出發，以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關模式所產生實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們比較的結果決定逆變器的開關，形成PWM 波形。v把逆變器和電機看成一個整體來

9、處理，便于微機實時控制，并具有轉矩脈動小，噪音低，電壓利用高的優點，因此目前無論在開環控制系統還是閉環控制系統中均得到廣泛應用。v多電平變換器的輸出三相電壓中包含非零序分量和零序分量。通常情況下零序分量對負載的運行性能沒有影響，但是輸出的零序分量不同時，逆變器輸出的開關狀態也不同，從而影響了多電平電路的運行狀態和優化性能。v針對上述特點，可以將多電平變換器的PWM控制分為兩個部分：輸出電壓的非零序分量控制，使輸出的PWM 脈沖在伏秒平均意義上和給定的參考電壓一致；對零序分量控制，實現逆變器本身的運行狀態控制，以及其它性能指標的優化控制。v對多電平載波PWM方法和空間矢量PWM方法的研究可以看出

10、，這兩類方法的思路和出發點不同，但最終都能實現很好的控制效果。由于這兩種方法都是基于一個采樣周期內的電壓積分等效的思路，其控制本質是相同的。v二者可以得到嚴格的統一，而統一的橋梁正是零序電壓。v兩電平PWM的空間矢量方法向載波調制方法的統一：對于載波PWM方法，其調制波為三相正弦波， 當疊加適當的三相零序電壓分量，就可以得到等效的空間矢量PWM輸出。v借鑒兩電平的結論，三電平空間矢量PWM也可以統一到載波調制方法當中。但是將三電平載波調制和空間矢間PWM聯系在一起的零序電壓與兩電平里的結論不盡相同。采用60坐標變換方法，載波比較采用PD方式，可以得到三電平空間矢量和載波調制PWM之間的一般性的

11、數學描述。v三、多電平技術在電力牽引系統中的應用v 多電平變換器具有輸出波形THD值小、器件電壓應力低和系統EMI低等優點。v 應用領域從最初的DC-AC變換，如大功率電力機車電動機驅動，拓展到AC-DC變換，如電力系統無功補償、有源濾波，到AC-DC-AC變換，如電力系統統一潮流控制器，再到DC-DC變換，如多電平PFC、高壓大功率直流變換等。v 柔性交流輸電、高壓直流輸電和高壓大型電動機的變頻調速是目前多電平變換器應用的主要領域。此外多電平變換器在UPS、新能源等領域也有所應用。v傳統牽引供電系統存在以負序、無功和諧波為主的電能質量問題和機車過電分相問題，極大地限制了其在高速、重載鐵路方面

12、的發展。為解決這些難題，提出了基于綜合潮流控制器的同相供電系統方案。與傳統牽引供電系統相比，同相供電可取消過分相裝置；補償負載無功和諧波，提高電能質量；補償兩臂有功電流差，解決不平衡問題；平衡牽引變兩臂負荷，有效提高運能。v傳統潮流控制器普遍釆用兩電平電壓源變換器，根本無法滿足實際牽引負荷高電壓、大容量的需求。v為了適應高壓大容量牽引供電要求，降低開關器件應力，降低器件開關頻率，減小器件開關損耗和輸出電壓值，該潮流控制器基于二極管箝位五電平結構。v五電平PFC由“背靠背”的二極管箝位五電平結構四象限電壓源型變流器組成，兩端口變流器通過四個直流電容耦合在一起。v針對五電平PFC傳遞有功時造成直流側電容不平衡問題，采用了基于單級電容的輔助穩壓電路。v同相模式下是單臂供電，假設相為供電臂；異相模式時為正常供電方式下的雙臂供電，即、兩臂同時為機車供電。v交流傳動是我國鐵道牽引動力發展的一個重要方向， 交一直一交變流器包括四象限整流器環節、中間直流環節和三相逆變器環節。v脈沖整流器作為動車組的電源側變流器，可以提高電網功率因數、降低電網電流諧波含量。v三電平SVPWM逆變器把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動機提供可調頻率和可調幅值的三相交流電源，同時通過調節三相輸出電壓波形控制牽引電動機的磁通和轉矩。提高逆