多电平技术讲解共80页文档
第5章 多电平变换器.ppt
两电平拓扑结构
1)一般只使用于小容量的变换器。 2)输出电压波形中谐波较大。 3)一般来说，需要较高的开关频率。 4)输出电压波形中，du/dt较大。 5)损耗较大，效率较低。
两电平拓扑结构
图7 三相两电平逆变拖动系统的示意图
两电平拓扑结构
图8 两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析
二极管钳位式多电平变换器
表1 二极管钳位式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图12 两种二极管钳位式五电平变换器示意图(一个桥臂)
二极管钳位式多电平变换器
图13
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图14
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
级联式多电平变换器
6)不存在电容电压不平衡问题。 1)需多个独立直流电源。 2)不易实现四象限运行。 3)所需开关器件较多，若采用U/f开环控制，低频时电平数减少， 输出谐波增加。 4)单元采用电解电容的可靠性差。
级联式多电平变换器
图15 两个H桥级联的变换 器示意图(一个桥臂)
级联式多电平变换器
变换器理想开关的定义
1)通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。 2)阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。 3)开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。 4)通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一 个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向承受电 压，即双向可控开关。 1)通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。 2)阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。 3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零 时间内降为零。
电力电子技术多电平技术新全面.ppt
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19最新.课件20源自二极管箝位型逆变器的优点二极管箝位结构的显著优点：就是利用二
极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
由于没有两电平逆变器中两个串联器件同
时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件
的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，
系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多
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若要得到更多电平数，如N电平，只需将 直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关 器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管 数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别 跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位， 再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。
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1多电平变换器研究的背景及意义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对
能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主
动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
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图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
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Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。
多电平逆变器技术介绍
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
模块化多电平 原理
模块化多电平原理模块化多电平(Multi-level Modular Converter, MMC)是一种新型的直流-交流转换器，其特点是具有高电压和高功率的转换能力，能够满足不同电力需求的要求。
MMC采用模块化设计，能够对电压和功率进行灵活配置，具有高效、高可靠性和高灵活性等优点。
下面将详细介绍MMC的原理。
MMC的原理是在每个电平的电流流向相反的两个半桥电路之间插入一个电容，同时在各半桥之间增加能控晶闸管(IGBT)器件，实现多电平的输出。
MMCs的主要特点有以下几个方面：1. 多电平输出：MMC将一个交流输电系统的电压等级从传统的两级(220V和500kV)增加到五级以上，能够提供高至几千千伏的电压等级，从而能够满足不同规模的输电需求。
2. 模块化设计：MMC采用模块化设计，每个电容和每个IGBT模块都是相互独立的，可以根据实际需要的功率水平进行自由组合。
这种设计方式使得MMC 具有高度的可配置性和可扩展性，便于安装和维护。
3. 电压平衡：由于每个电容都与一个IGBT串联连接，可以通过控制IGBT的开关实现对电容的充放电，从而使得各电容的电压保持平衡。
这种电压平衡设计能够降低电容的电压应力，提高系统的可靠性和寿命。
4. 网络逆变：MMC电路通过将每个半桥电路的输出以不同的频率进行切换，实现对输入直流电压的逆变。
逆变电路采用PWM调制技术，能够输出高质量的正弦波电压和电流，达到有效控制电压和电流的目的。
5. 滤波和调节：MMC通过电容和电感的组合来实现对电压、电流的滤波和调节。
通过在MMC的输出端增加滤波电路，可以减少谐波和电磁干扰，提高能量传输的质量和稳定性。
6. 高功率密度：MMC设计紧凑，体积小，功率密度高。
通过模块化设计和高效的控制策略，能够实现对高功率的快速响应和高效转换，提高系统的能量利用率。
MMC的工作原理主要包括以下几个关键步骤：1. 输入直流电压检测：MMC的输入电压通常为直流电压，首先需要对输入电压进行检测和采样。
研究生讲座-多电平逆变技术
钳位式 多电平逆变器
飞跨电容钳位式 多电平逆变器 混合钳位式 多电平逆变器 具独立直流电源级 联式多电平逆变器 混合级联式 多电平逆变器 三相半桥式SPWM 逆变器的级联
多电平 逆变器
级联式 多电平逆变器
层叠式 多电平逆变器 多重叠加式 逆变器
3H桥级联式
4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★ 钳位式多电平逆变器 通过箝位二极管或箝位电容， 将主开关管上的电压箝位在一个直流电容电压上。 钳位式多电平逆变器: 由基本逆变单元通过串、并联组合而成的一种 单一直流电源、半桥式结构形式的 钳位式多电平逆变器。
●
du/dt小、EMI小。
逆变器的输出电压取决于多个直流电源串联的电压之 和，→可提高逆变器的输出电压和输出功率。
∵多个直流电源串联，→开关管耐压、du/dt只取决于与之并联的那个直流电源 ●
开关损耗小、逆变效率高。 ∵通过增加电平数来减小输出电压谐波，→开关管工作在低频或工频
●
——多电平逆变器适合于高压大功率场合应用。 技术处发展阶段
用一个高压直流电源供电，并采用多个直流电容串联分压
4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★
■
钳位式多电平逆变器 二极管钳位式3电平NPC-PWM-INV
4．各类多电平逆变技术及其性能比较
★
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fc=500Hz
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法
fc=1500Hz
◆ 两电平 PWM 逆变器
R=1Ω，L=1mH
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法
fc=1500Hz
◆ 两电平 PWM 逆变器
R=1Ω，L=1mH
1．概述
★ 解决基本逆变电路存在问题的方法
开关电源基础与应用(第二版)课件：多电平直流变换
多电平直流变换 图8-5 阶梯波调制
多电平直流变换 在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的 长短来实现低次谐波的消除。消除k次谐波的方法是使电压 系数bk=0，此方法的本质是对参考电压的模拟信号作量化逼 近。此方法调制比变化范围宽而且算法简单，硬件电路实现 方便。不足之处是这种方法输出波形的谐波含量高。2m+1 次的多电平阶梯波调制的输出电压波形的傅里叶分析如下：
多电平直流变换 1．阶梯波PWM调制 阶梯波PWM法利用输出电压阶梯电平台阶来逼近模拟 电压参考信号，典型的阶梯波调制的参考电压和输出电压如 图8-5所示。这种方法对功率器件的开关频率要求不高，可 以用低开关频率的大功率器件如GTO实现。该方法的缺点 是，开关频率较低使得输出电压谐波含量较大，波形质量差， 不适用于对电压质量要求较高的负载。
多电平直流变换
多电平直流变换
8.1 多电平变换的基本原理 8.2 单管直流变换器三电平拓扑变换 8.3 推挽变换器三电平拓扑变换 8.4 全桥直流变换器的三电平拓扑变换 8.5 三电平直流变换器的控制方法
多电平直流变换
8.1 多电平变换的基本原理
8.1.1 多电平变换器的特点 现有的电力电子开关器件无法满足其功率与开关频率之
要(n－1)/2个独立电源，2(n－1)个主开关器件。
多电平直流变换 图8-4 单相独立直流电源级联逆变器电路
多电平直流变换
该结构中若两个电源的电压存在Uin2=2Uin1的关系，则 将有七种输出电位：0、±Uin1、±2Uin1和 ±3Uin1。若两个 电源的电压成Uin2=3Uin1的关系，则将有9种输出电位：0、 ±Uin1、±2Uin1、±3Uin1和 ±4Uin1。由于器件的耐压有限， 所以串联级数不能无限增加，实际系统的级联数目一般不超 过3。
多电平逆变器
电容箝位自平衡式多电平逆变器(通用拓扑)
电容箝位自平衡式多电平逆 变器是针对逆变器的电容电 压具有自平衡功能而定的名 称，它属于电容箝位式多电 平逆变器的一种改进形式。 这种逆变器不需要借助附加 的电路来抑制直流侧电容电 压的偏移问题，从理论上实 现了电容电压的自平衡。
电容箝位自平衡式多 电平逆变器电路
混合箝位式多电平逆变器
二极管电容混合箝位式多电平 逆变器电路能够比较好地解决 单纯二极管箝位式多电平逆变 电路的内侧开关管的耐压问题 以及直流侧电容电压的平衡问 题。电路的特点是，在二极管 箝位多电平逆变器的单相电路 中，增加了(m-1)(m-2)/2个电 容。
二极管电容混合箝位 多电平逆变器电路
率成正比。降低开关频率或加入一些特定的开关状态， 可以大大减少损耗，提高效率。
2）和一般的二极管箝位和电容箝位电路相比，这 种逆变器各级的中点电压都能得到很好的控制。
3）对一个m级电平的通用式多电平逆变器，所需 的开关器件、开关管数量为m(m-1)；需要的电容数量为 m(m-1)/2。
4）计算简单，器件应力可以达到最小。 5）通用拓扑，易于衍生出新的拓扑结构，具有很 高的研究价值。
二极管自箝位五电平 逆变器
二极管箝位式多电平逆变器
这种二极管箝位式五电平逆变器增多了电平数，因而可 以使输出电压和输出电流的总谐波含量大大减小。这种电路 结构形式的显著优点是利用二极管进行箝位，解决了功率开 关管串联均压的问题。但也存在一些缺点：
1）为保证每个箝位二极管承受相同的反向电压，箝位 二极管的数量将按电平数的二次方快速增加。
多电平变换器概述
多电平变换器
1、多电平变换器产生的背景 2、多电平变换器的分类 3、箝位式多电平变换ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4、级联型的多电平变换器 5、开绕组双端供电式多电平变换器
多电平变换技术及其应用
金、 石油 电力 等领域 ， 变换 器 容 量 的要 求 也 越 来 越 对
大 。由于受 到功率 器件 容量 的 限制 ， 高压大 容量 的 在 应 用场合 ， 统 电路 一 般 采 用 ２种方 法 来 实 现 ： 种 传 一 是 用 中低 压变 换器 采用 多重化 技术 实现 ， 另一 种是低 压 器件 串联应 用实 现 高 压 输 出 。但 是 上 述 ２种 方 法 均存 在较 大缺 点 ， 多重 化 技 术需 要 庞 大 的 变 压器 ， 其 系统 造价 提高 、 降低 了系 统 效率 ， 时 因变 压 器 磁性 同 材料 的特 性 ， 变换 器 在低 频 （＜ ０ Ｈ ） 能量 传 输 困 ２ ｚ 时 难 ， 大 限制 了该 方 法在低 频变 换器 上 的应 用 。而器 大 件 串联 应 用则存 在器 件均 压 问题 ， 论静态 均压 还是 不
ｍｕ ｉ ｖ ｌ ｏｖ ｒ ｒ ｎａｉ ｌ ｅｕ ｎｙ ａｔ ｅｐ ｗ ｒ ｌ ｒＡ Ｆ ａ ｄｒａｔ ｅｐ ｗ ｒ ｏ ｅ ｓｔ ｎ ｌｌ ｅ ｃｎ ｅｔ ｒ ｂｅ￣ ｑ ｅ ｃ ，ｃｉ ｏ ｅ ｔ （ Ｐ ） ｎ ｅｃｉ ｏ ｅ ｍｐｎ ａ ｏ ． ｔｅ ｅｏ ａ ｖ ｉ ｆｅ ｖ ｃ ｉ
Ｍ ｕ ｔｌ ｖ ｌｃ ｎ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉｓ ａ ｌｃ ｔｏ ｌｉｅ ｅ ｏ ｖ ｒ ｅ ｎ ｔ ｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ
Ｓ ＥＮ ｎ． ｉ ｎ Ｈ Ｙｕ ｘ ａ
（ ｈ ｎＭａｉｍ ｏ ｕ ｉａ ｏ ｅｅｒｈ Ｉｓｔｔ ， ｈｎ ４ ０ ７ ， ｈｎ ） Ｗｕ ａ ｒｉ ｅＣ ｍｍ ｎｃｔ ｎＲ ｓａｃ ｎｔｕｅ Ｗｕ ａ ３ ０ ９ Ｃ ｉ ｔ ｉ ｉ ａ
换器 的输 出 电压 波 形 由 于 电 平 数 目多 ， 波 形 畸 变 使 （ Ｈ 大 大缩 小 ， Ｔ Ｄ） 改善 了装 置 的 Ｅ 特性 ； 使 功率 ＭＩ 还
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31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
多电平技术讲解 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。