一种改进的级联型多电平变换器拓扑

V /kV 1.0 0.0 -1.0 V /V 400 0 -4-H 单元的载波和调制波 18 t/ms 0 2 4 6 8 10 12 14 16 (a) 3-H 单元的载波和调制波 18 t/ms
m
n = 5 × 3 = 15 电平的最大电平数输出 若 2-H 单元 和 3-H 单元的直流电压分别为 E 和 6E 则 2-H 单 元输出 E 0 －E 3 个电平 3-H 单元输出 6E 3E 0 －3E －6E 5 个电平 2 单元的输出叠加 可得 到 15 电平的输出 表 1 列出了该拓扑 15 个输出电 平及 2 个单元分别的输出
万方数据
第 11 期
陈阿莲等
一种改进的级联型多电平变换器拓扑
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表 2 给出了在输出 15 电平的情况下 该改进 的级联型拓扑与传统的几种多电平拓扑所需元件数 的比较
表 2 几种多电平拓扑单臂电路所需器件个数的比较 Tab.2 Comparison of device number needed by several different type of multilevel converters
Vo1 /V 600 0 -600 0 5 10 (a) V o2 /V 100 0 -100 0 5 10 15 20 25 30 (b) 2-H 单元的输出波形 35 t/ms 15 20 25 30 35 t/ms
从表中可以看出
二极管箝位型需要大量的
3-H 单元的输出波形
箝位二极管 飞跨电容型需要大量的飞跨电容 传 统级联型需要大量的独立电压源 并且这三种拓扑 都需要数量较多的开关器件 2-H/3-H 级联型拓扑 需要最少数量的元件 如果构成三相系统 这种优 越性会更明显
拓扑类型 二极管箝位型 飞跨电容型 传统级联型 2-H/3-H 级联型 开关 器件 28 28 28 12 器件类型 箝位 箝位 二极管 电容 182 0 0 0 0 91 0 2 独立 电压源 1 1 7 2
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仿真验证
用 2-H/3-H 级联型拓扑的单臂构成 1 个单相半 桥逆变电路 2 单元的直流电压比取为 1:6 采用 前面所述的混合调制方法进行了仿真研究 其中 3-H 单元的载波频率取为 50Hz 2-H 单元的载波 频率取为 3kHz 负载由 100Ω的电阻 50.1H 的电 感串联构成 图 5 为 2 单元分别的输出及总的相电 压 相电流输出波形 图 6 为相应的频谱 可以看
基金项目 国家自然科学基金项目 50277035 国家教育部科技
发展重点项目 重点 02044 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 50277035
为了增加输出电压的电平数和提高波形质 量 越来越多的学者提出了改进的级联型拓扑 文 [2] 对不同单元采用不同耐压和功率等级的功率器 件并对每个 H- 桥单元使用不同的直流电压 从而 用少量的级联单元实现尽可能多的电平数 降低了 系统成本 这一改进拓扑被称之为混合型多电平变 换器 文[3] 将由任意电平的二极管箝位型 H-桥单 元相串联所构成的拓扑称为 通用级联型变换器 拓扑 而本文认为该 通用 存在很大的局限性 它不能包括所有以飞跨电容型作为基本单元的级联 型拓扑 本文采用基本单元的概念和基于基本单元 并串联组合生成任意多电平变换器的思想[4] 对由 两电平 H-桥 2-H 和飞跨电容型三电平 H-桥 3H 级联构成的拓扑进行了分析和仿真 并得出一 定的结论
B C
3－H
+
3-H 单元能输出 5 个电平 即 n1=5 2-H 单元能输出 3 个电平 即 n2=3 当 2 单 元 的 直 流 电 压 比 Vdc 2 / Vdc1 = 1 / 6 时 , 可 得 到
在图 2 的拓扑中
3 －H
g
图 3 具有能量再生能力的变换器系统 Fig.3 Converter system with power regenerative capability
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中
国
电 机
工 程
学 报
第 23 卷
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2-H/3-H 级联型拓扑的结构及工作原理
2-H/3-H 级联型拓扑的结构如图 2 所示 它是
由 1 个两电平 H-桥单元和 1 个飞跨电容型三电平 H-桥单元级联构成 当 2 个单元的直流电压按照 最大扩展原则来确定时 可获得最大电平数的输 出 最大扩展原则如下所述 [5] 对于由 m 个单元级 联构成的多电平变换器 若每个单元能输出的最大 m 那么当各个单元的 电平数为 nj j=1 2 直流电压按式 (1) 设置时 出 n 如式(2) Vdci ni − 1 = Vdc( i −1) ni (ni −1 − 1) n=
表 1 2-H/3-H 级联型拓扑的输出电平状态 Tab.1 Output voltage-level status of 2-H/3-H cascaded multilevel converter
VO 7E 6E 5E 4E 3E 2E E 0 －E －2E －3E －4E －5E －6E －7E VO1 6E 6E 6E 3E 3E 3E 0 0 0 －3E －3E －3E －6E －6E －6E VO2 E 0 －E E 0 －E E 0 －E E 0 －E E 0 －E
ABSTRACT: An improved cascaded multilevel inverter topology is proposed in this paper, which is composed by any number of H-bridge cells. The H-bridge cells may be two-level ones, or any level of diode-clamped or flying-capacitor ones. Different separate voltage sources may be used in different cells. Relative to conventional cascaded topology, the new topology needs fewer switching devices and fewer separated voltage sources when producing the same number of output levels, which simplifies circuit and saves costs. As an example, a topology composed by a two-level H-bridge cell and a threelevel flying-capacitor H-bridge cell is researched and simulated in this paper. KEY WORDS: Cascaded multilevel inverter; H-bridge; Hybrid 摘要 平 拓扑 路 该文提出了一种改进的级联型多电平变换器 也可以是二极管箝位型或电容箝位型的任意电平 在得到相同输出电平的情况下 它可 不
第 23 卷 第 11 期 2003 年 11 月 文章编号 0258-8013 2003 11-0009-04
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号 TM464 文献标识码 A
Vol.23 No.11 Nov. 2003 ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470·4031
o
以由任意个 H-桥单元级联构成
其中的 H-桥可以是两电 相对于传统的级联型 新拓扑可以使用较 从而简化电 和飞跨电容型 2-H
图 1 传统的级联型五电平变换器单臂电路 Fig.1 One leg of conventional cascaded five-level converter
同单元采用不同的独立直流电压源
可得到最大电平数的输 i = 2,4,Λ , m − 1 (1) (2)
∏n
i =1
i
当 2 个单元均为 2-H 桥时 级联构成的拓扑 即为图 1 所示的传统级联型多电平变换器拓扑结 构 这 2 个单元输出的最大电平数均为 3 利用最 大扩展原则 当 Vdc 2 / Vdc1 = 1 / 3 时 可得到最大电 平数的输出 n = 3 × 3 = 9 在混合多电平变换器 结 构同图 1 研究的基础上 为了得到更大电平数的 输出 最近有些文献[6,7]把混合多电平变换器各个 单元的直流电压比由 1:2:22: :2N 改为 1:3:32: :3N 这只是针对该特定的拓扑结构给出的结论 可看作 是利用最大扩展原则的一个特例 而利用最大扩展 原则确定各个单元的直流电压比 可以很容易得到 最大电平数的输出
+ Vdc1 _ S'a1 S'a2 S'a3 S'a4 + Vo1 _ + Vdc2 Sa2 _ Sa1 Sa3 Sa4 Vo + Vo2 _ a
箝位二极管和飞跨电容 易于模块化和易于采用软 开关技术等优点 被认为是较适合于电网接口的变 换器[1] 图 1 是传统的级联型三电平变换器单臂电 路 它由 2 个两电平 H-桥单元级联构成
a + Vdc2 _ Vo S'a1 + S'a2 Vdc1 S'a3 S'a4 S'a6 S'a7 S'a8 S'a5 + Vo1 _ o Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 + Vo2 _
特别是 对于 VO 的某些电平
要求 VO1
VO2
输出正负相反的电平 这样会产生电流回灌 使直 流侧电压上升过高而得不到期望的输出 为了解决 此问题 可以对 2 单元使用由全控器件构成的有源 整流 如图 3 所示 图中使用单相整流器可以节省 器件 简化控制 通过采用电流 电压双环控制的 方法[8] 可以保证级联型逆变器的输入电压恒定 另外 有源整流器既可以作为有源滤波器消除谐 波 提高功率因数 又可以作为有功控制器 将部 分功率回馈到电网 图 3 是一种具有能量再生能力 的变换器系统 它能实现能量在电网和负载之间的 双向流动 特别适合用于大功率的再生负载