多电平逆变器
多电平逆变器的控制策略及应用研究
多电平逆变器的控制策略及应用研究多电平逆变器是一种用于将直流电能转换为交流电能的重要电力电子设备。
其控制策略直接影响了逆变器的性能和应用效果。
本文将从多电平逆变器的控制策略以及相关应用方面展开研究，以期对该领域的研究和应用产生一定的推动作用。
多电平逆变器的控制策略主要包括PWM（脉宽调制）控制和MPWM（多电平脉宽调制）控制两种。
PWM控制通过控制逆变器中IGBT开关管的导通时间实现输出电压的宽度调制，从而获得所需的输出波形。
然而，由于PWM控制仅能获得两个离散化电平的输出波形，无法满足高功率和高精度的应用需求。
而MPWM控制则通过调整多个电平的导通时间，可获得多个离散化电平的输出波形，提高了输出波形的质量和精度。
近年来，随着电力电子技术的发展，MPWM控制成为了多电平逆变器中常用的控制策略。
多电平逆变器的应用非常广泛，涉及到电力系统稳定控制、交流传动控制、电力质量控制以及新能源发电等领域。
在电力系统稳定控制方面，多电平逆变器可用于提供无电池储能系统，以实现电力系统的频率和电压平衡调节，从而改善电网的稳定性。
在交流传动控制方面，多电平逆变器可用于驱动大功率交流电机，提高传动效率和稳定性。
在电力质量控制方面，多电平逆变器可用于消除电力系统中的谐波和干扰，提高电力质量。
在新能源发电方面，多电平逆变器可应用于风力发电和光伏发电等领域，提高发电效率和能源利用率。
此外，多电平逆变器还具有多级结构、能量分流和故障容错等特点，这些特点也为其在电力电子设备领域的应用提供了更多选择和优化空间。
例如，多电平逆变器可以通过增加级数来提高输出波形的质量，从而适应更复杂和敏感的应用环境。
同时，多电平逆变器还可以通过能量分流来减小单个器件的功率损耗，提高整个系统的能量利用效率。
此外，在故障容错方面，多电平逆变器能够通过调整导通时间和增加备份开关管等措施来实现故障切换，提高系统的可靠性和容错能力。
综上所述，多电平逆变器的控制策略和应用研究是当前电力电子领域的一个重要研究方向。
多电平逆变器简介
多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电路可靠性提高，易于模块化，适合7电平、9电平及以上的多电平应用，是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为：在上述的多电平逆变器的PWM控制法中，空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器，五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多，控制算法复杂，不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器，适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器，也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM 控制法和开关频率优化PWM控制法，则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波，因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器，载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法，可提高等效开关频率，控制效果更好。
多电平三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模大小种类很多，电压合成更加接近正弦波，所以多电平的空间电压矢量法控制进度高，输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中，此时空间电压矢量法控制算法非常复杂。
PWM．型多电平逆变器一、NPC）2优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；）3电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
多电平逆变器主要控制策略综述
多电平逆变器主要控制策略综述( 本站提供应用行业：阅读次数：1082) 【字体：大中小】1 引言多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点，近十年得到广泛的研究[1]。
研究主要集中在拓扑结构、控制策略两方面。
图1是多电平逆变器的主要研究内容。
图1 多电平逆变器主要研究内容由于多电平逆变器拓扑结构的多样性，且涉及到直流电压的均衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，使得对多电平逆变器的控制具有一定的挑战性。
2 载波调制方法(Carrier-based Modulation)载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。
载波调制按其采样方法可分为:自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。
规则采样又分对称和不对称采样。
在载波调制中，对于m电平逆变器，常定义幅度调制比ma和频率调制比mf分别为:其中Ac为载波峰峰值，fc为载波频率，Am为调制波峰值，fm为调制波频率。
多电平载波调制由于载波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度。
2.1 子谐波脉宽调制SHPWM(SubHarmonic PWM)由Carrara[2]提出的SHPWM的基本原理是:对m电平逆变器，将m-1个具有相同频率fc和峰峰值Ac的三角载波集连续分布。
频率为fm、幅值为Am的正弦调制波置于载波集的中间。
将调制波与各载波信号进行比较，得到逆变器的开关状态。
在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案:(1) PD—所有载波具有相同相位;(2) POD—正、负载波间相位相反;(3) APOD—相邻载波间相位相反。
图2是SHPWM采用PD配置的波形图。
SHPWM的最大线性幅度调制比ma为1。
对SHPWM的研究有如下一些重要结论[3]:·对于三相系统，频率比mf应为取3的倍数;·单相逆变器，APOD配置电压谐波最小;·三相逆变器，PD配置线电压谐波最小。
多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (54)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (56)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (56)5.3.2仿真结果与分析 (56)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (57)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (58)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
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。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电PWM控弦波，5电平以一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
缺点：1）每相桥臂开关器件的工作频率不同，造成了各开关器件的负荷不一致；2）对于m电平电路来说，每个桥臂需要（m-1）（m-2）个箝位二极管，即随着电平数的增加，所需箝位二极管数目将快速增加，成本增加；3）电平数越大，利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量，3个零矢量，独立的空间电压矢量有19（=1+1*6+2*6）个，60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上，2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α轴重合，逆时针旋转60°为h轴，设参考矢量，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为：归一化处理后（矢量坐标整数化），将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系，得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示：②矢量分区方法扇区的确定方法：空间矢量图可分成6个扇区（A-F），设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析
模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势分析摘要：近年来，随着电力系统的快速发展和智能电网的实施，多电平逆变器在电力系统中的应用越来越重要。
模块化多电平逆变器作为一种新型逆变器，具有高效、灵活、可靠的特点，与传统的单电平逆变器相比，具有更大的优势。
本文将从以下几个方面对模块化多电平逆变器在电力系统中的应用优势进行分析。
1. 高效性能模块化多电平逆变器采用多级电路结构，由多个相互独立的单元构成。
相比于传统的单电平逆变器，模块化多电平逆变器在电能转换过程中能够有效降低损耗，提高能量利用率。
其高效性能不仅能够减少电能消耗，降低供电成本，还能够对电力系统的负载性能进行优化，提高系统的稳定性和可靠性。
2. 灵活性和可拓展性模块化多电平逆变器可以根据不同的电力系统需求进行灵活的组合。
其可拓展性使得多个逆变器模块可以在同一系统中并行运行，从而提供更大的输出功率。
此外，模块化多电平逆变器还可以根据需要进行模块的增减，以应对不同负载需求的变化。
这种灵活性和可拓展性为电力系统的规模化应用提供了更多的可能性，能够更好地适应系统的变化和发展。
3. 技术先进性模块化多电平逆变器采用现代控制技术和先进的功率电子器件，具有更高的性能和可靠性。
通过使用高频开关技术和矢量控制算法，模块化多电平逆变器能够实现精确的电压和频率调节，提供更高质量的电力输出。
同时，模块化设计使得故障发生时仅需替换故障模块，减少了维修和维护成本，提高了系统的可靠性和可用性。
4. 适应性和互联互通能力模块化多电平逆变器能够适应不同类型和规模的电力系统。
无论是微电网、光伏发电系统还是风能发电系统，模块化多电平逆变器都能够灵活应用，并与其他设备实现互联互通。
这种适应性和互联互通能力为电力系统的安全运行和智能管理提供了有力的支持。
结论：模块化多电平逆变器作为一种新兴的逆变器技术，在电力系统中具有诸多应用优势。
其高效性能、灵活性和可拓展性、技术先进性以及适应性和互联互通能力，使得模块化多电平逆变器成为电力系统中不可或缺的关键组件。
多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
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E S12
S 32
S 42
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vH 2
S13
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E
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A
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S14
S 34
E
S44
S 24
vH 4
7电平和9电平串联H桥逆变器一相的结构
多电平逆变器
15
A
A6
13电平串联H桥逆变器结构
忽略。
7
单极性调制法
两个极性相反三角波：Vcr和Vcr-，它们的幅值和频率相同，相位互差180°
两个三角波都与同一个正弦 波Va进行比较，产生两个门 信号Vg1和Vg3，分别驱动 H桥逆变器上部的两个器件 S1和S3。
单极性调制法： Vab逆变器 输出电压在正半周期中只在ห้องสมุดไป่ตู้0和+Vd之间切换，在负半 周期，则只在0和-Vd之间 切换。
第4部分： 多电平逆变器
多电平逆变器
1
4.1 简 介 4.2 H 桥逆变器
4.3 多电平逆变器拓扑结构
4.4 基于载波的PWM调制法 4.5 阶梯波调制法 4.6 应用实例
多电平逆变器
2
4.1 简 介
串联H桥逆变器: 英文Cascaded H-Bridge, CHB
S1
D1
S3
D3
Vd
Cd
v AB
3.当S31、S41、S32和S42导通时，为
H1
-2E。
S 32
4.其他三个可以输出的电压电平分别为
E，0和-E，它们分别对应不同的开关
vH2
S 22
状态组合。 NOTE：逆变器输出的相电压Van并不
一定和负载相电压Vao相等，其中Vao
H2
N
为负载侧端点A相对于负载的中性点O 的电压。
多电平逆变器
多电平逆变器
单极性调制法： Vab逆变器 输出电压在正半周期中只在 0和+Vd之间切换，S3和S2 互补。在负半周期，则只在 0和-Vd之间切换，S1和S4 互补。
谐波：以边带频谱形式出现
在第2mf及其整数倍谐波处。
例如2mf，4mf等的两边。
阶次高于/低于（2mf+/-2）
的电压谐波成分幅值很小,可
Vm：正弦调制波 Vcr：三角载波 Vg1、Vg3：上部器件S1和S3的门 极驱动信号 Vg2、Vg4：下部器件S2和S4的门 极驱动信号
同一桥臂中，上部器件和下部器件为 互补运行方式：一个导通时，另一个 必须关断。
Vab=Van-Vbn
双极性调制法：Vab的波形在 正负直流电压之间切换。
多电平逆变器
11
多电平逆变器
12
结论：某些电压电平可由超过一种的开关状态实现。
例如：对于电压E，它可以由四种不同的开关状态实现。 这种冗余性的开关状态在多电平逆变器中非常普遍，使开 关状态的设计变得很灵活。
串联H桥逆变器输出电压的电平数为m，器件数为nSM：
m2H1
m：逆变器输出电平数
nSM6(m1)
nSM: 器件数
多电平逆变器
8
4.3 多电平逆变器拓扑结构
1. 直流侧电压相同的串联H桥逆变器
串联H桥逆变器采用由多个直流电源分别供电的H桥单元 ，各单元的输出串联连接输出高交流电压。
5电平串联H桥逆变器:结构如下图所示，其中每相有两个 H桥单元，分别由电压为E的两个独立直流电源供电。
此直流电源可以采用多脉波二极管整流器实现。
4
串联H桥多电平逆变器：
由多个单相H桥逆变器(也称为功率单元)组成的，把每个功率单元的交 流输出串联连接，来实现中压输出，并减小输出电压的谐波。是中压大功
率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一。
主要有两种方法：基于载波的PWM方法，即移相调制法和移幅调制法。
多电平逆变器
5
1. 双极性调制法
H: H桥逆变器单元数
NOTE: 串联H桥逆变器的电平数目总是奇数
多电平逆变器
13
串联H桥逆变器可完全扩展到任意电平数。下图给出了 7电平和9电平逆变器一相的结构。
在7电平逆串联H桥逆变器中，每相有3个H桥单元，9 电平逆变器中每相有4个H桥单元。
多电平逆变器
14
A
S11
S31
E
vH1
S 41
S 21
S2
D2
S4
D4
多电平逆变器
3
4.2 H 桥逆变器
H桥逆变器包括两个桥臂，每个桥壁有两个IGBT串联组成。 逆变器直流母线电压固定不变，输出的交流电压可通过PWM 方法进行调节，即双极性调制法和单极性调制法。
g1 S1
g D1 3 S3
D3
Vd
Cd
v AB
g2 S2
g D2 4 S4
D4
多电平逆变器
LOCAL CONTROLS
POWER CELL B3
POWER CELL C3
FIBER OPTICS
CENTRAL
多电平逆变器
17
三相高压输入
集成一体式 变压器
三相变压变频 高压输出
3KV高压变频器结构 单元串联多电平移相式电压源型逆变器
POWER CELL A1
POWER CELL B1
POWER CELL C1
功率单元
POWER CELL A2
POWER CELL B2
POWER CELL C2
POWER CELL A3
多电平逆变器
9
O
5电平串联H桥逆变器结构
S11
S31
E
S 41
S 21
A E
vH1
S12
E
S 42
H1
S 32
vHE2
S 22
B
E
E
H2
多电平逆变器
N
C
10
S11
E
S 41
S12
E
S 42
工作过程
1.逆变器每相可输出含有5个不同电平
A
的相电压。
S31
vH1
S 21
2.当S11 、 S21、S12和S22导通时， H桥单元H1和H2的输出都为E，即： VH1=VH2=E。则逆变器输出的相电压 Van ，例如端点A相对于逆变器中性点 N的电压为2E。
Vabn：第n次谐波电压的有效值。 mf：载波比。 谐波：以边带频谱形式出现在第mf 及其整数倍谐波处。例如2mf，3mf 等的两边。阶次高于/低于（mf+/-2） 的电压谐波成分幅值很小,可忽略。
6
2. 单极性调制法
两个极性相反的正弦调制波：Vm和Vm-，它们的幅值和频率相同，相位互差180°
两个调制波都与同一个三角 波Vcr进行比较，产生两个 门信号Vg1和Vg3，分别驱 动H桥逆变器上部的两个器 件S1和S3。
A5
每相6个功率单元
A4
每个功率单元电压为630V
输出相电压为630V
A3
线电压达6600V
A2 VAC
VBA
A1 C1
120 o TYP.
C2
N
C3
B1
C4
B2
C5 C6
100% 电压输出
B3 B4
C
B5
VCB
B6
B
多电平逆变器
16
6KV系列高压变频器结构 (36脉冲整流)
一体式整流干式隔离变压器