二极管箝位多电平背靠背变流器

图 2-12：均压电路驱动信号
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电力电子建模与仿真：二极管箝位多电平背靠背变流器
3.仿真结果
3.1 仿真参数的设置 交流侧： 输入电压 380V；频率：50Hz；线路阻抗：R=0.01Ω，L=100μH。 逆变驱动信号：载波周期为 0.02/1000s，频率为 50K；信号波的周期为 100 π。 3.2 仿真结果 （1）纯有功负载（有功功率为 1000W） ： 整流输出侧均压波形：
根据上面的框图以及原理说明可以搭建仿如下的真电路的控制器， 其结构如 图所示：
图 2-3：整流侧控制器仿真电路
Байду номын сангаас
2.2 逆变电路 多电平逆变电路如下图：
图 2-4：多电平逆变电路
先以一相做原理分析：8 个 IGBT 开关管 S41、S42、S43、S44、S45、S46、
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根据上面的均压原理可以得到以下的状态表：
表 1-2
STATE S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 T1 T2 T3 T4 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 C 与 C1 相连 C 与 C2 相连 C 与 C3 相连 C 与 C4 相连
Vb 和 Vc 信号， Vb 和 这三路信号分别作为整流电路三相的控制信号波， 信号波 Va 、 Vc 与三角载波比较输出三相脉冲控制信号，下图就说明了整流侧 A 相控制信号
的产生方法。 获得的 A1~A8 八路信号分别控制 A 相的 8 个 IGBT 的开通和关断。
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did Vd L dt w·L·iq R·id ud Vdq di Vq L q w·L·id R·iq uq dt
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3 · U max 其中： udq 2 0
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S47、S48 的驱动信号遵循对管互补的规则，即 S41 与 S45、S42 与 S46、S43 与 S47、S44 与 S48 的驱动信号互补。输出电平与开关状态的关系如下表所示。
表 1-1：逆变输出状态开关表
S41 V4 V3 V2 V1 V0 1 0 0 0 0
S42 1 1 0 0 0
S43 1 1 1 0 0
图 3-4：逆变输出侧电压波形
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逆变输出侧电流波形：
图 3-5：逆变输出侧电流波形
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参考文献
[1]赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究.浙江大学.2005 [2]Zeliang Shu, Xiaoqiong He, Zhiyong Wang, Daqiang Qiu, Yongzi Jing.Voltage Balancing Approaches for Diode-Clamped Multilevel Converters Using Auxiliary Capacitor-Based Circuits.IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,MAY 2013
S44 1 1 1 1 0
S45 0 1 1 1 1
S46 0 0 1 1 1
S47 0 0 0 1 1
S48 0 0 0 0 1
输出电压为 V4：当电流从直流电源流出时，4 个 IGBT，S41 S42 S43 S44 导通；当电流流入直流电源时，与 4 个 IGBT 的反并联二极管导通。
图 2-5：输出电压 V4 的工作状态
图 3-1：直流侧电容电压波形
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逆变输出电压波形：
图 3-2：逆变输出电压波形
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逆变输出电流波形：
图 3-3：逆变输出电流波形
（2）纯无功负载（无功功率为 1000var） ： 逆变输出侧电压波形：
图 2-7：输出电压 V2 的工作状态
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输出电压为 V1：当电流从直流电源流出时，S45 和二极管 D44 导通；当电 流流入直流电源时，S45 S46 S47 和二极管 D46 导通。
图 2-8：输出电压 V1 的工作状态
输出电压为 V0：当电流从直流电源流出时，S45 S46 S47 S48 的反并联二极 管导通；当电流流入直流电源时，S45 S46 S47 S48 导通。
图 2-2：多电平 PWM 整流器控制器原理图
取三相网侧电流信号 iabc 经过 abc / dq 坐标变换，得到有功电流 id 和无功电流
iq ；整流输出电压 vdc 与整流参考电压 vref 比较得到电压误差信号，经 PI 调节器
调节输出作为有功电流的参考信号 idref ，有功电流 id 与参考电流 idref 的误差经过
图 2-9：输出电压 V0 的工作状态
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逆变电路的脉冲信号生成：
图 2-10：逆变电路的脉冲信号生成
以 a 相为例，采用正弦波为调制信号波，三角波为载波其频率为 50KHz， 比 较输出的脉冲信号 a1、a2、a3、a4 分别驱动相的 S41、S42、S43、S44。脉冲信 号 a5、a6、a7、a8 分别是 a1、a2、a3、a4 的互补信号，分别驱动 S45、S46、S47、 S48。b 相和 c 相驱动信号获得方法和 a 相一样，唯一的不同是调制信号波之间 互差 120°。
2.3 单电容均压电路 在纯有功负载的情况下， 如果没有电容均压电路，那么直流侧四个电容的电 压值将会不均等， 这里采用采用单电容均压电路。下图是单电容均压电路的均压 过程分析，通过控制开关管的导通与关断实现直流侧电容电压的均衡。
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图 2-11：单电容均压电工作原理
输出电压为 V3：当电流从直流电源流出时，3 个 IGBT，S42 S43 S44 导通， 二极管 D41 导通；当电流流入直流电源时，S45 和与其反并联二极管导通。
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图 2-6：输出电压 V3 的工作状态
输出电压为 V2：当电流从直流电源流出时，2 个 IGBT，S43 S44 导通，二 极管 D43 导通；当电流流入直流电源时，S45 S46 和二极管 D44 导通。
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PI 调节器调节输出再与 ud 和 iq wL 比较后，得到电压 Vd 信号；无功电流 iq 与参 考电流无功电流 iqref （ iqref =0）比较输出后经 PI 调节器调节输出后与 id wL 综合 后得到电压 Vq 信号；最后电压 Vd 、 Vq 信号经过 dq / abc 坐标反变换可以得到 Va 、
化简为：
did 3 Vd L dt w·L·iq R·id 2 ·U max Vdq diq Vq L w·L·id R·iq 0 dt
上式表明整流器的输入电流 id 和 iq 分量之间存在耦合，直接控制输入电流需 要解耦处理， 需要引入电网电压前馈补偿来提高系统动态性能，控制过程相对复 杂。而在整流器系统中，有功功率和无功功率之间是解耦的，能独立进行控制。 由上述推导进行数学模型搭建如下图所示：
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在 MATLAB/SIMULINK 仿真中，均压电路的脉冲控制信号可以按以下方式 获得：Counter Limited 与常数 1 累加后周期输出四个信号，该信号控制多路选择 器，状态 1 时控制开关管使均压电容与直流侧 C1 电容相连，状态 2 时控制开关 管使均压电容与直流侧 C2 电容相连，状态 3 时控制开关管使均压电容与直流侧 C3 电容相连， 状态 4 时控制开关管使均压电容与直流侧 C4 电容相连， 最终可以 实现直流侧电容电容均衡。
2.二极管箝位多电平背靠背变流器
2.1 整流原理：
图2-1：二极管钳位五电平整流器
多电平PWM整流器控制原理是基于同步旋转坐标变换的有功无功解耦控制，其 控制原理为： 设 ua 2u cos( wt ) 、 ub 2u cos( wt 坐标系下系统的数学模型为
2 π 2 π ) 、 uc 2u cos( wt ) ，则在 dq 3 3
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电力电子建模与仿真
期末报告
题目：二极管箝位多电平背靠背变流器 姓名： 学号： 13 授课教师：
2013 年 12 月 20 日
电力电子建模与仿真：二极管箝位多电平背靠背变流器
二极管箝位多电平背靠背变流器
1.二极管箝位多电平背靠背变流器的应用场合
多电平变换器具有输出THD小、 器件电压应力低和系统EMI低等优点而广泛 受到人们的青睐，其应用领域是最初的DC-AC变换，如大功率电动机车电动机 驱动，拓展到AC-DC变换，如电力系统无功补偿、有源滤波;再到AC-DC-AC变 换，如电力系统统一潮流控制器，二极管箝位多电平变换器在控制功率的双向流 动方面有优势， 因而在中压变频调速领域和交流柔性供电系统中有着良好的应用 前景。