多电平变换器专业知识讲座
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。
第3章 多电平变换器PWM调制策略1
第3章 多电平变换器PWM 调制策略对多电平变换器调制策略进行研究是多电平变换器研究的重点内容之一。
调制策略的优劣直接影响着多电平变换器的性能。
在过去的20多年里，研究者们对各种拓扑结构的多电平变换器调制策略进行了大量的研究工作，提出了一系列行之有效的调制方法。
这些调制方法基本上都是传统的两电平变换器脉宽调制技术的扩展和引申，但由于多电平变换器本身所具有的特殊性，其所采用的调制策略也各有特点。
3.1多电平变换器PWM 调制策略的分类多电平变换器的PWM 技术种类繁多，若按采用开关频率的不同，多电平变换器调制策略可以分为基波开关频率调制（即在输出基波周期内，开关器件通断一次）和高开关频率调制（即在输出基波周期内，开关器件通断多次）。
其中，基波开关频率调制又可分为空间矢量控制（SVC ）和有选择的谐波消除技术（SHEPWM ）；而高开关频率调制则可分为空间矢量PWM （SVPWM ）和多载波SPWM 。
多载波SPWM 一般采用两种技术，即①基于载波垂直分布技术（包括PD 、APOD 、POD ）；②基于载波水平移相技术。
多电平变换器PWM 调制策略分类示意图如图3-1所示。
也有研究者对多电平变换器控制策略的分类是从多电平变换器的控制自由度考虑，通过不同的组合，得到各种不同的调制策略。
例如：就载波而言，多电平变换器的载波通常不止一个，其形状可以是常用的三角波，也可是锯齿波等，对每种载波至少有频率、相位、幅值、垂直方向的偏移量和水平方向的偏移量等多个可调节控制的参数，将这些参数称之为自由度；而多电平变换器的调制波，可以是正弦波或梯形波，同样对于每种调制波形，也有频率、相位、幅值、叠加零序分量等多个参数，即自由度。
若将不同控制自由度进行互相组合，必将产生一些新型多电平变换器PWM 调制策略，再将上述控制自由度之间的组合，并进一步多电平变换器PWM 调制策略分类按基波开关频率调制分按高开关频率调制分空间矢量控制 （SVC ）有选择的谐波消除技术（SHEPWM ）多载波正弦PWM （SPWM ）空间矢量PWM （SVPWM ）基于载波垂直 移相SPWM 基于载波水平 移相SPWMPD APOD POD图3-1 多电平变换器PWM 调制策略分类示意图与各种多电平变换器的基本拓扑相结合，将产生数量庞大的多电平变换器PWM调制策略[84]。
第五讲-多电平
5.1 多电平简介（续1）
• 日本长岗科技大学A. Nabae等人于1980年在IAS年会上首 次提出三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器旳研制 开辟了一条新思绪。今后经过数年旳研究发展出几种主要 旳拓扑构造，为高压大容量高性能逆变器提供了新旳发展 方向。主要优点体目前：
5.1 多电平简介（续3）
二极管箝位式多电平逆变器
优点： • 输出电压谐波含量小，波形更接近正弦。 • 电磁干扰（EMI）问题大大减轻，一次动作旳dv/dt只有一
般双电平旳1/(M-1)。 • 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。
5.1 多电平简介（续4）
缺陷：
• 不同级旳直流侧电容电压在传递有功功率 时出现不均衡现象。
• 更适合大容量、高电压场合。 • 可产生M层阶梯输出电压，对阶梯波再作调制，能够得到
很好近似旳正弦波，具有谐波数很低。 • 电磁干扰（EMI）问题大大减轻，一次动作旳dv/dt只有一
般双电平旳1/(M-1)。 • 系统总损耗小，效率高。
5.1 多电平简介（续2）
多电平逆变器研究拓扑和调制措施
拓扑构造 • 二极管钳位多电平逆变器 • 飞跨电容多电平逆变器 • 级联多电平逆变器 调制措施 • 多电平消谐波PWM措施 • 多电平空间矢量措施 • 优化阶梯波宽度技术 • 相移SPWM技术
• 三电平逆变器因为有钳位二极管，开关器 件旳端电压为VD/2，多合用于高电压、大 功率场合。
5·3 中压变频器
➢ 国标AC电网电压等级为：380/220，3KV，6KV， 10KV，110KV，220KV，500KV
多电平技术讲解
通过控制H桥臂上 的V1-V4的导通与关 断，可使H桥单元输 出所需要的电压和频 率。由图7可以看出， 单个H桥单元的输出 电压Uab与四个开关 V1-V4的开关状态有 关。
图8（a)所示为该单 个H桥单元输出三电 平方式的输出波形示 意图。从该示意图中 可以看出，其输出电 平包括E，0，-E。
1调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调 速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电 平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt 较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。
表1二极管箝位型三电平逆变器工况
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。
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电
压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点 定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪 一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位 到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时， 二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
H级联型逆变器有如下特点
(1) 每相由多个H桥单元级联而成，逆变 器输出相电压电平数L与单元级联数目N 之间存在L=2N+1的关系。由于各功率单 元结构相同，易于模块化设计和封装； 当某单元出现故障，可将其旁路，其余 单元可继续运行，系统可靠性大大得到 了提高；
多重逆变电路和多电平逆变电路ppt课件
导通 1 VT
导
3
通
t
O
t
iW
VT
导通
6
VT
导
5
通
O
t
uVT1
VT
导通
2
O udM
t
O
返回
t
32
图5-20 二重单相逆变电路
Ud
j=60°
T1 u1
uo T2
u2
图5返-2回0
33
图5-21 二重逆变电路的工作波形
u1
三次谐波
O
t
180°
u2
60°
三次谐波
O
t
uo 120°
O
t
图返5回-21
34
uG1
+
O
t
V1
V3
uG2
VD1
VD3 O
t
Ud
C
V2
R io L
uo VD2 V4
uG3 O
VD4
uG4 O
t t
-
uo io O
io
uo t3
t1 t2
t
a)
b)
返回
20
图5-8 带中心抽头变压器的逆变电
路
负载
io
uo
+
Ud
V1
-
V2 VD 1
VD 2
返回
21
图5-9 三相电压型桥式逆变电路
t
t
t
Ud 6
t
Ud 3
t
t
t23
图5-11 电流型三相桥式逆变电路
id Ud
VT3 VT5 VT1
U V W
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。
个人总结-多电平变换器的拓扑结构和控制策略(shrimplm)7页word文档
多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。
首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。
因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。
1 多电平变换器的拓扑结构国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。
从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种：1）二极管中点箝位型（见图1）；2）飞跨电容型(见图2)；3）具有独立直流电源级联型（见图3）；4）混合的级联型多电平变换器。
图1 二极管箝位型三电平变换器图2 飞跨电容型三电平变换器图3 级联型五电平变换器其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。
从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。
二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。
缺点是电容均压较为复杂和困难。
在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。
飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。
另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。
目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。
级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。
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图2 改进的二极管箝位型五电 平变换器电路拓扑
图3 二极管箝位/飞跨电容型混合 五电平变换器拓扑
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+
V5
Sa1
C1 Sa2
V4 Sa3
C2 Sa4
Vdc V3
Sa1'
C3 Sa2'
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四电平Marx 逆变器 （APEC'2003 ）
四电平Marx逆变器
Marx 单元
半桥单元（M级） 图9 四电平Marx逆变器
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V15(-11-1) V16(01-1) V17(11-1)
图8 三电平逆变器空间电压矢量图
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2. APE仿C。'文20档0如2有-2不0当03之中处，提请出联的系本新人拓或网扑站和删控除。制方法
在近两年APEC中研究比较多的拓扑和控制方法： 拓扑：二极管箝位型和级联型 控制方法：空间矢量PWM
Sb4'
b Db1' Db2'
Db3
D A O L
Db3'
图1 单相二级管箝位型五电平变换器主电 路结构
特点： 可控制无功功率流，但是传递 有功功率时，存在直流分压 电容电压不平衡问题。
? back-to-back连接 ?外加电压调节控制器 ?通过改进拓扑结构 ?通过改进调制方法
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Sp2
Sc1 Dp1
C1 Sc2
Dn1
Sn2
2-Level
Sp3
Sc3 Dp2
C2 Sc4
Dc1
Sc5 Dc2
C3 Sc6
Dn2
Sn3 3-Leevl
Sc7 Dp3
C4 Sc8
Dc3
Sc9 Dc4
C5 Sc10
Dc5
Sc11 Dc6
C6 Sc12
Dn3
Sn4 4-Leevl
图7 通用五电平单臂电路
Dp4 C7 Vdc
(a) 消谐波 PWM 方法（ SHPWM ）
(b) 开关频率优化 PWM 方法 （SFOPWM ）
(c) 载波带频率变化的 PWM 方法
(d) 相移载波 PWM 方法
图7 基于载波的多电平PWM控制方法
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1.仿2.2。多文档电如平有逆不变当器之处空，间请矢联量系P本W人M或控网站制删方除法。
1.1 多仿电。平文档变如有换不器当之拓处扑，请的联系简本单人或概网站述删除。
+
V5
Sa1
Sb1
C1 Sa2
V4 Sa3
Da1
Sb2
Da2
Sb3
Db1 Db2
C2 Sa4
Vdc V3 Sa1'
C3 Sa2'
V2 Sa3'
C4
Sa4'
-
0 V1
a Da1' Da2'
Da3
Sb4
Sb1'
Sb2'
Sb3' Da3'
V dc
V dc
Vdc
L oa d
Load
V dc
V dc
图5 单相级联型七电平变换器主 电路结构
2Vdc
图6 混合级联型多电平变换器拓扑
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仿。文档通如用有不的当多之电处，平请变联
在纯无功负载情况下，电 容电压不能平衡，因此不 能用于无功补偿等场合。
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器件最少，易于封装；需多个独立直流 电压源。该结构适用于各种可再生能源， 如，燃料电池，光伏电池等。
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图10 混合多电平变换器原理图
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主要内容：
1。现有多电平变换器拓扑和控制方法的简单概述 2。APEC'2002 -2003中提出的新拓扑和新控制方法 3。我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作
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V2 Sa3'
C4
Sa4'
-
0 V1
Ca3 Ca2
Ca1
Ca3
a
Ca2
Ca3
Sb1
Sb2
Cb3
Sb3
Cb2
Sb4
Cb1
Cb3
b
D A
O
L
Sb1' Cb2
Sb2' Cb3
Sb3'
Sb4'
图4 单相飞跨电容型五电平变换器主电路结构
特点：大量的开关组合冗余， 可用于电压平衡控制；
（一般采用相移PWM调制）
V14(-110)
5 V5(010) V6(110) 6 (-10-1) (00-1)
1
V18(10-1)
多电平SVPWM法和两电平SVPWM
法一样，是一种建立在空间矢量合 成概念上的PWM法，它的最大优点 在于概念清晰，反映了 SPWM 的本
质，电压利用率高，易于数字实现 等，不足之处在于当电平数超过 5 时，算法过于复杂。
V11(-1-11) V10(0-11) V9(1-11)
3
D
B
V12(-101)
V3(001) V2(101) V8(1-10)
4 (-1-10) C
(0-10) C 2
B
V13(-111)
V4(011)
A
V0(111) (-1-1-1)
(-100) (000)
A
D
V1(100)
(0-1-1) V7(1-1-1)
Dc7
Dc8 C8 Vdc
Dc9
Dc10 C9 Vdc
Dc11
Dc12 C10
Vdc Dn4
5-Leevl
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1.2 多仿。电文平档如变有换不当器之处控，制请联方系本法人的或网简站单删除概。述
1.2.1 基于载波的多电平PWM控制方法