第5章 多电平变换器.ppt
光伏发电系统中的多电平变换技术
摘要： 阴影问题和 光伏模块不匹配 问题是光伏发电系统面临的主要问题之一 。在无隔离变压器 的光伏发 电系统中 还存在着漏 电电流 问题。对于解决这些 问题 ， 多电平变换器有着独特优势 。文 中介绍 了各种 多电平拓扑结构在解
决 阴 影 问题 和 光 伏 模 块 不 匹 配 问题 中 的应 用 ， 析 并 比较 了各 种 多 电平 拓 扑 结 构 在 无 隔 离变 压 器 系 统 中 解 决漏 电 分
ｎ ｏ ａ ｅ ．ｉ ａｌ ｓ ｍｅ ｐ ｅ ｉｔ ｓｏ ｔ ｕ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｓｉ ｓ ｒ ａ ａ ｅ ｇｖ ｎ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄＦ ｎ ｌ ， ｏ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｅ ｆ ｔ ｒ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｎ ｔ ｉ ａｅ ｒ ｉｅ ． ｙ ｏ ｆ ｈ ｕ ｈ
电流问题 的优点和缺点 ， 进而对多 电平变换器的发展趋势做出展望。
关 键 词 ： 电平变 换器 ； 伏 发 电 ； 影 问题 ； 电电流 多 光 阴 漏 中 图分 类号 ：Ｍ４ Ｔ ６ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ １０ （０ ０ ０ — ０ ４ ０ １０ — ０ Ｘ ２ １ ）６ ０ ３ — ３
Ｍ ｕ ｔｌｖ ｌＣｏ ｖ ｒ ｅ ｓＵｓ ｄ ｉ Ｐｈｏ ｏ ｏ ｔ ｉ ｗｅ ｎ ｒ ｔｏ Ｓ ｓ ｅ ｌｉｅ ｅ ｎ ｅ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｖ ｌａ ｃ Ｐｏ ｒ Ｇｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｙ ｔ ｍ
ＣＨＥ Ａ－ ａ Ｎ ｌ ｎ ，Ｗ ＡＮ Ｗ ｅ — ｕ ，ＤＯＮＧ ｈ ｎ — ｉ ｇ ， ｉ Ｇ ｉｙ Ｓ ｅ ｇ ｙ ｎ ￣ ＺＨＡＮＧ Ｃｈ ｎ ・ ｕ ｅ ｇｈ ｉ
第４ ４卷 第 ６期
２１ ０ ０年 ６ 月
电 力 电子 技 术 Ｐ ｗｅ ｅ ｔ ｃ ｏ ｒＥｌｃｒ ｉｓ ｏ
《电工基础》第5章 正弦交流电路ppt课件
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三、正弦交流电的变化范围
1. 最大值 ：正弦交流电在一个周期所能达到的 最大瞬时值，又称峰值、幅值。
用大写字母加下标m表示，如Em、Um、 Im。
2.有效值 ：加在同样阻值的电阻上，在相同的 时间内产生与交流电作用下相等的热量的直 流电的大小。
用大写字母表示，如E、U、I。
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14
• 用数字万用表测量正弦交流电压时要选择交流
挡，测量的结果是电压有效值；若不慎错用直 流挡，则显示为零。
用直流挡测量市电显示为零
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15
• 用数字万用表测量直流电压时要选择直流挡， 测量的结果是电压平均值；若不慎错用交流挡， 则显示为零 。
用交流挡测量最叠新层课电件池显示为零
16
（1）同一相量图中，相同单位的相量应按相 同比例画出。
（2）一般取直角坐标轴的水平正方向为参考 方向，逆时针转动的角度为正，反之为负。
（3）用相量图表示正弦交流电后，它们的加、 减运算可按平行四边形法则或三角形法则进行。
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§5-3 单一参数的交流电路
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28
一、纯电阻电路
• 只含有电阻元件的交流电路称为纯电 阻交流电路。
QCUCICIC 2XCU XC C 2
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§5-4 LC谐振电路
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51
一、RLC串联电路
• 1．电压三角形 如图所示为RLC串
联电路，为正弦交流 电压，这三个元件流 过同一电流，电流与 各元件电压参考方向 如图所示。
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52
• 设电流的解析式为
iImsint
• 电阻、电感和电容两端的电压分别为
电容箝位五电平H桥变换器拓扑及调制策略
ｍ ＝Ａ Ｉ ：２ （ 一１ Ａ ＭＡ Ａ／ Ｎ ）
以 下 是 电 容箝 位 五 电 平 Ｈ 桥 电路 的 Ｔ ＷＭ Ｐ
调 制方 法 ， ｍ ＝５ ／ ＝ ． ５ 由上 述 关 系 可 取 ０，１ ０ ８ 。 ７ ，
一
３ — ３
低压 电器 （０ １ ｏ １ ２ １ Ｎ ．０）
和 常规 级联 Ｈ 桥 多 电平 变 换 器 中 获得 了 实 际应
用 。但 当 电平 数 进 一 步 增 加 时 ，Ｖ ＷＭ 控 制 将 ＳＰ 极 其 复杂 。 因此 ， 对五 电平 以上 的 多 电平 变 换器 ，
一
ｕａｉ ，ＷＭ） 制技 术是 其研 究 中的一个 关 键 技 ｌｔｎ Ｐ ｏ 控 术 ， 多 电平 变 换 器 拓 扑 结 构 的 提 出是 共 生 的 。 与
与电力传 动。
Ｔｏ ｏ ｏ ｙ ａ ｏ ｌ ｔｏ ｔ ａ ｅ ｙ ｏ ｐａ ｉｏ － ｌ ｍ ｐｅ ｐ ｌ ｇ ｎｄ Ｍ ｄｕ ａ ｉ ｎ Ｓ ｒ ｔ ｇ ｆ Ｃａ ｃｔ ｒ ｃａ ｄ Ｆｉｅ ｌｖ ｌＨ － ｒｄｇ ｎｖ ｒ ｅ ｖ －ｅ ｅ ｂ ｉ ｅ Ｃｏ ｅ ｔ ｒ
１ 个箝位电容 ， 不需要考虑不 同电压等级箝位 电 容的电压平衡 问题 ， 同桥臂箝位 电容的电压 易 不 保持一致 。采用 Ｈ桥结构 ， 各桥臂 间的功率也 容 易保 持平 衡 ， 而降低 控 制 的复杂 程度 ， 从 三相 之 间 彼此 独 立 ， 互 不 容 易产 生 干 扰 ， 相 因此 ， 强 了逆 增
６ 路独立直流电源， 而且电平数越多 ， 需要 的直流
电源 数 量 也 就 越 多 。对 电容 箝 位 型 多 电 平 变 换 器 ， 获 得 五 电平 输 出 ， 相 需 ８个 功 率 器 件 ， 要 每 ６个箝 位 电 容 ， 三 相 只 需 一 个 直 流 电源 。 由于 但
三电平变换器SVPWM控制算法的优化
第39卷第4期河北工业大学学报2010年8月V ol.39No.4JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY August2010文章编号：1007-2373(2010)04-0005-06三电平变换器控制算法的优化黄文美1，张时明1，孙英1，李小鹏2（1.河北工业大学电气工程学院，天津300130；2.天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津300222）摘要对二极管箝位型三电平变换器的SVPWM控制算法进行了研究，提出一种基于非正交120°坐标变换的SVPWM调制简便算法．该算法不仅具有60°坐标变换的优势还具有将三相空间电压标量化的优点，克服了传统SVPWM算法中涉及三角函数运算而导致运算量大的缺点．通过MATLAB7.0进行仿真实验验证了该算法的正确性和有效性．关键词三电平变换器；SVPWM；仿真；MATLAB/Simulink；算法中图分类号TM381文献标识码AAn Optimized SVPWM Algorithm for Three-Level Converter HUANG Wen-mei1，ZHANG Shi-ming1，SUN Ying1，LI Xiao-ping2(1.School of Electrical Engineering,Hebei Univ ersity of Technology,Tianjin300130,China；2.Automation and ElectricalEngineeringCollege,Tianjin Univers ity of Technology and Education,Tianjin300222,Ch ina)An optimized algorithm of SVPWM is researched according to the Neutral Point Clamped of thre e-Level Con-verter.This paper proposes a simplified SVPWM algorithm based on non-orthogonal120°coordinate transformation. It not only has the advantages of60°coordinate transformation,but also has the advantages to turn three-pha se space voltage into scalar.This algorithm overcomes the shortcoming of traditiona l algorithm which will be involved in the ex-cessive calculation of trigonometric f unction.The Simulation experiment is achieved by MA TLAB7.0.And the results proved the correctness and validity of the proposedalgorithm.three-Level Converter;space vector pulse width modulation(SVPWM);simulation;MA TLAB/simulink;algorithm0引言国家“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%，因此节能减排是构建社会主义和谐社会的重大举措．例如变频器在风机水泵类负载上的应用往往可以避免1/3到1/2的无谓电耗[1]．在中高压变频调速、电网无功功率补偿等高压大容量电力电子变换系统中，传统的两电平变换器结构已经无法满足应用要求．为了更好的节能减排，研究者们做了大量的研究工作，提出了多种实现方案，如多重化技术、功率器件的串并联技术、组合变换器的相移技术及多电平技术．多电平技术是目前研究的热点，而三电平技术以器件少、对功率器件的耐压要求低，输出电压电流谐波含量小，因此得到广泛重视和应用．近年来，多电平变换器技术在拓扑结构、控制方法等方面的研究取得重大突破和发展．多电平技术的控制算法归纳起来主要有载波调制法和SVPWM（电压空间矢量脉宽调制控制）两类．SVPWM控制法具有线性调制范围宽、输出谐波小和容易实现数字化控制等特点，尤其在对电机进行控制时还具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点，所以目前多电平PWM控制中大量采用SVPWM控制方法[2-5]．常规的SVPWM控制算法计算量大，要耗费数字处理器大量的存储空间和运行时间．在此，本文提出一种基于非正交120°坐标变换的三电平SVPWM调制算法，该算法不仅具有60°坐收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（556）；河北省自然科学基金（）；教育部科学技术研究重点项目（）作者简介：黄文美（），女（汉族），博士，副教授．2009-09-1409710E20100001082080071970-6河北工业大学学报第39卷标变换的优势还具有将三相空间电压标量化的优点．算法将空间电压参考信号经过120°坐标变换，得到相应的分量，从而计算各矢量的作用时间，无需计算三角函数，大大减少了工作量，使SVPWM 更易于数字化实现．通过MATLAB7.0进行仿真实验，验证了所提出的SVPWM 算法的正确性及有效性．1三电平变换器SVPWM 基本原理1.1二极管箝位式三电平变换器拓扑三电平变换器主要有二极管箝位式和电容箝位式(Capacitor Clamped )．二极管箝位式又称中性点箝位式(Neutral Point Clamped-NPC )．两种结构各有千秋，笔者主要研究NPC 三电平变换器，此结构主要缺点是存在中点不平衡问题[2-3]，笔者在此不作详细讨论，认为中点电位是平衡的．图1为变换器主电路拓扑．图中的每一相均由4个主开关器件、4个续流二极管和2个箝位二极管组成．以A 相为例，当T 1和T 2同时导通时，输出端点对点的电平为DC /2，定义该状态为状态p ；当T 2和T 3同时导通时，点对点的电平为零，定义该状态为状态o ；当T 3和T 4同时导通时，点对点的电平为DC /2，定义该状态为状态n ．所以，该电路每相桥臂能输出3个电平状态，称为三电平变换器．1.2空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量．在图2中，A 、B 、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差2/3，三相定子相电压A、B、C分别加在三相绕组上．可以定义三个定子电压空间矢量使它们的方向始终处于各相绕组的轴线上．则可以定义三个定子电压矢量A、B、C为A=B=2/3C=2/3(1)三相电压为=sin=sin2/3=sin+2/3(2)式中：为三相电压幅值．三相合成矢量为S=2/3(A+B+C)=2/3(+2/3+2/3)==+(3)1.3基本空间矢量NPC 结构中每相有p 、o 、n 3种开关状态，则可以组合33=27种开关状态，分别对应27种空间电压矢量．根据公式(3)可得到图3．由图可见，三电平空间电压矢量共有条基本矢量，可分为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量[6]．图1二极管箝位式三电平变换器结构Fig.1Structure o f neutral point clamp ed of three-lev el converter图3扇区与空间电压矢量图F 3R z 65opo npo nonn p nop nppoppnpon pnn poo ppp oppnpponn o oo nnn oon noo pop oop pno ono nnonop pnponp nnp456Ⅰ331212432465314212151246653465ⅥⅤⅣⅢⅡ3图2异步电动机的定子电压空间矢量Fig.2V oltage vector of motor statorBB1SACCAC 1C 2T 1T 2T 3T 4D 4D 3D 2D1D 5D 627ig.unning one an d vo lta ge ve ctor7黄文美，等：三电平变换器SVPWM 控制算法的优化第4期由图3知，基本矢量将空间电压矢量分布图分成了6个大扇区，每个扇区可以分成6小扇区．根据合成参考矢量确定所在扇区，根据伏秒平衡原则计算作用时间，再确定个开关状态的作用顺序就可以实现SVPWM ．此算法需要计算大量的三角函数，计算量大，运算复杂．因此提出一种新的算法来对SVPWM 进行优化．2SVPWM 的优化2.1坐标变换设非正交120°坐标系为坐标系，取轴与直角坐标系轴重合，逆时针旋转120°即为轴，则坐标系与直角坐标系的关系为=+3=23(4)三相电压在空间上互差2/3，进行3/2变换，在利用公式(4)则可将三相电压变换到非正交坐标系中，则=11/302/3=23101011A B C(5)将公式(5)变为=2/3AC =2/3BC(6)从公式(6)可以看出三相电压在进行空间矢量合成的时候只需要进行标量运算即可，不需要进行矢量运算，简化了计算．将三电平的基本矢量进行变换，即可得120°坐标系的空间矢量图，如图4所示．从图4可以看出，经过坐标变换基本矢量的坐标变为整数，SVPWM 的控制算法变得简单．2.2扇区判断及时间计算2.2.1扇区判断将公式(3)化简为==(7)由于角的范围在(,)，利用公式=3+(8)式中：（）为向上取整函数．根据的值可以确定S落入在区．与扇区号的关系见表1．每个扇区可以如图3分为6个子区间．令=2/DC,=2/DC，根据三角形和三角函数关系可以推出子区间判断关系，推出规则1．规则1：若<1,<1,2<，则=1；若<1,<<2则=2；若>1,<1,<1,>2，则=3；若>1,<1,<2，则=4；若>1,<1,>1,>2，则=5；若>1,>1则=6．依据规则1可以判断落入第一扇区中的子区间，其他扇区可以转化到第一扇区，依据规则进行判断．根据规则还可以判断空间矢量工作在线性调制区或者过调制区，在此不做详细讨论，假设工作在线性调制区．2.2.2时间计算为了减少变换器输出电压的谐波，采用最近三矢量方法选择基本空间电压矢量，以此来合成参考电压空间矢量，即合成参考电压矢量所需的基本矢量应选择参考电压矢量所在区域的最小三角形3个顶点上的矢量．假设合成参考电压矢量位于第一扇区第5小区，如图所示，此时合成参考电压矢量由基本矢量图4第一扇区空间矢量图Fig.4The first running zone and voltage v ector表1P 与扇区号N 的对应关系Tab.1Relation of P andzones123456IVVVIIIIIII434S12(22)6(11)2135(21)(20)(10)548河北工业大学学报第39卷1、2、5合成．根据空间电压矢量的定义可以推出1=12D C,2=DC,5=32DC/6．经变换为1=12,1=02=,2=05=5=12。
储能双向三电平dcdc拓扑
储能双向三电平dcdc拓扑储能双向三电平dcdc拓扑是一种用于能量储存系统的电路拓扑，它可以实现能量在不同能源之间的双向转换。
本文将以储能双向三电平dcdc拓扑为主题，从拓扑结构、工作原理、控制策略等方面一步一步进行详细的阐述。
第一部分：储能双向三电平dcdc拓扑的基本结构和功能储能双向三电平dcdc拓扑是基于多电平变换器的一种降压拓扑结构。
它由两个脉宽调制（PWM）三电平图形逆变器连接在一个中间电感上构成。
其中，输入端连接外部电源，输出端连接储能元件，例如电池或超级电容器。
该拓扑在双向能量转换过程中，可以将高压能源转换为低压能源，并将低压能源转换为高压能源。
储能双向三电平dcdc拓扑的主要功能包括：1. 实现能量储存系统的高效能量转换：该拓扑能够将输入端的能量转换为适合储能元件的电能，并在需要时将储能元件的电能转换为输出端所需的能量。
2. 双向能量流动：该拓扑可以实现能量在不同能源之间的双向转换，使得能源的利用更加灵活和高效。
3. 优化能量传输：该拓扑能够通过PWM技术和多电平变换器的结构优化能量的传输效果，提高系统的效率和稳定性。
第二部分：储能双向三电平dcdc拓扑的工作原理储能双向三电平dcdc拓扑的工作原理如下：1. 入口端工作原理：当输入能源的电压高于设定的储存能量元件的电压时，PWM逆变器产生特定的脉宽调制信号，通过电感和开关元件将能源传输到储能元件中进行储存。
在这个过程中，逆变器中的开关元件被适时开启和关闭，以保持输入电压和输出电压之间的转换效果，同时将电压传输到储能元件中。
2. 出口端工作原理：当储能元件的电能被需要时，PWM逆变器将产生适当的脉宽调制信号，通过开关元件和电感将储能元件中的电能转换为输出端所需的电能。
在这个过程中，逆变器中的开关元件以适当的方式开启和关闭，以保持输入电流和输出电流之间的转换效果，同时将电能传输到输出端。
3. 控制策略：储能双向三电平dcdc拓扑的控制策略通常分为两个部分，即输入端控制和输出端控制。
多电平逆变电路的三种控制方法
多电平逆变电路的三种控制方法多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。
1. 三角载波PWM方法①消谐波PWM（SHPWM）法消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。
为了使M－1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。
消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。
②开关频率最优PWM（SFOPWM）法开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。
它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。
对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。
这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。
但是该方法只能用于三相系统。
因为在单相系统中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。
实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。
所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。
③三角波移相PWM（PSPWM）法三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。
这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。
多电平矩阵变换器系统的数学模型
换器 ． 笔者介绍其拓 扑电路 ， 采用基于空间矢量调 制策略 ， 以电容 电压 、 输入侧 电流和输 出侧 电流 为状 态变量， 立 了由供 建
［］ ｉ＝ｃ 三
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第２ ８卷
第 ４期
吉首大学学报 （ 自然科学版）
Ｊ ｍｋ ｆ ｉ ｏ ｎｖｒｔ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔｎ ， ａ ｏＪ ｈｕＵ ｉｅ ｉ ａ ｌ ｓ ｓｙ（ ａ ｒｌ ｃｅ ｅＥｉｏ） ｕ ｎ ｉ
Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ４ １２ ．
Ｍａｉ Ｃ ｎｅｔ ， ｔｘ ｏｖｒ ｒ简写 ＭＭ ）它的出现为电力电子拓 扑的发展 和变速恒频风力发 电开辟 了一条新思路 ｒ ｅ Ｃ， 三电平矩阵变换器 由 ９个 四象限开关单元组成 的 ３ ×３ 的开关矩 阵， 每个 开关单元是 由 ４个全 控器件 ＩＢ 、 Ｇ Ｔ ４个续 流二极管和 １ 个箝位 电容组成 Ｈ桥开关单元 ， 开关单元 内部 器件的电压总是被 箝位 到一个恒 定 的电容 电压（ 为 设 ） ．
了有“ 绿色变频器 ” 称的传统矩 阵变换器 的 电压 传输 比小 之 于或等 于 ０ ８６的限制 ｊ但是 ， ．６ ． 由于多 电平矩 阵变换器结
第5章采样保持器ppt课件
从以上讨论可知：
采样／保持器是一种用逻辑电平控 制其工作状态的器件。
数据采集与处理
5
SDUT
5.2 采样／保持器的工作原理
它具有两个稳定的工作状态：
跟踪状态
在此期间它尽可能快地接收模拟输入 信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化， 一直到接到保持指令为止。
保持状态
对接收到保持指令前一瞬间的模拟输 入信号进行保持。
(5 3)
式中 I —— 保持电容CH的漏电流。
数据采集与处理
18
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
为了使保持状态的保持电压的变化率不超 过允许范围，须选用优质电容。
增加的值可使保持电压的变化率不大，但 将使跟踪的速度下降。
馈送
馈送— 指输入电压Ui的交流分量通过开 关K的寄生电容CS加到CH上，使 得Ui的变化引起输出电压UO的微 小变化。
数据采集与处理
19
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
CS
-
Ui
K
+ A2
UO
CH
图5.6 馈送的通路
交流分量引起的误差。
保持电容器CH↑，馈送↓，
但不利于采样频率的提高。
数据采集与处理
20
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
跟踪到保持的偏差
跟踪到保持的偏差—
跟踪最终值与建 立保持状态时的 保持值之间的偏 差电压。
为了量化的 准确，应在发出 保持指令后延迟 一段时间，再启 动A／D转换。
数据采集与处理
14
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
由于孔径时间的存在，而产生
孔径误差— 采样／保持器实际保持的 输出值与希望输出值之差。
多电平变换器拓扑关系及新型拓扑
多电平变换器拓扑关系及新型拓扑王琛琛;李永东【摘要】多电平变换器在高压大容量电力电子及交流调速系统中已经得到了广泛应用.本文对多电平发展的历程进行了回顾,分析了多电平拓扑结构之间的联系,提出了通用多电平拓扑简化成其他多电平拓扑所要遵循的规律.在此基础上,提出了两种新的拓扑结构,并对其工作原理和控制方法进行了仿真研究.仿真结果验证了所提出的拓扑和控制方法的可行性,也进一步证明所提出的通用多电平拓扑简化规律的正确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2011(026)001【总页数】8页(P92-99)【关键词】多电平变换器;通用多电平;拓扑;内环辅助钳位【作者】王琛琛;李永东【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;清华大学电力系统国家重点实验室,北京100084;清华大学电力系统国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TM461 引言多电平变换器从产生至今已经有近三十年的发展历史，其间产生了大量的拓扑结构。
研究多电平拓扑的目的是为了实现多电平输出，使变换器能够应用于更高电压等级的场合，提高输出电压的谐波性能。
研究各种拓扑的特点，分析并明晰各种拓扑之间的联系和区别，对于进一步研究拓扑具有重要意义。
本文首先对多电平变换器拓扑的发展做了一个回顾和讨论，整理了多电平变换器发展演变的思路，分析了多电平拓扑之间的联系，提出了通用多电平拓扑简化为其他拓扑的规律，在此基础上提出两种新的多电平拓扑结构，并对其工作原理和控制策略进行了仿真研究。
2 基本拓扑2.1 三极单元变换器实现多电平的最简单直接的方法就是构造一个多级直流电压源串联，且每级都有可控的独立输出通路，如图1a 所示。
这样的思想早在文献[1]中就已经被提出来。
但是受当时开关器件发展水平的限制，文章中采用反并联的晶闸管来实现这个开关的功能，晶闸管不能关断的缺点造成了不同等级电压通路之间的换流过程极其复杂，大大增加了控制的难度。
电力电子中的跟踪控制
摘要多电平变换器的出现很好地解决了高压场合功率元件耐压低的问题，同时降低了单管的开关频率和开关损耗。
降低了开管过程中的电压变化率，减小了电磁噪声，使变换器的输出波形更接近正弦波。
因此，多电平变换器在高压大功率应用场合发挥着不可替代的重要作用。
如在电力系统中的无功补偿、谐波抑制以及高压直流输电，特别是在大容量高压电动机变频调速等领域应用非常广泛。
跟踪控制技术是电力电子领域中非常重要的一种控制方法。
该方法属于闭环控制，可以消除环内干扰。
同时，跟踪控制方法动态响应速度快，鲁棒性强，并且控制算法简单，电路容易实现。
因此，跟踪控制方法广泛地应用于各种电力电子变换装置。
但是，传统的跟踪控制方法存在一些问题。
如：传统定滞环跟踪控制开关频率波动较大。
传统定时比较跟踪控制方法又存在平均跟踪误差。
因此，提出一种算法简单，又能保证系统平均跟踪误差为零且开关频率可控的跟踪控制方法成为国内外专家研究的重要问题。
如果能够将跟踪控制算法应用到多电平变换器当中，将给多电平变换器的控制带来很大的方便。
跟踪控制属于实时闭环反馈控制，不仅可以提高多电平变换器的动态响应速度，还可大大提高多电平变换器的输出精度和抗干扰能力。
因此如何将跟踪控制方法应用于多电平变换领域成为很多专家和学者研究的问题。
本文提出了一种新型的跟踪控制方法。
该方法通过检测跟踪误差的过零信号，动态调整滞环的上下阈值，一方面保证了跟踪的平均误差为零，另一方面保证了恒定的开关频率。
这样，在输出波形中只包含特定次谐波，给滤波器的设计带来了方便。
文中在对这种跟踪控制方法的稳态特性、动态性能分析的基础上，将其推广到多电平变换器当中。
文章对这种基于误差过零点检测的多电平跟踪控制方法的电平跳变的机理进行了研究。
根据这一机理提出了相应的控制算法，并对电平跳变的动态过渡过程进行了分析。
本文利用Matlab仿真软件完成了基于S函数的Simulink仿真平台的搭建，实现了基于误差过零点检测的多电平跟踪控制方法的仿真研究。
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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
多电平变换器基础
1)主电路中的每个开关器件承受一部分直流母线电压，可以采用 较低耐压的器件组合来实现高压大功率输出，且无需动态均压电 路。 2)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波 形的畸变(THD减小)。 3)可以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的 输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。 4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输 出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小，在中、高压 大电机驱动中，有效防止电机绕组绝缘击穿，同时改善了变换器 装置的EMI特性。
多电平变换器基础
图10 多电平变换器与电机集成系统示意图
多电平变换器基础
图11未经调制的五电平输出波形(线电压为九电平)
多电平变换器基础
图12 采用调制的五电平输出波形(线电压为九电平)
二极管钳位式多电平变换器
1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。 3)可控制无功功率流向。 4)背靠背连接系统控制简单。 1)需要较多钳位二极管。 2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 3)存在直流分压电容电压不平衡问题。
多电平电力电子变换器
多电平电力电子变换器，简称多电平变换器。这 种变换器正是为适应于集成系统的发展，为提高 系统性能和适应性而提出来的。一般来说，多电 平变换器具有更多的开关器件和较复杂的拓扑结 构。上一节的两电平变换器拓扑特性分析也适用 于多电平变换器。但是与两电平变换器拓扑不同， 多电平变换器拓扑具有自己本身独有的特点。
图5 变换器的基本拓扑单元
图6 变换器的基本拓扑单元以及开关轨迹
基于器件特性的变换器基本拓扑单元
1)通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经 电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。 2)阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与 两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。 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一 定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。 4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时 间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。 5)无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即开关器 件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受开关器 件恢复特性的影响。
图1 双向可控理想开关的 开关轨迹
图2 组合式与非组合式双向可控开关
变换器的基本拓扑单元
1)具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。 2)具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。
变换器的基本拓扑单元
图3 n相输入p相输出开关 矩的两种形式
表2 二极管钳位式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系
电容悬浮式多电平变换器
1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 3)可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。 4)大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 1)需大量的钳位电容。 2)用于纯无功负载时，存在悬浮电容电压的不平衡。
变换器理想开关的定义
4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流经电流在零时间内 降为零。 5)双向可控开关，处于通态时，其流通电流方向可正可负；处于 阻态时，其两端的承受电压可正可负，即在其电压电流相平面图 上，其工作区域为两坐标轴，如图3-27所示。 6)相对于实际器件，理想器件还具有这样的特性，即其通态和阻 态时间宽度可以无限小(即没有最小脉宽限制)。
3.4.3 电容悬浮式多电平变换器
图14 电容悬浮式五电平变换器 示意图(一个桥臂)
电容悬浮式多电平变换器
表3 电容悬浮式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)
表4 电容悬浮式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系
级联式多电平变换器
① uaz1(Ud1=Ud2=E)；uaz2(Ud1=E,Ud2=2E)；uaz3(Ud1=E,Ud2=3E)。 ② 用隔离电压极性相反串接得到所需的电平，在实际应用中一般 不采用。 1)直流电源电压难以平衡。 2)直流电源有较突出的功率平衡问题(如1∶3结构)。 3)器件选型复杂。 1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 3)无需钳位二极管或钳位电容，易于封装。 4)基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块 化，较适于7或9电平及以上的多电平应用场合。 5)易采用软开关技术。
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
基于器件特性的变换器基本拓扑单元
6)开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限 制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。 1)开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率， 必须在额定的范围内。 2)两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的 情况。 3)因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关动作之间存 在一定的“死区”。 4)因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制 存在最小脉宽。 5)两个开关的动态特性相互影响。
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。