多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化解析.docx
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多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化解析
多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化
摘要:
近年来，在高压大功率应用领域多电平功率变换技术得到了广泛的关注，成为电力电子领域中学者研究的热点。
与传统逆变器相比多电平逆变器的主要缺点需要很多开关器件，但是由于电压在开关器件或单元模块的平均分配，可采用低耐压的功率器件，所以多电平逆变电路并没有在开关方面成本增加。
本文在电平钳位基础上对多电平逆变电路拓扑结构进行了分类，分析了几种典型多电平电路拓扑的优缺点。
对几种多电平电路的PWM控制方法进行了比较分析，讨论了各种方法适用的主电路结构。
主要是在研究传统级联多电平、混合级联多电平、飞跨电容型多电平逆变电路、二极管钳位级联多电平的基础上，提出了一种基于基本单元组合的多电平逆变电路设计方法。
根据本文的研究思想，不仅可以得到已有的多电平逆变电路的拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构从而将多电平逆变拓扑结构的研究统一在基本结构单元的范畴之内，并结合PSpice软件仿真分析。
关键词：
多电平；电平钳位；拓扑结构；级联式；基本单元组合
Themultilevelinvertercircuittopologystructureandsimulationoptimization
Abstract：
Inrecentyears,thehighpressurehigh-powerapplicationfieldmultilevelpowertransformationtechnologyisreceivedextensiveattention,becomethepowerelectronicfieldscholarsresearchhotspot.Comparedwiththetraditionalinvertermultilevelinverterthemaindisadvantageneedmanyswitchingdevice,butbecausethevoltageinswitchingdeviceorunitofthemoduleaveragedistribution,canusethelowvoltagepowercomponents,sothemultilevelinvertercircuitsandnotintheswitchofincreasedcost.
Inthispaperbasedontheclampinglevelofmultilevelinvertercircuittopologystructureareclassified,andanalyzessometypicalmultilevelcircuittopologyadvantagesanddisadvantages.SeveralofthecircuitofmultilevelPWMcontrolmethodswerecomparedandanalyzed,andthemethodisdiscussedawidemaincircuitstructure.Mainlyinthestudyoftraditionalcascademultilevel,mixedcascademultilevel,diodesclampingcascademultilevelwasputforwardonthebasisofabasicunitbasedonthecombinationofmultilevelinvertercircuitdesignmethod.Accordingtothispapertheresearchidea,notonlycanreceivetheexistingmultilevelinvertercircuittopology,andcanbeaseriesofnewtopologicalstructureisderivedandthetopologicalstructureofthemultilevelinverterunifiedinbasicresearchstructureunitwithinthecategory,andcombinedwithMATLABsoftwarecopy.
KeyWords：
Themultilevel;Leveltheclamping;Thetopologicalstructure;Cascade;Thebasicunit
目录
第1章绪论1
1.1多电平逆变技术概述1
1.2多电平逆变技术进展与现状4
1.3研究目的4
1.4多电平逆变器的应用5
第二章多电平逆变电路的主电路拓扑分析8
2.1二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑8
2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理8
2.1.2二极管钳位式多电平逆变电路10
2.1.3电容悬浮式多电平逆变电路12
2.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路13
2.2飞跨电容型多电平逆变电路14
2.2.1飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理14
2.2.1飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点16
2.3级联式多电平逆变电路16
2.3.1级联型多电平逆变电路的结构和工作原理17
2.3.2H桥逆变单元17
2.3.3对称全桥逆变电路18
2.3.5混合电路串联逆变电路19
2.3.4级联型多电平逆变电路优缺点21
2.3本章小结22
第三章基于基本单元的级联式多电平逆变电路23
3.1基本单元的介绍23
3.2由基本结构得到的多电平逆变拓扑23
3.3功率单元串联级电平逆变电路26
3.4本章小节27
第四章仿真研究28
4.1仿真平台28
4.2仿真及结果28
4.3本章小节30
结论31
致谢32
参考文献33
第一章绪论
近年来，在大功率应用领域多电平功率变换技术得到了很广泛的应用。
成为电力电子领域学者研究的热点。
大量新型的拓扑和相应调制策略的产生，使多电平技术得到了飞速的发展。
1.1多电平逆变技术概述
近年来，应用于高压大功率领域的多电平逆变器引起了电力电子行业的极大关注。
由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平逆变器通常采用“高—低—高”方式经变压器降压和升压来获得高压大功率，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重化来实现，这使得系统效率和可靠性下降。
因而，人们希望实现直接的高压逆变技术。
基于电力电子器件直接串联的高压变频器对动静态的均压电路要求较高，并且输出电压高次谐波含量高，需设置输出滤波器。
多电平逆变电路的提出为解决上述问题取得了突破性的进展。
多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。
这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形的谐波含量减小，开关所承受的电压应力减小，无需均压电路，可避免大的dv/dt所导致的电机绝缘等问题。
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[1]，提出了二极管钳位式逆变电路。
Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构[2]。
多电平逆变器主要应用在高压大功率电机调速、无功补偿、有源滤波等领域。
在过去二十多年里，研究者们进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，归纳起来大致可分为以下四类：
（1）功率器件的串并联技术
这是一种最简单和直接的方案，为了用小功率的开个器件实现大功率变换，将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流，这个看似简单的方法，由于功率器件参数的离散性，虽好增加；而器件均流，对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。
同时，对于器件串并联，驱动电流的要求也大大提高，要求延迟时间 接近，并尽量短。
在管段过程中，由于恢复性能的差异，输了众多的吸收电路也是必不可少的，降低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波该收没有任何贡献，因而应用范围受到一定的局限。
（2）逆变器并联技术
逆变器并联技术是将多个小容量的逆变器并联运行，并联逆变器的数目可以根据系统需要的容量来确定。
这种方法的优点是:
易于实现逆变器模块化，可以灵活扩大逆变系统的容量。
易于组成N+1个并联冗余系统，提高运行的可靠性和系统的可维护性。
逆变器并联技术的难点是需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、N+1冗余与热切换三大技术。
（3）组合逆变器相移SPWM技术
组合相移SPWM技术，其基本思想是：
在一个由n个模块（每个模块就是一个普通的两电平逆变器）组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻的模块的三角载波相位相差2π/（nKc），（其中Kc是三角载波与调制波的频率比）。
这一相位差使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波形的等效开关频率提高到原来的nKc倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。
从广义上说，相移SPWM组合逆变器，也是一种多重化技术。
不同于上面所述的输出电压多重化，这里采用是三角载波的多重化，因此简化了输出变压器的设计。
图1.1（a）、（d）所示的为几种电压型相移SPWM组合逆变器的拓扑。
图1.1（a）、（b）所示为并联型逆变器，通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各逆变器单元交流侧的电流谐波未被抵消。
其中有中线回路的结构中含有三次及其倍数次谐波，因而需要更大的电感滤波。
图1.1（c）所示的串联型逆变器通过电压叠加实现电流中谐波的抵消，逆变器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型的逆变器更小。
图1.1（d）所示为并联型的串联型的组合方式。
（a）有中线回路的并联型逆变器（b）无中线回路的并联型逆变器
（c）串联型逆变电路（d）并—串逆变型电路
图1.1电压型相移SPWM组合逆变器拓扑
相移SPWM组合逆变器的优点为：
可采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。
缺点为：
仍然需要工频变压器，增加了系统的损耗和成本，没有减小功率器件的电压应力。
（4）多电平逆变器技术
多电平逆变器技术是一种通过改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器，它无需升降压变压器和均压电路。
由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小。
多电平逆变器技术已成为电力电子学中以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。
多电平逆变器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下突出优点。
（1）每个功率器件仅承受一的母线电压为电平数，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。
（2）电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变（THD）。
（3）可以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形，因而开关损耗小、效率高。
1.2多电平逆变技术进展与现状
自1980年日本学者A.Nabse提出三电平中点钳位式逆变电路以来，经过多年的发展，现已行成钳位式和级联型两大类多种样式的多电平逆变电路拓扑结构[3]。
近年来许多学者致力于探索新型的多电平逆变电路的拓扑结构，如1998年M.D.Manjrdkar等提出了基于不同电压等级的级联型混合多电平逆变电路[4]，浙江大学的陈阿莲、何湘宁等提出了一种改进级联型多电平逆变拓扑[5]，王学华提出了一种单相复合式三电平逆变器[6]等，丰富了多电平逆变电路的拓扑形式。
于此同时，人民也在不断寻找通用的多电平拓扑结构，KeithCorzine等人提出了级联型多电平电路的统一拓扑结构[7]，为了设计和构造新型多电平逆变电路拓扑提供一种新的思想。
但目前仍然未能形成构建多电平逆变拓扑系统性理论和方法。
1.3研究目的
近年来，世界各国都非常重视中高压功率变换技术的研究。
是当前电力电子技术最新发展动向之一。
其中多电平逆变电路的拓扑优化是其中最受关注的话题之一。
由于传统的逆变电路输出的PWM脉冲波电平数很少，因此存在很高的电压变化率和共模电压，而且波形谐波含量较大。
为了解决这一些问题，发展各种多电平逆变电路已成为现在发展的重点。
目前中高电压等级（2-10KV、500-40000KW甚至更高）的变频器不像低压变频器那样成熟，具有抑制的拓扑结构，而是限于目前功率器件的电压耐量和高压使用的矛盾，导致拓扑结构复杂多样。
也是因为功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需要，多电平逆变电路的拓扑优化研究更具有研究发展前景[8]。
比如高-低-高结构的体积大、成本高、效率低、可靠性低、低频时能量传输困难；单元串联多重化结构必须有笨重的输入变压器进行高压分割、使用开个器件太多、控制复杂等缺点更坚定了多电平逆变电路拓扑优化的研究目的。
多电平逆变器相对于普通双电平逆变器更适合大容量、高电压的场合，而且可产生M曾梯形输出电压，对阶梯波在做调节可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小，电磁干扰问题大大减轻，效率高而且多电平逆变电路可用较低频率进行开关动作，开关频率低，损耗小，效率提高。
多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究对于解决逆变器在高压领域的不足有很大的实际意义，发展多电平逆变电路不仅可以弥补传统的双电平逆变电路在高压逆变领域的缺陷，而且可以补充高-低-高结构、交交变频、单元串联多重化结构等结构的不足。
多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究是逆变器发展中的研究核心，是未来高压逆变领域的热点和发展中心。
1.4多电平逆变器的应用
多电平功率逆变器的应用领域非常广泛,包括电力系统中的无功功率补偿、大功率的电力传动和可再生能源系统等。
具体介绍如下：
（1）高压变频调速系统
中高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的一个重要领域，在大电机调速中，传统的两电平高频逆变器存在以下几个问题：
输出电压的电流，除了基波分量外，还含有一系列的谐波分量，这些谐波会使电机产生转矩脉动，使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。
在中压场合，提高频率一定程度上可以克服上述某些缺点，但又容易导致较高的dv/dt和浪涌电压，在电机的线圈中产生很大的共模电压，这样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿，而且开关器件所产生的电压应力和开关损耗将降低电机效率，同时产生很高的EMI（10KHZ-30MHZ），将干扰周围电子设备，高电压等级更是受到限制，功率因数低。
而多电平逆变器工作在工频时，可在一定程度上克服上述几个问题。
将多电平逆变器用于高压变频器领域，不但可以提高逆变器的电压等级，还可以减少逆变器输出端的谐波含量和开关损耗，提高功率因数，动态性能稳定和效率高等，在高压大容量交流调速领域日益收到重视，是目前较理想的高压变频方式，该方式工作原理是利用多电平功率逆变器叠加合成正弦电压波形，随着电平数的增加，合成阶梯波形分级越多，合成的电压畸变越小。
其优点是可使用常规低压功率开关器件实现高压变频调速技术，并从根本上解决谐波及EMI问题，还可避免较高的dv/dt导致电动机损坏[9]。
（2）静止无功补偿器
无功补偿作为灵活交流输电技术的一个重要组成部分，一直是国内外相关专业领域内的研究热点。
无功补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿器,即晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器之后，随着现代功率半导体器件的应用与新颖功率变换电路及控制技术相结合，产生了新型无功补偿装置：
静止调相机（STATCOM）。
STATCOM是按照调相机的原理，由新型大功率固体电子元件构成的可调节逆变器、直流电容器组和输出变压器等组成的无转动结构的静止无功补偿装置，核心是电压源逆变器（VSI）。
由于具有上述优点，F.Z.Peng首次提出级联多电平STATCOM概念以来，并引起了广泛关注。
1999年，世界上首台级联多电平STATCOM工业装置在英国EastClayton变电站投入运行，其容量为75Mvar[10]。
这标志着级联多电平STATCOM技术已进入实用化阶段。
（3）有源电力滤波器
电能质量的改善是电力系统面临的一项重要课题。
在众多谐波治理方案中,有源电力滤波器（APF）可以起到瞬时补偿电力系统谐波、无功功率、电压波动、负序等作用，在国内外得到了广泛的研究。
然而，要实现大容量的谐波补偿，需要APF具有较大的装置容量。
由于目前电力电子器件容量、价格及其串并联技术等的限制,装置容量大势必使初始投资大，并且大容量还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题，从而限制了APF的进一步发展。
近年来，多电平逆变器在高电压领域得到越来越广泛的应用,特别是在减小电网谐波方面有着非常良好的应用前景。
清华大学的李永东教授研制出级联多电平结构APF。
浙江大学的张仲超教授将相移SPWM技术应用于级联多电平结构APF，器件开关频率仅为600HZ，取得了很好的滤波效果。
美国田纳西大学的F.Z.Peng等人采用二极管箝位五电平结构，研制出统一电能质量调节器，滤波之后系统电流的THD仅为3%。
清华大学的韩英铎教授采用二极管箝位三电平拓扑结构，研制出并联电能质量补偿器器。
实验结果表明，该滤波器的性能明显优于普通两电平APF。
（4）高压直流输电（HVDC）
在远距离输电（跨地域输电），非周期输电（非同步）的电力系统实现联网方面,高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量（少一根输电线），直流输电需要构造超大功率的整流和逆变装置。
级联型多电平变流器输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量低,并有很高的可能性，,再加上其模块化设计的简单结构，因此在高电压级别的高电压直流输电中也得到较多的应用。
如巴西伊太普HVDC工程运行电压最高为600KV，输送功率为3100MW，线路长8000KM，它代表当今水平。
它代表当今HVDC水平。
我国葛洲坝一上海南桥500KV，输电工程建设中也用了该项技术。
在高压变频器领域，多电平技术还将在未来很长一段时间里占居明显优势。
在无功补偿、有源滤波器、高压直流输电领域，采用多电平拓扑的工业装置将慢漫进入实用化阶段。
随着高压大容量电力电子装置需求的日益加大，多电平技术作为电力电子技术的核心技术之一，将对中国电力系统未来的发展起到至关重要的作用,而且其产业化也展示了诱人的前景。
运用多电平技术来改造传统的电力工业，使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作，也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。
第二章多电平逆变电路的主电路拓扑分析
多电平逆变器就是把多个功率器件按一定的拓扑规律连接起成可以提供多种电平输出的逆变电路，再使用适当的逻辑控制将多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。
世至今已提出多电平逆变电路的多种主电路拓扑结构，目前应用较为广泛的几种有以下三大类。
（1）二极管或电容箝位的多电平逆变电路拓扑，包括二极管箝位式、电容悬浮式、电容电压自平衡式3种。
（2）飞跨电容型多电平逆变电路。
（3）级联型多电平逆变电路。
2.1二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑
2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理
二极管箝位型结构如图2.1所示。
其结构特点是利用多个二极管对应相应的开关元件进行箝位，解决了功率器件串联的均压问题。
输出线电压电平数NL、电容个数NC与相电压电平数NP的关系为：
NL=2NP-1（2.1）
NC=NP-1（2.2）
以二极管箝位型五电平逆变器单臂电路分析，分压电容C1=C2=C3=C4，因此VC1=VC2=VC3=VC4；每相桥臂有8个开关器件S1-S8串联，每4个开关器件同时处于导通或者关断状态，其中（S1,S5）、（S2,S6）、（S3,S7）、（S4,S8）为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个一定关断，反之亦然，DC1、DC1'、DC2、DC2'、DC3、DC3'为箝位二极管。
五电平逆变器的输出电压与开关状态之间关系如表2.1所示。
表2.1五电平逆变器的输出电压与开关状态之间的关系
输出电压
开关状态
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
Vdc/2
1
1
1
1
0
0
0
0
Vdc/4
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
-Vdc/4
0
0
0
1
1
1
1
0
-Vdc/2
0
0
0
0
1
1
1
1
注：
表中“1”表示开关器件导通状态，“0”表示开关器件关断状态。
图2.1二极管箝位型五电平逆变器单臂电路
对于n电平的二极管箝位型逆变器拓扑，每个桥臂需要（n-1）个直流分电压容，2（n-1）个主开关器件，（n-1）（n-2）个箝位二极管[11]。
通过组合三个相同的但比电路，利用相同的分压电容，可以容易得到三相电路，如图2.2所示。
在传统的二极管箝位型多电平逆变器中，当电平数超过三时，箝位二极管因需要阻断多倍电平电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。
例如在图2.1中，DC1由鱼需要阻断两倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联；DC2'和DC2需要阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相同的二极管串联，DC3需要阻断三倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联。
图2.2二极管箝位型五电平三相逆变器主电路
2.1.2二极管钳位式多电平逆变电路
二极管箝位式多电平逆变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。
图2.3是二极管箝位式5电平逆变电路拓扑结构，它具有4个电容，能输出5电平的相电压，线电压为9电平。
对于M电平电路，直流侧需M－1个电容，能输出M电平的相电压，线电压为（2M－1）电平。
它的输出电压和输出电流的总谐波畸变率都大大减小。
这种结构有显著的优点，即利用二极管进行箝位，解决了功率器件串联的均压问题。
但是，二极管箝位式多电平变频器也有如下缺点。
（1）虽然开关器件被箝位在Vdc/（M－1）电压上，但是二极管却需要不同倍数的Vdc/（M－1）反向耐压。
如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，如图2-4（a）所示，其数目为（M－1）（M－2）/2，当M很大时，增加了实际系统的实现难度。
（2）当逆变器只传输无功功率时，电容器在半个周期内由相等的充电和放电来平衡电容电压。
但是当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。
图2.3二极管钳位式五电平逆变电路
上述的二极管箝位式多电平逆变电路中的二极管承受电压不均匀，若按照最大值选择则造成浪费，如果多管串联又会产生均压问题。
因此，在1999年XiaomingYuan提出了一种新的结构[12]，如图2.4（b）所示。
它的器件个数和开关控制的方法
（a）二极管串联钳位（b）二极管自钳位
图2.4二极管钳位的新结构
和原来的结构完全相同，只有二极管的放置位置不同。
该结构不但将开关管的电位箝位在单个电容电压，而且箝位二极管也被箝位在单个电容电压以内，从而解决了箝位二
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