多电平逆变器

1第4部分：多电平逆变器24.2H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4.1简介34.1简介串联H桥逆变器:英文CascadedH-Bridge,CHB2D3D4D1D3S4S1S2SdCdVABv4H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。4.2H桥逆变器2D3D4D1D3S4S1S2SdCdVABv1g2g3g4g5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。6Vm：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。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。1.双极性调制法72.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。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,可忽略。8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0和+Vd之间切换，在负半周期，则只在0和-Vd之间切换。9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。4.3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105电平串联H桥逆变器结构11S31S41S21SE12S32S42S22SE1Hv2HvANEEBEECH1H2O111.逆变器每相可输出含有5个不同电平的相电压。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。3.当S31、S41、S32和S42导通时，为-2E。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为负载侧端点A相对于负载的中性点O的电压。工作过程11S31S41S21SE12S32S42S22SE1Hv2HvANH1H21213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。12Hm串联H桥逆变器输出电压的电平数为m，器件数为nSM：m：逆变器输出电平数nSM:器件数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)1(6mnSM14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。157电平和9电平串联H桥逆变器一相的结构A13S33S43S23S11S31S41S21SEE1Hv2Hv12S32S42S22SE3HvA11S31S41S21SEE1Hv2Hv12S32S42S22S13S33S43S23SE3Hv14S34S44S24SE4Hv16A5A4A3A2A1B1B2B3B4B6C1C2C3C4C5100%电压输出VACVBAVCBABC120TYP.No每相6个功率单元每个功率单元电压为630V输出相电压为630V线电压达6600VA6C6B513电平串联H桥逆变器结构176KV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18POWERCELLB1POWERCELLA1POWERCELLC1POWERCELLA2POWERCELLB2POWERCELLC2POWERCELLC3POWERCELLB3POWERCELLA3高压电机CENTRALCONTROLSYSTEM功率单元LOCALCONTROLS三相高压输入三相变压变频高压输出FIBEROPTICS集成一体式变压器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19三个单元输出的电压叠加得到一相的电压波形(3300V输出)CELL1单元1CELL2单元2CELL3单元3COMPOSITE合成dv/dt20•串联H桥逆变器中，不同的功率单元也可由不同电压的直流电源供电。•当采用不同电压的直流电源供电时，在每相H桥单元数不变的情况下，逆变器输出的电压电平数目可以增加。结论：当功率单元数目一定时，H桥逆变器通过采用不同的直流侧电压输出电压的电平数目进一步提高成为可能。2.直流侧电压不相同的串联H桥逆变器212Hv11S31S41S21SE12S32S42S22SE2H1H2A1Hv2Hv11S31S41S21SE12S32S42S22SE3H1H2A1HvH桥单元H1和H2的直流电压：E、2E7电平：3E、2E、E、0、-E、-2E、-3EH桥单元H1和H2的直流电压：E、3E9电平：4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E、4E22234.4基于载波的PWM调制法多电平逆变器中，基于载波的调制方法可分为两类：移相载波调制:应用多个幅值和频率相同的三角载波与一相正弦波比较，任意两个相邻的三角载波要有相移。移幅载波调制:应用多个幅值和频率相同的三角载波与一相正弦波比较，所有载波垂直排列。三角载波幅值为移相法中1/(m-1）。241.移相载波调制法M个电平的逆变器调制：)1/(3600mcr调制正弦波：调制信号通常为幅值和频率都可调节的一相正弦波（三相三个）。通过调制波和载波比较，可以产生所需要的门(栅)极驱动信号。三角波载波：需要(m-1)个三角载波。所有三角载波均具有相同的频率和幅值，但是任意两个相邻载波的相位要有相移，其值为：7电平逆变器：每相3个功率单元、6个三角载波、相邻三角载波间相差60˚9电平逆变器：每相4个功率单元、8个三角载波、相邻三角载波间相差45˚13电平逆变器：每相6个功率单元、12个三角载波、相邻三角载波间相差30˚19电平逆变器：每相9个功率单元、18个三角载波、相邻三角载波间相差20˚结论：25Vcr1、Vcr2、Vcr3：产生桥上部三个开关器件S11，S12和S13的门极信号Vcr1-、Vcr2-、Vcr3-：与载波Vcr1、Vcr2、Vcr3分别有180°的相移，分别用来产生H桥单元上部三个开关器件S31、S32和S33的门极信号。所有H桥单元下部开关器件的门极信号，与对应上部器件的门极信号互补。该控制法本质上为单极性调制法。262.移幅载波调制法M个电平的逆变器调制：调制正弦波：调制信号通常为幅值和频率都可调节的一相正弦波（三相三个）。通过调制波和载波比较，可以产生所需要的门(栅)极驱动信号。三角波载波：需要(m-1)个三角载波。所有三角载波均具有相同的频率和幅值，所有载波垂直排列。频率调制系数：mcrfffm/幅值调制系数：)1(ˆˆmVVmcrma式中：为调制波的峰值，为各三角载波电压的峰值。mVˆmvcrVˆ27典型的移幅载波调制法：IPD:In—PhaseDisposition（同相层叠法）所有载波的相位完全相同。APOD:AlternativePhaseOppositeDisposition（相邻反相层叠）任意相邻的两个载波相位相反。POD:PhaseOppositeDisposition（正负反相层叠）在零参考线以上的所有载波同相位，零参考线以下的所有载波相位也相同，但与零参考线以上的载波反相。三种调制法中，IPD方法效果最好。因为电压谐波小。28IPD法APOD法POD法29IPD法工作过程11crcrvv、用来产生单元H1中功率器件Sll和S3l的门极信号22crcrvv、用来产生单元H2中功率器件S12和S32的门极信号33crcrvv、用来产生单元H3中功率器件S13和S33的门极信号功率器件的平均开关频率为:)1/(,mffcrdevsw307电平逆变器采用移幅载波调制方法时的仿真波形逆变器的输出相电压Van由7个电压电平组成，线电压则有13个电平。相电压和线电压中的谐波主要都为以mf为中心的边带谐波。相电压包含有三的整数倍次谐波，如：mf和mf±6。其中mf为主要低次谐波，而这些谐波不会出现在线电压中。线电压的THD仅约为10.8％，低于相电压的THD18.6％。31不同调制系数时的谐波情况线电压的THD：当ma=0.2时，THD=48.8％当ma=0.4时，THD=25.2％当ma=0.6时，THD=17.2％当ma=0.8时，THD=13.1％32实际运行波形333.移相和移幅载波PWM方法的比较比较条件：•两种方法中的器件开关频率相同•ma=0.2时Hzfdevsw600,结果：•移相调制法：各H桥单元的输出波形几乎相同，只是有一个比较小的相移而已，所以功率器件具有几乎完全相同的开关频率和导通时间。相电压与移幅法相同，线电压VAB的THD为96.7％•移幅调制法：单元H1和H2的输出电压和一直为零，功率器件不动作；H3的开关频率等于载波频率，即3600Hz。相电压与移幅法相同，线电压VAB的THD为48.8％NOTE：为了使所有单元中的功率器件开关频率和导通时间平均分配，各单元的开关方式应该采用一定的循环方法。34移幅调制法：Vab在E～2E(-2E～-E)之间切换移相调制法：Vab在0-2E(-2E～0)之间切换3536移相和移幅载波调制法的比较表比较移相载波调制法移幅载波调制法（采用IPD）功率器件开关频率所有器件相同不同器件不相同功率器件导通时间所有器件相同不同器件不相同开关方式循环不需要需要逆变器输出电压的THD好更好374.5阶梯波调制方法7电平逆变器三个H桥单元的输出电压38当时，相电压可用傅里叶级数表示：2/0123)sin())cos()cos()(cos(14,...5,3,1321nwtnnnnEvnAN/4ˆˆˆ1max.1EHVVHVmANHANa1ˆANV式中，n为谐波次数；、和为3个独立的开关导通角；为一个H桥单元的最大输出基波电压的峰值。例如H桥单元的导通角0°，其输出H1的基波电压峰值即为。3个独立的开关导通角可用来消除Van中的两个谐波，同时满足调制因数的需要，即123/4Emax.ˆHV/4E式中：为逆变器输出相电压基波含量的峰值H为每相所含H桥功率单元的个数1ANv39对于一个7电平串联H桥逆变器来说，一般应消除5次和7次谐波，从而有:0)7cos()7cos()7cos(0)5cos()5cos()5cos(3)cos()cos