单元级联型多电平高压变频器的分析

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1、华中科技大学硕士学位论文1.2高压变频器的拓扑结构电压源型高频变频器的拓扑结构可以分为两大类：“高-低-高”间接型结构和“高[4-5]-高”直接型结构。“高-低-高”间接型结构采用了低压通用变频器，变频器输入侧通过一台降压变压器连接电网，变频器输出侧通过一台升压变频器向高压电动机供电。这种结构方式存在体积大、中间低压环节电流大、效率较低等缺点，且限于中间低压通用变频器的容量，只适用于500kW以下小容量高压电动机的调速。“高-高”直接型结构则无输出变压器，主要有两电平、三电平和多电平等结构。两电平结构“高-高”直接变频型高压变频器采用功

2、率开关管串联技术，将多个低耐压的功率开关管串联起来构成一个等效的高耐压功率开关管，并直接采用成熟的低压的二电平变频器的控制技术。功率开关管串联使用的关键是要解决功率开关管的动态均压问题。国内外的学者在功率开关管串联使用方面做了很多研究，文献[6]提出了一种解决IGBT串联使用时动态均压电路，目前也有采用功率开关管串联技术的高压变频器出现市场上。这种结构的优点是可以直接采用成熟的控制技术，控制简单，其缺点是功率开关管的动态均压难、输出电压du/dt过大、需要输出滤波器等。T1D1D5D2T2三相负载T3D6D3D4T4图1-1三电平NPC

3、电路“高-高”直接型高压变频器应用得最多的还是三电平结构和多电平结构。三电平拓扑结构是由德国学者Holtz于1979年首次提出的，其主电路是在常规两电平结构的基础上，在每相桥臂上增加一对开关，以辅助中点钳位。后来经日本学者Nabae等人改进，把辅助中点钳位的开关改为一对二极管，与母线分压电容的中点连接，这种功[7-8]率变换器被称为三电平中点箝位（NeutralPointClamped,NPC）功率变换器。三电平NPC电路如图1-1，其关键是要稳定分压电容中点电压，需要有一套辅助电路和控[9-11]制算法控制分压电容中点电压。三电平NP

4、C逆变器是二极管箝位型逆变器中研究2华中科技大学硕士学位论文得最充分的一种，在实际中也得到了广泛应用，瑞士ABB公司的ACSI000和德国西门子公司SIMOVERT系列中高压变频调速装置便是基于三电平NPC逆变器实现的。三电平功率变换器结构提出后，经过后来许多学者的努力，发展了三种得到实际[7][12-13][14-16]应用的多电平逆变器拓扑结构：二极管箝位结构、飞跨电容箝位结构和H[17-18]桥单元级联结构。图1-2为这三类多电平逆变器的单相示意图。二极管箝位型多电平逆变器应用时在拓扑方面遇到的难点有：①箝位二极管的数量是电平数的

5、二次方，当电平数较高时，所需箝位二极管的数量非常大，一方面使系[18]统在布局上难以实现，另一方面这些箝位二极管的反向恢复设计困难；②当二极管箝位型多电平变换器被用于传递有功功率时，每个直流母线分压电容的充电与放电时间不同，使得它们的电压不平衡，从而致使输出电压发生畸变，甚至实现不了期望的多电平输出。针对第一个问题，解决问题的方向是研究新型的拓扑，以减小箝位二极管的数量。文献[19]提出了一种用两电平桥臂代替箝位中点得到的五电平拓扑结构，文献[20]提出了一种用两电平桥臂代替正负母线得到的五电平拓扑结构。针对中点电位不平衡问题，主要是通

6、过改进硬件电路和控制方法来实现。从改进硬件电路方面看，可以对每个电平采用电压调节器，或者利用独立直流电压源，前一种方法需要增加开关器件，后一种方法需要增加隔离变压器。有学者提出了一种“背靠背”连接方式，即用两个相同的多电平拓扑来分别构成整流器和逆变器的多电平驱动系统，这种结构[21]可以解决中点电位不平衡问题。大量文献研究了通过改进控制方法来实现中点电位[22]平衡的方法，一般都是通过选取空间矢量的冗余开关状态中合适的矢量来实现的。(a)二极管箝位式(b)飞跨电容箝位式(c)H桥单元级联式图1-2多电平逆变器的三种拓扑结构3华中科技大学

7、硕士学位论文飞跨电容箝位结构去掉了二极管箝位结构中的大量箝位二极管，不再存在箝位二极管的反向恢复设计困难的问题，且通过一定的控制方式，可以很好地解决中点电位不平衡问题[23-24]。但是，飞跨电容箝位结构引入了大量的悬浮电容，由于电容可靠性差，易损坏，且价格比二极管高，所以飞跨电容箝位结构的多电平逆变器可靠性差，价格昂贵，并不是一种理解实用的拓扑结构。H桥单元级联型多电平逆变器是目前应用得最为广泛、最为成熟的一种高压变频器拓扑结构。级联型拓扑最早由R.H.Baker等人于1975提出并申请了专利，但该专利技术在此后的很多年都没有得到推广

8、应用。最早出现在市场的单元级联型拓扑结构的变频器是美国西屋电气公司的基于晶闸管的逆变器，该公司于1986年对单元级联型变频器技术申请了专利，该发明提出高压逆变系统可由独立的标准低压功率单元串联形成。西屋公司