二极管箝位级联多电平变换器仿真研究.doc

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1、二极管箝位级联多电平变换器仿真研究收藏此信息打印该信息添加：丁凯邹云屏王展吴智超允来源：未知 1引言1981年由日本东芝公司的nabae等人提出的多电平功率变换技术及其思想是近来在高压大功率应用领域研究的一个热点。其一般思想是利用独立的直流电源或一系列的电容来产生较小的阶梯电压从而最终输出较高电压的交流波形。由于输出电压有很多个阶梯，从而可以使输出的电压波形具有较小的谐波和较低的dv/dt。一般说来，电平数越多，其分辨率越高，那么输出电压波形越逼近正弦波。多电平变换器按其拓扑结构划分可分为:级联型[1]、二极管箝位型[5]和飞跃电容型多电

2、平变换器，在这三种拓扑结构中级联型变换器由于其结构模块化等优点逐渐成为国外在多电平研究领域的一个热点[1-4,6]。图1所示为一级联型变换器，它由两个两电平的变换器串联而成，其输出电压是合成两个逆变模块输出电压而形成的。设每个两电平变换器的直流母线电压为e，容易得到[3]图1所示的级联型变换器的输出电压共有五个电平分别为:+2e、+e、0、-e、-2e，通过实时适当地控制变换器中的开关器件来控制这两个逆变模块的输出电压，从而可以控制整个变换器的输出电压使之逼近正弦。比如可采用优化阶梯波[6]、消谐波pwm[4]等方法进行调制。一般情况下，

3、假设一个多电平变换器输出电平数为n，开关函数为s，那么单相输出电压可以由下式表示[2]:其中e为最小电压分辨率，s＝0,1,…,n-1。图1级联多电平变换器如图1所示的级联型变换器有五电平，即n为5，若s取0、1、2、3、4五个不同的值时，则输出电压vo分别为:-2e、-e、0、+e、+2e共五个电平。图2为一个二极管箝位多电平变换器，设输入直流母线电压为2e，容易得到[5]输出电压vo有五个电平，由式(1)得:vo＝(s－2)e(2)其中e为最小电压分辨率，s=0,1,2,3,4若当s取0、1、2、3、4五个不同的值时，输出电压vo则分

4、别为:-2e、-e、0、+e、+2e。那么控制二极管箝位多电平变换器中每个器件的开通和关断可以使输出电压逼近正弦波形，不同的控制策略可以得到不同的效果。图2二极管箝位多电平变换器图3为飞跃电容多电平变换器示意图，其基本原理与二极管箝位相同，其拓扑中的箝位电容取代二极管箝位变换器中的箝位二极管。2一种新型的二极管箝位级联多电平变换器图1中所示的级联多电平变换器的理论基础是将进行了相对位移的复合两电平的变换器模型连接起来，其输出多电平波形是通过矢量合成每个变换器的输出电压而形成的。本文在这种传统的级联多电平变换器基础上提出的一种新的拓扑结构，

5、这种新型拓扑结构的思想是将多个三电平的二极管箝位多电平变换器模型串接起来，其输出的电压是通过合成每个二极管箝位变换器的输出电压而形成的。下面以两个二极管箝位变换器模块单元串联为例来分析这种新型的拓扑结构。图4新型二极管箝位级联多电平变换器如图4所示，假设每个变换器单元的直流母线输入电压为2e，那么对于逆变单元一来说，它可以输出电压vab为+2e、+e、0、-e、-2e共5个电平，同理，逆变单元二输出电压vbc也可输出+2e、e、0、-e、-2e。通过级联，整个单相二极管箝位级联变换器的输出电压vac可以为+4e、+3e、+2e、+e、0、

6、-e、-2e、-3e、-4e共9个电平。根据(1)式可得:其中s=0、1、2、3、4、5、6、7、8，e为最小电平分辨率。据上述分析，图4中所示电路的输出电压vac就可以通过开关函数s来决定其输出电压的电平等级，比如当s＝7时，vac＝+3e。表1所示为图4中的二极管箝位级联多电平变换器的输出电压及其相应开关器件的一组开关状态。表1开关器件开关状态表由于每个二极管箝位变换器输出某些相应电压时的开关组合不止一种，比如逆变单元一输出＋e时可以有两种开关组合，所以上面表格所提供仅仅是一组开关状态。因为输出某些电平时开关器件的开关状态可以有多种不

7、同的组合，所以这将给控制带来多种选择并使控制变得更加复杂，但这种冗余性可以在直流母线电容电压不平衡问题上提供解决方法，并可根据具体情况进行优化控制。3消谐波pwm法[4]消谐波pwm(subharmonicpwm)是适用于多电平变换器控制的一种传统的pwm控制方法。它的基本原理是变换器的每一相使用一个正弦调制波与几个三角波进行比较。例如对于一个n电平的变换器，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰－峰值ac的三角波与一个频率为fm,幅值为am的正弦波相比来控制开关器件的开关状态。为了使n-1个三角载波所占的区域是连续的，他们在空间上是紧

8、密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。对于图4所示的这种拓扑结构，输出电压共有9个电平，那么需要用一个正弦调制波与8个三角波进行比较,如图5所示，当时，开关状态s=8，此时变换器输出电