湖南大学现代电力电子技术第7章学习教案.pptx

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1、会计学1湖南大学现代湖南大学现代(xindi)电力电子技术第电力电子技术第7章章第一页，共46页。第第7章章 多电平多电平(din pn)变换器变换器 6.1 6.1 多电平变换器概述多电平变换器概述6.2 6.2 多电平变换器拓扑多电平变换器拓扑(tu p) (tu p) 6.3 6.3 多电平变换器多电平变换器SPWMSPWM技术技术6.4 6.4 多电平变换器多电平变换器SVPWMSVPWM技术技术6.5 6.5 多电平变换器多电平变换器SHESHE技术技术第1页/共46页第二页，共46页。7.1 多电平多电平(din pn)变变换器概述换器概述 一、多电平功率一、多电平功率(gngl)

2、(gngl)变换器的需求领域及特点变换器的需求领域及特点 1 1、中压变频调速、中压变频调速 2 2、柔性直流输电、柔性直流输电 3 3、灵活交流输电、灵活交流输电 多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点：无需输出变压器和动态(dngti)均压电路，开关频率低,因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染少等。特点：高电压、大功率、功率器件开关频率低、 较少谐波含量、降低电压变化率第2页/共46页第三页，共46页。7.1 多电平多电平(din pn)变变换器概述换器概述 二、多电平变换器的拓扑形式：二、多电平变换器的拓

3、扑形式：(1) (1) 二极管箝位型逆变器二极管箝位型逆变器(2) (2) 飞跨电容飞跨电容(dinrng)(dinrng)型逆变器型逆变器具有独立电源的级联型逆变器具有独立电源的级联型逆变器模块化多电平变换器模块化多电平变换器 这三种结构具有共同的优点：(1) 电平数越高，输出电压谐波(xi b)含量越低；(2) 器件开关频率低，开关损耗小；(3) 器件应力小，无需动态均压。第3页/共46页第四页，共46页。7.1 多电平多电平(din pn)变变换器概述换器概述 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(dinl)。 1980年日本的A Nabae

4、等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电路(dinl)。 Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广(tugung)到多电平的结构。1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出了飞跨电容箝位型逆变电路， 1975年P.Hammond提出了多个H桥采用隔离的直流电源作输入，输出端串联的结构。田纳西大学的FZPeng等人于1996年系统地提出了级联型H桥型变流器的拓扑结构，并用于无功补偿。三、发展历程三、发展历程第4页/共46页第五页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 一、二极管中点一、二极管中点(zhn din)钳位多电平变换

5、器钳位多电平变换器Dpasa1sa2sa1sa2sb1sb2sb1sb2sc1sc2sc2sc1DnaDnbDncDpbDpcV/2V/20电路电路(dinl)拓扑：拓扑：第5页/共46页第六页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 输出Va0开关状态开关状态Sa1Sa2Sa1Sa2V/2110000110-V/20011V/2-V/2Va0开关开关(kigun)状态状态第6页/共46页第七页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 1. 电阻负载（电压电阻负载（电压(diny)与电流同相与电流同相)二极管钳位二极管钳位M电平电平(di

6、n pn)逆变器在不同负载时的特点逆变器在不同负载时的特点第7页/共46页第八页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 V/2V/20V/2V/20开关模式开关模式 00开关开关(kigun)模式模式01第8页/共46页第九页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 V/2V/20开关模式（开关模式（10）V/2V/20开关开关(kigun)模式（模式（11）第9页/共46页第十页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 负半周的分析方法相同。从分析知在负半周的分析方法相同。从分析知在10状态，电容状态，电容

7、C1放电，放电， 0 -1状态，电状态，电容容C2放电放电,1 -1状态，电容状态，电容C1C2放电，显然两个放电，显然两个(lin )电容的放电时间电容的放电时间不同。表明其上的电压将不会相同不同。表明其上的电压将不会相同2. 电阻电感负载电阻电感负载(fzi)（电流滞后电压（电流滞后电压)第10页/共46页第十一页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 V/2V/20V/2V/20模式模式(msh)00模式模式(msh)0 -1第11页/共46页第十二页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 模式模式(msh)1 -1V/2V/2

8、0模式模式10V/2V/20第12页/共46页第十三页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 从分析在电感性负载时，知在从分析在电感性负载时，知在10状态，电容状态，电容C1充电，充电，0 -1状态，电容状态，电容C2充电，充电，1 -1状态，电容状态，电容C1 C2充电。显然两个电容的充电时间充电。显然两个电容的充电时间(shjin)不同。表明其上的电压不同。表明其上的电压将不会相同将不会相同但当负载是纯电感时，由于滞后角为但当负载是纯电感时，由于滞后角为90度，在一个度，在一个(y )周期中电容的充放周期中电容的充放电平衡，电容电压将保持平衡电平衡，电容电压将

9、保持平衡二极管钳位二极管钳位M电平逆变器的问题电平逆变器的问题钳位二极管需要更高的电压值钳位二极管需要更高的电压值若各级电压由电容产生，则电容电压不平衡，这若各级电压由电容产生，则电容电压不平衡，这与电流与电压间的相位有关与电流与电压间的相位有关各开关的导通时间不同各开关的导通时间不同第13页/共46页第十四页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 V/40V/4V/4V/4sa1sa2sa3sa4sb1sb2sb3sb4sc1sc2sc3sc4sc1sc2sc3sc4sb1sb2sb3sb4sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2第14页/共46页第十五页，共4

10、6页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 输出Va0开关状态开关状态Sa1Sa2Sa3Sa4Sa1Sa2Sa3Sa4V/211110000V/401111000000111100-V/400011110-V/200001111V/2-V/2V/4-V/4Va0第15页/共46页第十六页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 V1 V2V2V2V1V1+ V2V2+V1V1+V2+V1V1+V2+V1+V2二极管钳位二极管钳位5电平电平(din pn)逆变器也同样如此逆变器也同样如此第16页/共46页第十七页，共46页。7.2 多电平多电平(d

11、in pn)变换变换器拓扑器拓扑 每个电容的放电时间，每个开关每个电容的放电时间，每个开关(kigun)的工作时间均不的工作时间均不相同，这引起各个电容电压的不平衡，即电压值不相等相同，这引起各个电容电压的不平衡，即电压值不相等V2V1V1V2第17页/共46页第十八页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 纯电感负载时，每个电容的放电纯电感负载时，每个电容的放电(fng din)时间相同，在一个开时间相同，在一个开关周期中各个电容电压平衡，即电压值相等关周期中各个电容电压平衡，即电压值相等V2V1V1V2第18页/共46页第十九页，共46页。7.2 多电平多电平

12、(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 从上面的分析知，电路工作时每个开关的导通时间不一样从上面的分析知，电路工作时每个开关的导通时间不一样，即开关的电流负荷不一样；每个电源工作的时间也不一，即开关的电流负荷不一样；每个电源工作的时间也不一样，若电源由大电容构成，负载含耗能元件时，电容上的样，若电源由大电容构成，负载含耗能元件时，电容上的电压一定不一样。电压一定不一样。 整流时，能量由交流侧流向直流侧电容充电；逆变时能量整流时，能量由交流侧流向直流侧电容充电；逆变时能量由直流侧流向交流侧，电容放电。由于电容的电压变化，由直流侧流向交流侧，电容放电。由于电容的电压变化，每个电源（电平）为常值的假定

13、每个电源（电平）为常值的假定(jidng)不能确保成立。不能确保成立。 为确保电压的平衡，每个电平电压用独立的直流电源来实为确保电压的平衡，每个电平电压用独立的直流电源来实现。但系统过于复杂现。但系统过于复杂第19页/共46页第二十页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 将将M电平整流器（电平整流器（4QC）与）与M电平逆变器背靠背电平逆变器背靠背连接可以在有功控制时保持电容电压的平衡连接可以在有功控制时保持电容电压的平衡 当电平级数足够多时，输出电压中的谐波就足够当电平级数足够多时，输出电压中的谐波就足够小可以不用输出滤波器小可以不用输出滤波器 开关频率仅为基

14、频，系统开关频率仅为基频，系统(xtng)效率高；效率高； 无功功率可完全控制无功功率可完全控制 对背靠背系统对背靠背系统(xtng)，控制方法简单，控制方法简单 电平级数越高，需要的钳位二极管越多电平级数越高，需要的钳位二极管越多 单独的逆变器难以控制有功单独的逆变器难以控制有功第20页/共46页第二十一页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 二、电容飞跨二、电容飞跨(fi ku)M电平逆变器电平逆变器C10C4C3C2sa1sa2sa3sa4sb1sb2sb3sb4sc1sc2sc3sc4sc1sc2sc3sc4sb1sb2sb3sb4sa1sa2sa3sa

15、4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3第21页/共46页第二十二页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 每个电容上的电压均相等，电容电压为常值每个电容上的电压均相等，电容电压为常值电路中电容的串联指示电压值电路中电容的串联指示电压值内部环路平衡电容相互独立内部环路平衡电容相互独立三相间环路平衡电容相互独立三相间环路平衡电容相互独立三相共用直流侧电容三相共用直流侧电容电平级数的定义与二极管钳位逆变器相同电平级数的定义与二极管钳位逆变器相同下面进行简单的讨论下面进行简单的讨论对半桥对半桥A A相，考虑输出端子相，考虑输出端子(dun z)(dun z

16、)对直流母线对直流母线的负端的电压的负端的电压第22页/共46页第二十三页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 41aaSSdcaVV0导通导通C1C4C3C2sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a0aVo第23页/共46页第二十四页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 导通导通4/30dcaVV,4321,aaaaSSSS,1432,aaaaSSSS,2431,aaaaSSSSC1C4C3C2sa1sa2sa3sa4V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a0aVo第24页/共

17、46页第二十五页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 导通导通,1432,aaaaSSSSC10C4C3C2sa2sa3sa4sa1V2V1V1V2ca3ca3ca3a4/30dcaVV,2431,aaaaSSSS导通导通C10C4C3C2sa1sa3sa4sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a4/30dcaVV第25页/共46页第二十六页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 C10C4C3C2sa1sa2sa4sa3V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVVC10C4C3C2sa

18、3sa4sa2sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV,4,321,aaaaSSSS2/0dcaVV,2,143,aaaaSSSS第26页/共46页第二十七页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 C10C4C3C2sa1sa3sa4sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVVC10C4C3C2sa1sa4sa3sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV2/0dcaVV,4,231,aaaaSSSS,3,241,aaaaSSSS第27页/共46页第二十八页，共46

19、页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 C10C4C3C2sa2sa4sa3sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3aC10C4C3C2sa2sa3sa4sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a2/0dcaVV,3,142,aaaaSSSS,4,132,aaaaSSSS第28页/共46页第二十九页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 C10C4C3C2sa1sa3sa4sa4sa3sa2V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a4/0dcaVVC10C4C3C2sa4sa3sa2sa1V2V

20、1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a4/0dcaVV4/0dcaVV,4,3,21,aaaaSSSS,3,2,14,aaaaSSSS第29页/共46页第三十页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 4/0dcaVVC10C4C3C2sa3sa4sa2sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3a第30页/共46页第三十一页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 00aV,4,1,aaSS导通导通C10C4C3C2sa3sa2sa1V2V1V1V2ca1ca2ca2ca3ca3ca3asa4第31页/共46页第

21、三十二页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 从上面从上面(shng min)(shng min)的分析知，飞跨电容方案的分析知，飞跨电容方案是利用环路平衡电容与直流侧电容的反串以实是利用环路平衡电容与直流侧电容的反串以实现电平的变换的。现电平的变换的。 在变换有功功率时（电压与电流同相）有可能在变换有功功率时（电压与电流同相）有可能通过使用冗余的开关组合来实现各个电容电压通过使用冗余的开关组合来实现各个电容电压的平衡，但这种选择是很复杂的，开关频率因的平衡，但这种选择是很复杂的，开关频率因此比基频高，损耗大此比基频高，损耗大 主电路中没有钳位二极管，但需要很多

22、钳位电主电路中没有钳位二极管，但需要很多钳位电容每个电容的电压值相同容每个电容的电压值相同 当级数足够多时，波形中谐波足够小当级数足够多时，波形中谐波足够小 有功与无功均可以控制有功与无功均可以控制第32页/共46页第三十三页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 三、级联型三、级联型M电平电平(din pn)逆变器逆变器模块结构模块结构每级逆变器需要独立的直流源（有功）每级逆变器需要独立的直流源（有功）不需要钳位二极管或电压平衡电容不需要钳位二极管或电压平衡电容电平数电平数2 2倍级联数倍级联数1 1输出波形为各级输出波形为各级( j)( j)联逆变器之和联逆变

23、器之和当相电流与相电压相差当相电流与相电压相差9090度，各级度，各级( j)( j)逆变逆变器的电容电压平衡（充放电相等）可不需要独器的电容电压平衡（充放电相等）可不需要独立的直流源立的直流源第33页/共46页第三十四页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 as1s2s3s4s1s2s3s4s1s2s3s4ns1s2s3s4第34页/共46页第三十五页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 随着随着(su zhe)(su zhe)级联数的增加谐波分量减小级联数的增加谐波分量减小开关频率低、损耗很小，效率高开关频率低、损耗很小，效率

24、高有功无功均可控制有功无功均可控制可以应用软开关技术可以应用软开关技术不需要额外的箝位元件不需要额外的箝位元件调制信号可预先安排调制信号可预先安排有功控制需要独立电源有功控制需要独立电源特点特点(tdin)第35页/共46页第三十六页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 四、模块化多电平四、模块化多电平(din pn)逆变器逆变器随着电力电子器件的发展，越来越多的高频大功率的开关器件开始应用于电力领域，因此，多电平变换器也得以进入一个全新发展的时期。其中模块组合多电平变换器（ Modular Multilevel Converter，MMC）由于其诸多优点得到了

25、众多研究者的青睐。MMC 通过(tnggu)多路脉冲控制多个功率模块进行组合产生高电压，由于其有公共的直流母线，因此具有四象限运行能力，可以实现诸如逆变、整流、负序补偿等工况。第36页/共46页第三十七页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 它由6个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接且结构相同的子模块(sub module，SM)与一个电抗器三串联构成，上下(shngxi)2个桥臂构成一个相单元。根据MMC的模块化设计，6个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。 与以往VSC拓扑结构显著不同的是，模块化多电平换流器在直流侧正负极之间没有

26、直流储能电容。 第37页/共46页第三十八页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 交流电抗器L 有两个作用，一是减小相电流变化率，使其平滑；二是抑制相间环流。假设每个功率(gngl)模块的电压都稳定为Uc，那么在投入功率(gngl)模块数为 N的情况下，对应的公共直流母线的电压为Vdc = N*Uc。 MMC 的电路结构高度模块化，功率(gngl)模块可以互换，因此使用非常灵活，扩展性也更强。第38页/共46页第三十九页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 子模块(m kui)拓扑结构 子模块由T1 、T2两个绝缘栅双极晶体管IG

27、BT，及与之反并联(bnglin)的二极管D 1和D2构成。C 为子模块电容。第39页/共46页第四十页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 正常情况下，每正常情况下，每个子模块共有个子模块共有4 4种种工作模式工作模式: :（a a）正向导通）正向导通 （b b）反相旁路）反相旁路（c c）反相导通）反相导通 （d d）正相旁路，）正相旁路， 通过使用不同通过使用不同的控制策略对的控制策略对IGBT IGBT 进行控制，可以实进行控制，可以实现电容现电容(dinrng)(dinrng)电能的规律性储存电能的规律性储存和释放。和释放。第40页/共46页第四十一页

28、，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 各桥臂子模块等效(dn xio)为交流电压源，便于电路的分析。P和N分别表示换流器直流侧的正负直流母线，它们相对于参考地的电压分别为Vdc2和-Vdc2。由于换流器中3个相单元具有严格的对称性，以u相为例，VPu和VNu分别是等效(dn xio)u相上、下桥臂可控电压源电压；Vu为u相交流输出侧的电压；iPu和iNu分别为上、下桥臂电流，其它两相意思相同； 第41页/共46页第四十二页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变变换器拓扑换器拓扑 第42页/共46页第四十三页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换变换器拓扑器拓扑 第43页/共46页第四十四页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 第44页/共46页第四十五页，共46页。7.2 多电平多电平(din pn)变换器拓扑变换器拓扑 将式(1)中的上、下两式相加，得到(d do) 在不考虑冗余的情况下，一般要求(yoqi)上、下桥臂的子模块对称互补投入，即任意时刻，每相应保留一半的子模块处于投入状态。因此开关管必须满足 这里以u相为例分析MMC的基本工作原理，由基尔霍夫电压定律可以得到分别为上、下桥臂中上开关管导通的个数。第45页/共46页第四十六页，共46页。