多電平技術(shù)及其在電力牽引中的應(yīng)用

1、v多電平變換器v多電平變換器PWM 控制技術(shù)v多電平技術(shù)在電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用v結(jié)論一、多電平變換器4v兩電平變換器不適合于高壓大功率場(chǎng)合v一、半導(dǎo)體開關(guān)承受的關(guān)斷電壓等級(jí)受到限制雖然通過(guò)開關(guān)的串聯(lián)方式可以提高變換器的電壓等級(jí)，通過(guò)開關(guān)并聯(lián)方式可以提高變換器的電流等級(jí)，但前者需要采取均壓措施，后者需要采取均流措施，在實(shí)現(xiàn)上需要復(fù)雜的輔助電路，而且往往效果并不理想。兩電平變換器兩電平變換器5兩電平變換器兩電平變換器vNabae等人于20世紀(jì)80年代初提出多電平變換器的思想。多電平變換器主要采用器件箝位或輸出串聯(lián)等方式將低壓的功率開關(guān)器件連接在一起， 實(shí)現(xiàn)了高電壓、大容量。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平

2、臺(tái)階(典型情況是電容電壓)合成階梯波以逼進(jìn)正弦輸出電壓。v多電平變換器相對(duì)傳統(tǒng)兩電平變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)：v1）每個(gè)功率管承受的電壓應(yīng)力大幅降低；v2）相同開關(guān)頻率下，輸出諧波含量大幅降低；v3）功率管開關(guān)損耗降低。v由于以上優(yōu)點(diǎn)，多電平變換器在高壓大功率場(chǎng)合得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。v多電平變換器從目前所見到的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看， 最終可歸結(jié)為3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：v二極管箝位型多電平變換器v級(jí)聯(lián)多電平變換器v飛躍電容型多電平變換器三相五電平二極管箝位型逆變器v對(duì)這種類型的m電平三相電路，需直流分壓電容(m-l)個(gè)串聯(lián)，每橋臂主開關(guān)器件2(m-1)個(gè)串聯(lián)，每橋臂的箝位二極管數(shù)量(m-1)(m-2)個(gè)

3、，每(m-l)個(gè)串聯(lián)后分別跨接在正負(fù)半橋臂對(duì)應(yīng)開關(guān)器件之間進(jìn)行箝位。v二極管箝位多電平變換器的特點(diǎn)如下v優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下工作，開關(guān)損耗小，效率高v可控制無(wú)功功率流vback -to -back 連接系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單v缺點(diǎn)：需要大量箝位二極管v用單個(gè)變換器難以控制有功功率流v存在電容電壓不平衡問(wèn)題三相級(jí)聯(lián)五電平逆變器v由兩個(gè)單相全橋電路級(jí)聯(lián)而成v每個(gè)獨(dú)立直流電源給一個(gè)單相全橋逆變器供電v 不同電平逆變器的交流電壓串聯(lián)v不再需要前種電路中的大量箝位二極管，但需要多個(gè)獨(dú)立電源。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)這種類型的m電平三相電路，需要3(m -1)/2個(gè)獨(dú)立電源，6(m-1)個(gè)主開關(guān)

4、器件，3(m-1)個(gè)分壓電容。v優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)超多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高v無(wú)需箝位二極管和電容，易于封裝v基于低壓小容量變換器級(jí)聯(lián)的組成方式，技術(shù)成熟、易于模塊化v可采用軟開關(guān)技術(shù)，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路v不存在電容電壓平衡問(wèn)題v缺點(diǎn)：需多個(gè)獨(dú)立電源三相五電平飛躍電容逆變器v與二極管箝位多電平變換器不同，這種電路采用的是飛跨在串聯(lián)開關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進(jìn)行箝位的。該電路的電壓合成更為靈活，即對(duì)于相同的輸出電壓，可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到。這種開關(guān)組合的可選擇性，為這種電路用于有功功率變換提供了可能性。對(duì)這種類型的m電平三相電路，需開關(guān)器件6(m-1

5、)個(gè)，直流分壓電容3(m-1)個(gè)以及箝位電容3(m-l)(m-2)/2 個(gè)。v優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少v器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高v可控?zé)o功和有功功率流，可用于高壓直流輸電v不同的開關(guān)組合，可得到電壓平衡v缺點(diǎn)：需大量的箝位電容v用于有功功率傳輸時(shí)，控制復(fù)雜，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大v存在電容電壓不平衡問(wèn)題v所以其相對(duì)于前兩種拓?fù)鋺?yīng)用較少。v二、多電平變換器PWM 控制技術(shù)v對(duì)于傳統(tǒng)兩電平變換器的PWM 控制，其方案有許多種，從追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦，從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等。目前，常用的兩電平PWM 算法有載波調(diào)制法、電壓空

6、間矢量調(diào)制法、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)調(diào)制法等。v多電平變換器PWM 技術(shù)主要對(duì)兩方面的目標(biāo)進(jìn)行控制：輸出電壓的控制，即變換器輸出的脈沖序列在伏秒意義上與參考電壓波形等效；變換器本身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關(guān)的輸出功率平衡控制、器件開關(guān)損耗控制等。v多電平變換器的PWM 控制方法主要有：載波PWM 方法、空間電壓矢量(SVM)法和優(yōu)化PWM方法等。v載波調(diào)制PWM控制技術(shù)是通過(guò)載波和調(diào)制波的比較，得到開關(guān)脈寬控制信號(hào)。v由于多電平變換器需要多個(gè)載波，因此在調(diào)制生成多電平PWM 波時(shí)有兩類基本方法：v第一類方法，首先多個(gè)幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個(gè)調(diào)制波比較，

7、得到多電平PWM 波，即載波層疊法。這類方法可直接用于二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)的控制。v第二類方法，用多個(gè)分別移相、幅值相同的三角載波與調(diào)制波比較，生成PWM 波分別控制各組功率單元，然后再疊加，形成多電平PWM 波形，稱為載波移相法，一般用在級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容箝位型結(jié)構(gòu)。v為實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)和性能指標(biāo)，如電容電壓的平衡、優(yōu)化輸出諧波、提高電壓利用率，開關(guān)管功率平衡等。解決途徑主要有以下三方面：v通過(guò)多載波，即改變?nèi)禽d波之間的相位關(guān)系，如各載波同相位、交替反相、正負(fù)反相、以及載波移相。v調(diào)制波上加入相應(yīng)的零序分量v對(duì)于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容箝位型結(jié)構(gòu)、以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)當(dāng)橋臂

8、上輸出相同的電壓時(shí)，可以有多個(gè)不同的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)，不同的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)上述一些性能指標(biāo)的影響是不同的，選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)組合就可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)v多電平特定諧波消去法（SHEPWM）是以優(yōu)化輸出諧波為目標(biāo)的優(yōu)化PWM 方法，它過(guò)在預(yù)先確定的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)特定開關(guān)的切換，產(chǎn)生預(yù)期的最優(yōu)SPWM控制，以消除選定的低頻次諧波。vSHEPWM一種基于傅立葉級(jí)數(shù)分解、計(jì)算得到開關(guān)時(shí)刻的PWM 方法。v從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM 波形。v把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)

9、處理，便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，電壓利用高的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無(wú)論在開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛應(yīng)用。v多電平變換器的輸出三相電壓中包含非零序分量和零序分量。通常情況下零序分量對(duì)負(fù)載的運(yùn)行性能沒(méi)有影響，但是輸出的零序分量不同時(shí)，逆變器輸出的開關(guān)狀態(tài)也不同，從而影響了多電平電路的運(yùn)行狀態(tài)和優(yōu)化性能。v針對(duì)上述特點(diǎn)，可以將多電平變換器的PWM控制分為兩個(gè)部分：輸出電壓的非零序分量控制，使輸出的PWM 脈沖在伏秒平均意義上和給定的參考電壓一致；對(duì)零序分量控制，實(shí)現(xiàn)逆變器本身的運(yùn)行狀態(tài)控制，以及其它性能指標(biāo)的優(yōu)化控制。v對(duì)多電平載波PWM方法和空間矢量PWM方法的研究可以看出

10、，這兩類方法的思路和出發(fā)點(diǎn)不同，但最終都能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。由于這兩種方法都是基于一個(gè)采樣周期內(nèi)的電壓積分等效的思路，其控制本質(zhì)是相同的。v二者可以得到嚴(yán)格的統(tǒng)一，而統(tǒng)一的橋梁正是零序電壓。v兩電平PWM的空間矢量方法向載波調(diào)制方法的統(tǒng)一：對(duì)于載波PWM方法，其調(diào)制波為三相正弦波， 當(dāng)疊加適當(dāng)?shù)娜嗔阈螂妷悍至?，就可以得到等效的空間矢量PWM輸出。v借鑒兩電平的結(jié)論，三電平空間矢量PWM也可以統(tǒng)一到載波調(diào)制方法當(dāng)中。但是將三電平載波調(diào)制和空間矢間PWM聯(lián)系在一起的零序電壓與兩電平里的結(jié)論不盡相同。采用60坐標(biāo)變換方法，載波比較采用PD方式，可以得到三電平空間矢量和載波調(diào)制PWM之間的一般性的

11、數(shù)學(xué)描述。v三、多電平技術(shù)在電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用v 多電平變換器具有輸出波形THD值小、器件電壓應(yīng)力低和系統(tǒng)EMI低等優(yōu)點(diǎn)。v 應(yīng)用領(lǐng)域從最初的DC-AC變換，如大功率電力機(jī)車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，拓展到AC-DC變換，如電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波，到AC-DC-AC變換，如電力系統(tǒng)統(tǒng)一潮流控制器，再到DC-DC變換，如多電平PFC、高壓大功率直流變換等。v 柔性交流輸電、高壓直流輸電和高壓大型電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是目前多電平變換器應(yīng)用的主要領(lǐng)域。此外多電平變換器在UPS、新能源等領(lǐng)域也有所應(yīng)用。v傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)存在以負(fù)序、無(wú)功和諧波為主的電能質(zhì)量問(wèn)題和機(jī)車過(guò)電分相問(wèn)題，極大地限制了其在高速、重載鐵路方面

12、的發(fā)展。為解決這些難題，提出了基于綜合潮流控制器的同相供電系統(tǒng)方案。與傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)相比，同相供電可取消過(guò)分相裝置；補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波，提高電能質(zhì)量；補(bǔ)償兩臂有功電流差，解決不平衡問(wèn)題；平衡牽引變兩臂負(fù)荷，有效提高運(yùn)能。v傳統(tǒng)潮流控制器普遍釆用兩電平電壓源變換器，根本無(wú)法滿足實(shí)際牽引負(fù)荷高電壓、大容量的需求。v為了適應(yīng)高壓大容量牽引供電要求，降低開關(guān)器件應(yīng)力，降低器件開關(guān)頻率，減小器件開關(guān)損耗和輸出電壓值，該潮流控制器基于二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)。v五電平PFC由“背靠背”的二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)四象限電壓源型變流器組成，兩端口變流器通過(guò)四個(gè)直流電容耦合在一起。v針對(duì)五電平PFC傳遞有功時(shí)造成直流側(cè)電容不平衡問(wèn)題，采用了基于單級(jí)電容的輔助穩(wěn)壓電路。v同相模式下是單臂供電，假設(shè)相為供電臂；異相模式時(shí)為正常供電方式下的雙臂供電，即、兩臂同時(shí)為機(jī)車供電。v交流傳動(dòng)是我國(guó)鐵道牽引動(dòng)力發(fā)展的一個(gè)重要方向， 交一直一交變流器包括四象限整流器環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和三相逆變器環(huán)節(jié)。v脈沖整流器作為動(dòng)車組的電源側(cè)變流器，可以提高電網(wǎng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)電流諧波含量。v三電平SVPWM逆變器把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動(dòng)機(jī)提供可調(diào)頻率和可調(diào)幅值的三相交流電源，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)三相輸出電壓波形控制牽引電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩。提高逆