多电平技术及其在电力牵引中的应用

多电平技术的应用场景介绍

多电平技术及其在电力牵引中的应用

2015/11/22

多电平技术的应用场景介绍

1、多电平变换器研究的背景及意义

随着社会工农业生产规模的不断扩大，对能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持续发展。

电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消耗，而其中的90%被交流电动机消耗。

因此，对于交流电动机的变频调速研究，存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电能损失。

而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约，传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。

本文以逆变器为主介绍多电平技术及其在电力牵引上的一些应用。

2、多电平逆变器研究现状

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。

多电平逆变器的思想从提出至今，出现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：

(1) 二极管箝位型逆变器

(2) 飞跨电容型逆变器

(3) 具有独立电源的级联型逆变器

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。

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2.1二极管箝位型多电平逆变器

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。

1980年日本的A Nabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电路。

Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。

对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电压和输出电流的总谐波畸变率越小。

在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。

若要得到更多电平数，如N电平，只需将直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)

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个，每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位，再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。

1、二极管箝位型逆变器的优点：二极管箝位结构的显著优点：就是利用二极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适于高电压场合。

由于没有两电平逆变器中两个串联器件同时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，du/dt小，对电机负载的冲击小等。

2、二极管箝位型逆变器的缺点：但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。

2.2飞跨电容型多电平逆变器

1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出了如图2所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路，其特点是用箝位电容代替图1中所述的箝位二极管。

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直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位型逆变器相似。若要输出更多的电平，须按照层叠接法进行扩展。因此也称为多单元层叠型逆变(Imbricated Cell Multi-level Inverter)。同样对于三相N电平逆变器可输出N电平相电压，(2N-1)电平的线电压。

对于三电平电容箝位型拓扑，如图2所示，当S1，S2同时导通时，Uan=E/2，而S1'，S2' 同时导通时，输出Uan=-E/2。但是对于输出Uan为0电平时，导通的开关既可以是S1，S1’，又可以是S2’，S2。这个电路的要点是维持箝位电容C1的端电压等于E/2；该电容器在S1，S1’闭合时充电，在S2，S2’闭合时放电。适当地选取0电平的开关组合，C1上的充电和放电的电荷可以达到平衡。

1、飞跨电容型逆变器的缺点：但由于该结构需要大量的箝位电容，对于N电平的逆变器，其所需的悬浮电容需要(N-1)(N-2)/2个。而且在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的运行安全，而电容器件本身存在可靠性较差，寿命较短的问题，所以导致逆变器可靠性差。

对于电容电压平衡的问题，可以在输出相同电平时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决，但因电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的切换频率。逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难。其次控制方法非常复杂，实现起来很困难，并且还存在电容的电压不平衡问题。

鉴于此，对于该拓扑的应用性研究，近年来已经相对较少。

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2、飞跨电容型逆变器的优点：在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性；由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡；可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。

2.3级联型多电平逆变器

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F．Z．Peng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。

级联型H桥逆变器由若干功率单元级联而成，每个单元有其独立的直流电源。其主电路拓扑结构如图3所示，该电路为单相N单元级联型逆变器，其输出波形所含电平数为2N+1，所含电平数越多，则谐波含量越低，开关所承受的电压应力越低。

H级联型逆变器有如下特点：

1、每相由多个H桥单元级联而成，逆变器输出相电压电平数L与单元级联数目N之间存在L=2N+1的关系。由于各功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某单元出现故障，可将其旁路，其余单元可继续运行，系统可靠性大大得到了提高；

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2、直流侧采用独立电源供电，不需箝位器件，也不存在电压均衡问题。若直流侧由三相不控整流电路供电时，整流侧需要采用多抽头变压器，虽然增大了装置体积，但多重化整流减小了输入侧电流谐波；

3、按特定规律分别对每一单元进行PWM控制，各单元输出波形叠加即可得多电平输出，控制方法比箝位型电路对各桥臂的简单，也易于扩展。

结论：对于N单元级联型逆变器而言，输出相电压电平数为2N+1。

2.4小结

为了利用低压开关器件获得多电平高压输出，二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器共同采用的办法是，将电力电子开关器件串联组成半桥式结构，用一

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个高压直流电源供电，并采用多个直流电容串联分压，采用二极管或电容，将主开关管上的电压箝位在一个直流电容电压上，来达到用低压开关器件实现高压输出的目的。但因此出现了直流电容分压的均压问题。这给多电平逆变器带来了麻烦，只能采用控制算法来解决这个问题。

而级联型多电平逆变器，是采用具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式，它不存在直流电容分压的问题。因此也不存在直流电容分压的均压问题，相对于箝位型多电平逆变器，在控制上简单了很多。

同二极管箝位型逆变器及飞跨电容型逆变器相比，级联型逆变器不需要大量的箝位二极管或电容，也不存在中间直流电压中性点偏移问题；采用模块化安装，结构紧凑；而采用载波相移的控制策略，其计算量不会随着输出电平数的增多而变得更加复杂。

当然，级联H桥型变流器也有不足之处，主要就是在需要提供有功功率的场合必须采用独立直流电源。显然，在不需要提供有功功率的场合比如静止无功补偿器、电力有源滤波器(APF)等，级联型多电平变流器具有更大的优势。

H桥级联型多电平逆变器可应用于高压大功率场合，如柔性输变电场合、静态无功补偿场合、风力发电的功率变换场合，集成光伏发电的功率变换场合、舰船推进场合、高速列车牵引场合、抽水蓄能等大功率驱动场合。在大功率驱动场合，发电厂大量使用的风机、泵类为高压电机，现多采用H桥级联型多电平逆变器来变频调速，以达到20%左右的节能效果。

3、多电平技术在电力牵引上的应用

电气化铁道是直接接入高压电力系统的一个特殊用户，其负荷具有非线性、非对称性和波动性等特点。本文的应用例子为一个以沪杭电气化铁路某牵引变电所为研究对象，针对电气化铁道谐波、无功和负序电流的综合治理要求和特点，提出了一种新型的多电平电能质量调节器（MPQC）。这种新型的电能质量调节器主要由共用直流侧电容的两组单相多电平逆变器组成，每组逆变器由两个直流侧电压为3∶1 的H 桥逆变器级联而成，通过电网变压器与牵引电网联接。通过分析多电平调节器的电能质量调节特点，提出了适用于单相多电平逆变器的多

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电平直接脉宽调制方法（MDPWM），应用了基于逆变器两侧能量平衡的多电平逆变器控制方法。仿真结果证明了这种新型的多电平电能质量调节器的可靠性较高，能同时补偿牵引电网的上、下行供电臂，满足对电气化铁道的电能质量综合治理要求，能获得良好的补偿效果。下图为MPQC的拓扑。

我们查阅了相关的仿真实验结果证明，以牵引变电所为补偿对象的多电平电能质量调节器具有以下优点：

（1）以整个牵引变电所为补偿对象，可以同时补偿一定无功，谐波和补偿负序电流，使牵引变压器易于达到平衡。

（2）应用多电平逆变器增加了输出波形的电平数，减少了输出波形的谐波，降低了开关器件的开关频率和耐压要求。

（3）变压器升压，再次降低了逆变器的耐压要求，并且对牵引电网和电能质量调节器进行电气隔离。

MPQC 能同时补偿牵引电网的上、下行供电臂，满足对电气化铁道的电能质量综合治理要求，能获得良好的补偿效果。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zdre.html