三电平技术在有源电力滤波器中的应用 - 文章

三电平技术在有源电力滤波器中的应用

作者：德州和能工业自动化有限公司

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近年来，在工业应用中对大容量功率变换装置的要求日益增加，如电力系统中以高压直流输电(HVDC)，静止无功补偿(STATCOM)等为代表的柔性交流输电技术(FACTS)，以高压变频器为代表的大功率电机调速以及大功率电源装置等等。在这些应用领域，大功率逆变器经常成为它们应用的一个核心的关键性问题。

一方面由于器件可承受电压和电流能力的限制，使二电平逆变器难以直接实现高压大功率化；另一方面在高压应用中，二电平逆变器输出电压的 dv/dt 很大，在调速系统中有危害电机的绝缘，加剧轴承电流等问题。这就使得传统的二电平逆变器已经很难满足这些应用的要求。于是在高压大功率应用场合中，多电平逆变器（Multilevel Inverter）受到越来越多的关注，并开始得到广泛的研究和应用。多电平的思想最早是由 Nabae 于 20 世纪 80 年代初提出的。

其基本原理是将多个电平合成阶梯波以逼近正弦输出电压，一般来说，电平数越多，输出电压波形越逼近于正弦波。与传统的二电平逆变器相比，多电平逆变器有十分明显的优势：

（1）多电平逆变器的开关管耐压值和电压应力低，降低了器件的开关损耗，提高了系统的变换效率；而且可以使用低压器件实现高电压等级的输出，不需要开关器件直接串联；

（2）由于输出电压中含有多个电平，这使输出电压的 dv/dt 大为减小，输出电压波形更接近于正弦波，波形控制相对于两电平较容易；

（3）开关器件只需工作在相对较低的开关频率下，减小了器件的开关损耗。相对于传统的大容量逆变器结构，多电平逆变器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合，成为电力电子研究体系里的一个新的领域和重要分支。

多电平逆变器的基本拓扑结构可以分为三类：

（1）二极管钳位型多电平逆变器(Diode-Clamped Multilevel Inverter)

（2）飞跃电容型多电平逆变器(Flying-Capacitor Multilevel Inverter)

（3）级联多电平逆变器(Cascaded Multilevel Inverter)

多电平逆变器的调制策略大致有三种：

（1）正弦 PWM 调制(SPWM)

（2）选择谐波消除 PWM 调制(SHEPWM)

（3）空间矢量 PWM 调制(SVPWM)

一、多电平逆变器拓扑结构简介

多电平逆变器的基本拓扑结构可以分为三类：

（1）二极管钳位型多电平逆变器

二极管钳位型多电平逆变器是通过串连的电容将直流侧的高电压分成一系列较低的电平电压。m 电平的二极管钳位型多电平逆变器在直流侧需要 m-1 个电容。

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图 1-1 三相二极管钳位型五电平逆变器

图 1-1 所示为一个三相五电平二极管钳位型逆变器。在其直流侧含有 4 个电容分别是 C1，C2，C3，C4。若直流侧的总电压为 Vdc，那么每个电容上分得的电压为 Vdc/4，并且通过钳位二极管的作用，每个开关器件上的电压应力就限制在一个电容的电压电平 Vdc/4 上，这样逆变器合成的输出电压就可以相对的提高了。二极管钳位型多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流侧设计比较简单。二极管钳位型多电平逆变器的一个主要问题就是各直流电容的电压平衡控制。例如，二极管钳位型三电平逆变器虽然是目前应用最为成熟的多电平逆变器结构之一，但中点电位平衡问题是它固有的问题，并且是一个研究的热点问题。

（2）飞跃电容型多电平逆变器

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图 1-2 三相五电平飞跃电容型逆变器

图 1-2 所示为一个三相五电平的飞跃电容型多电平逆变器。此逆变器的直流侧采用了一种阶梯结构，每一层的电容电压都与下一层的电容电压不同。为了产生 m 电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要 m-1 个电容。每相桥臂的结构都相同，两层电容间电压增加的大小决定了输出波形中每阶电压电平的高度。显而易见，A 相桥臂中的三层内环平衡电容 Ca1，Ca2和 Ca3与 B 相桥臂的三层电容是互相独立的，但所有的桥臂都共同享有直流侧的四个电容 C1～C4。飞跃电容型多电平逆变器中，电容虽然取代了数目较多的钳位二极管，但由于电容的体积比较庞大，在电平数目较多时，装置的实现也比较困难。并且在装置起动时，各电容需要预充电达到运行电压，实现起来也相对复杂。

（3）级联型多电平逆变器

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图1-3 m电平单相级联型多电平逆变器

图 1-3 给出了一个 m 电平单相级联型多电平逆变器。基于独立直流电源的级联型多电平逆变器的功能和上述两种拓扑结构逆变器的功能是一样的。它通过几个独立的直流电源合成一个期望的电压。这种新型的逆变器不需要额外的钳位二极管或电压平衡电容。每个独立的直流电源(SDCS)和一个单相全桥逆变器相连，通过开关器件 S1～S4的不同组合，每个逆变器可以产生三种不同电平的电压，Vdc、-Vdc 和 0。将各个全桥逆变器的输出电压串联起来，合成了最终的电压输出波形。显然，这种拓扑结构输出的相电

二、多电平逆变器调制策略简介

多电平逆变器的调制策略大致有三种：

（1）正弦 PWM 调制（SPWM）

多电平的 SPWM 调制策略是对两电平的 SPWM 调制策略的一种扩展。对于 N 电平逆变器来说，一般在每相中都有 N-1 个三角载波，这 N-1 个三角载波与一个正弦调制波比较得出逆变器的调制波形。

（2）选择谐波消除 PWM 调制（SHEPWM）

选择谐波消除法即Selected Harmonics Elimination，简称SHE，是Patel and R.G.Hoft最早于1973年提出了这种思想，并首先将这种方法用于SCR控制的逆变器，而后在早期的一些中小功率变频器中得到了应用，三电平逆变器电路出现后，也采用这种方法。选择谐波消除PWM调制方法就是将输出的正弦波进行傅立叶变换，得到应该被消除的最低次谐波，再通过一定的算法计算出特殊位置的开关角，从而消除最低次谐波。其优点是方法直观，容易理解，可以消去指定的任意次谐波，谐波含量低，输出波形较好；缺点是计算量比较大，需要离线计算大量的角度，并要在DSP或微处理器中存储大量的表格，因此在波形质量要求不是很高的场合一般不使用这种调制策略。

（3）空间矢量 PWM 调制（SVPWM）

空间矢量 PWM 调制方法就是将 ABC 坐标系内三相正弦交流电压用一个旋转的电压矢量来代替，这个旋转矢量的旋转空间又可以被划分为若干个扇区。而这个旋转矢量在每一个扇区内都可以由三个相邻的位置固定的电压矢量来合成。控制这三个矢量的作用时间就相当于控制了旋转电压矢量的模长和方向。

在这三种调制策略当中，因为空间矢量 PWM 调制方法的调制范围比较大，母线电压利用率也比较高，因此得到较为广泛的应用。

在项目的设计和研制过程中，为了实现装置功能的多样化，适应不同地区用户的需求，装置实现了多制式的结构功能，即：输出电压等级 110V/220V/230V、输出电压频率 50Hz/60Hz 可拨码调节；电路结构上可选择三相/单相输入、三相/单相输出。为了适应多制式结构功能的拨码调节，在程序设计上，采用了正弦 PWM 调制方法。

多电平逆变器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合，成为电力电子研究体系里的一个新的领域和重要分支。Hesine有源电力滤波器由和能公司科技人员根据对有源电力滤波器的多年研究，在业界率先将三电平技术引入有源滤波领域，成功推出了世界上第一台三电平有源电力滤波器产品。

Hesine有源电力滤波器采用二极管箝位三电平拓扑，与传统两电平有源电力滤波器相比具有更低的损耗，更低的EMI,同时可以直接连接500V~1000V的电网，省去笨重、昂贵的变压器，能够为客户节省大量投资。公司并成功开发了独特的三电平有源电力滤波器控制算法，从而在此基础上首先将三电平有源电力滤波器产品化，以满足不同用户、不同场合的需求。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/2/2009)


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