基于载波移相调制的模块化多电平变换器变频运行控制_公铮
两电平及多电平变换器介绍
PWM变流器简介 电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。 1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示： 图1三相电压型桥式PWM变流器 电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。 下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。 负载线电压可分别由公式求出： Uuv=Uun-Uvn； Uvw=Uvn-Uwn； Uwu=Uwn-Uun 可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.
高压多电平双向DC-DC变换器文献综述
高压多电平双向DC-DC变换器文献综述 一、前言 本次文献调研的主题为高压多电平双向DC-DC变换器。下载到的文献中与该主题相关的有10篇，完全符合该主题的文献有参考文献[1][2][3][4]，其它6篇文献则侧重于高压和双向这两个关键词。以下是文献调研的主要内容。 二、主要内容 文献[1] [2]介绍了一种电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器。该变换器由5个独立的模块级联而成，每个模块由三个MOS管和一个箝位电容组成，如下图所示。通过控制每个模块中MOS管的通断可以使每个模块运行在正常工作和旁路状态，选定不同模块的工作状态可以实现不同电平的输出，并且可以使输入输出电压的比值不同。从每个模块的电路结构可以看出，能量可以实现双向流动。从下图1可以看出整个电路中没有像常规的DC-DC变换器那样使用电感作为储能装置，这种无感设计的原则提高了装置的效率和可靠性。 本文中作者的实验装置功率为5kW，电平数为6。当输入电压为250V，负载为1.76Ω时，装置效率达到了95.1%。 图1. 电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器 文献[3]介绍的电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器与上文介绍的拓扑结构一样。文中详细分析了该电路的不同工作状态和等效电路图，该拓扑相比传统的飞跨电容型多电平变换器可以减少开关管的数量和电容耐压等级。 文献[4]介绍的模块化多电平双向DC-DC变换器的拓扑结构类似于测井变频电源的拓扑结构，它的每个模块拓扑为移相全桥电路，整个变换器由模块的输入并联输出串联组合而成，如下图2所示。之所以采用这样的拓扑是与作者研究的方向——波浪能发电有关。 在文中，作者着重叙述了梯形载波的控制方法与三角载波控制方法的不同，提出了梯形载波控制方法能够提高装置的效率。梯形载波控制方法中的开关频率是通过迭代的算法计算得到的。该方法最大的优点是根据实际的功率需求情况，依据装置的效率曲线来决定每个模块是处于并联工作状态还是旁路工作状态。在文中作者通过两模块的实验来证明梯形载波控制方法能够使装置运行在最大效率点处。
三电平H桥级联逆变器载波移相脉宽调制方式
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三电平H桥级联逆变器载波移相脉宽调制方式 作者：姚文熙， 吕征宇， 胡海兵， YAO Wen-xi， LU Zheng-yu， HU Hai-bing 作者单位：浙江大学电力电子国家专业实验室,浙江,杭州310027 刊名： 浙江大学学报（工学版） 英文刊名：JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY(ENGINEERING SCIENCE) 年，卷(期)：2008,42(8) 参考文献(8条) 1.陈远华;刘文华;宋强基于FPGA的级联逆变器直接PWM发生器[期刊论文]-电力系统自动化 2006(09) 2.桂红云;姚文熙;吕征宇DSP空间矢量控制三电平逆变器的研究[期刊论文]-电力系统自动化 2004(11) 3.MCGRATH B P;HOLMES D G A comparison of multicarrier PWM strategies for cascaded and neutral point clamped multilevel inverters 2000 https://www.wendangku.net/doc/af19169688.html,I Jih-sheng;PENG Fang-cheng Multilevel convertersa new breed of power converters[外文期刊] 1996(03) 5.王碧芳;宫金武;胡伟级联型多电平逆变器的改进PWM控制方法[期刊论文]-电力系统自动化 2006(07) 6.宋强;刘文华;陈远华多电平载波调制与空间矢量调制的等效关系[期刊论文]-电力系统自动化 2004(19) 7.吴洪洋;何湘宁多电平载波PWM法与SVPWM法之间的本质联系及其应用[期刊论文]-中国电机工程学报 2002(05) 8.TOLBERT L M;HABETLER T G Novel multilevel inverter carrier-based PWM method[外文期刊] 1999(05) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/af19169688.html,/Periodical_zjdxxb-gx200808009.aspx
多电平变换器
多电平变换器—— —高压大容量电能变换的新技术 特邀主编评述 李永东 （清华大学，北京!"""#$） 在%""$年第&期“电能质量控制”专辑成功出版的基础上，《电力电子技术》编辑部于北戴河全国电力电子年会上决定把“多电平变换器”作为第%期内容，并于今年第’期出版，由我来担任本期特邀主编，本人深感荣幸和责任重大。现在奉献在大家面前的专辑，是经过全国同行专家集体努力的结果。 多电平变换器及其相关技术的研究与应用，是现代电力电子技术的最新发展之一，它主要面向高压大容量的应用场合。与传统的两电平逆变器相比，多电平变换器能够减少输出谐波畸变，不用或只需很小的输出滤波器、整体效率高，同时可以用低压器件实现高压大容量输出。这一技术对于高压大容量电能变换、提高用电效率具有重要意义，是当前电力电子技术的研究热点之一。 多电平变换器的研究主要包括多电平电路拓扑结构的研究、多电平()*控制算法的研究，以及在此基础上的应用研究。自从日本长冈科技大学的南波江章（+,-./.0）等人在!1#"年2333工业应用（2+4）年会上提出三电平中点箝位式（-0567.8(9:;6!<8.=>0?，简称-(<）结构以来，多电平逆变器的拓扑结构主要发展出了单一直流电源的箝位式拓扑电路、分离直流电源的@桥单元串联式拓扑电路，以及在此基础上的一系列混合和派生电路。随后以高压2ABCD2A 模块化多电平换流器型高压直流输电综述 0引言： 现代电力电子技术的发展，使直流输电又一次登上历史舞台，与交流输电并驾齐驱。1954年，世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营，从此，直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。IGBT、GTO 的出现，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的产生，成为直流输电技术的一次重大变革。 MMC-HVDC（modular multilevel converter-high voltage DC transmission）是新一代直流输电技术，发展非常迅速。它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。本文首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在电容电压平衡、环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展，最后指出MMC今后亟待研究的关键问题。相关研究结果表明，MMC在电力系统中有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统,尤其是高压输电技术的重要发展方向。 1正文： 传统两电平电压源型变换器，在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。但在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，限制了系统效率。鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者 Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑。 现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)和MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。 Project No. 3 Report for High Power Conversion Systems Project Title: Cascade multi-level converter and its control method Student Name: Email Address: @https://www.wendangku.net/doc/af19169688.html, Phone No. Date: 2012.6.15 Signature: 级联型多电平变换器构成及控制方法初探 浙江大学电气工程学院 【摘要】本文介绍了级联型多电平变换器的一般构成方法，并对构成原则进行了初步的讨论并提出了新型级联型拓扑结构。本文又对级联型多电平的控制策略进行了初探。最后，本文提出一种改进型级联多电平变换器，并对其进行了简要分析。 【关键字】级联多电平控制方法 Cascade multi-level converter and its control method ( , College of Electrical Engineering , Zhejiang University) Abstract: This article describes the general composition of the cascade multi-level converter, and constitutes the principle of a preliminary discussion. It also proposes a new cascade topology and cascaded multi-level control strategy . Finally, this paper presents an improved cascaded multilevel converter and makes a brief analysis. Key words: cascade, control strategy, multi-level 1.多电平变换器 多电平变换器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，它无需升降压变压器和均压电路。在实现大功率变换的几种解决方案中，多电平变换器之所以受到研究者们的青睐，是因为它具有以下一些突出优点： （1)每个功率器件仅承受X／(n-1)的母线电压(n为电乎数)，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路； （2)电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变(nID)； （3)可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗小，效率高； （4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器，dr／dr应力大为减少，在高压大电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿，同时改善了装置的EMI特性 （5)无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。相对于其他的高压大功率变换电路，多电平变换器技术由于具有了以上优点，受到了越来越广泛的关注、研究和应用。 模块化多电平换流器型直流输电 【摘要】电网规模不断扩大，清洁能源的开发利用越来越受到关注，智能电网让太阳能、风能等新能源并入电网并能对其介入过程自行控制，对清洁能源的投入并网和补偿机制的研究势在必行。本文结合南汇风电场柔性直流输电工程，简单分析柔性直流输电的控制原理及基础理论。 【关键词】柔性直流控制方式换流阀 1引言 上海南汇柔性直流输电技术示范工程是国内首例柔性直流输电工程，将上海南汇风电场发出的风电能源并入上海电网之内。 柔性直流输电技术通过对两端电压源换流器的有效控制可以实现两个交流有源网络之间有功的相互传送，在有功传送的同时，各端电压源换流器还可以调节各自所吸收或发出的无功，对所联两端交流系统予以无功支持，是一种具有快速调节能力、多控制变量的新型直流输电系统。 2一次系统结构 柔性直流换流站的一次系统结构为35KV交流系统通过开关连接至换流变，将交流侧的电压变换为换流阀输入所需要的电压（31KV）然后进行交/直流变换（直流电压为±30KV），通过直流线路输送至对侧换流站再进行直/交流变换。每个桥臂每相分别安装一个阀电抗器。阀电抗器是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流阀的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时阀电抗器能抑制换流阀输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。 3柔性直流运行模式和控制方式 MMC可以通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。 有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可视为一无转动惯量的电动机或发电机，可以实现有功和无功功率的瞬时独立调节，进行四象限运行。 4柔性直流换流阀原理 模块化多电平换流器阀是由多个IGBT子模块进行级联而成的，单个子模块 模块化多电平变换器(MMC)的脉冲宽度调制的实验和控制 摘要：模块化多电平变换器(MMC)是新一代不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种。MMC的每相是基于多个双向斩波单元的串级连接。因此需要对每个浮动的直流电容器进行电压平衡控制。然而，目前还没有文章涉及到通过理论和实验验证来实现电压平衡控制的明确讨论。本文涉及两种类型的脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)来解决他们的电路配置和电压平衡控制。平均控制和平衡控制的结合使脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)在没有任何外部电路的情况下实现电压平衡。脉冲宽度调制模块化多电平转换器(PWMMMCs)的可行性,以及电压平衡控制的有效性,通过仿真和实验已经被证实。 关键词：电压电力转换，多级转换器，电压平衡控制 一、介绍： 大功率的转换器的应用需要线性频率变压器来达到加强电压或电流的额定值的目的（见参考文献【1】——【4】）。2004年投入使用的80MW的静态同步补偿器的转换侧由18个中点箝位(NPC)式转换器组成（文献【4】），每个系列的交流双方串联相应的变压器。线性变压器的使用不仅使转换器笨重,而且也导致当单线接地故障发生时出现直流磁通偏差（文献【5】）。 最近，许多关于电力系统和电力电子的多级转换的科学家和工程师，参与到多电平变换器为了实现无需变压器而实现中压电力转】换（文献【6】-【8】）。两种典型的方法有： （1）多级多电平转换(DCMC) （文献【6】, 【7】）; （2）飞跨电容型多电平变换器(FCMC)（文献【8】）。 三电平多级多电平转换器（DCMC）或者NPC转换器已经被投入实际使用，如果在DCMC中电平的数量超过三个，容易导致串联的直流电容内在电压的不平衡，因此两个直流电容需要一个外部电路（例如buck—boost斩波电路）（文献【11】），此外，一个箝位二极管耐压值的增长是非常有意义的，而且这种增长需要每相串联多个模块，这就造成一些困难。因此合理的电平数量应该根据实际需要考虑但至多不能超过五个。至于FCMC,四级的脉冲宽度调制（PWM）换流器目前已经被一个制造中压驱动器的企业大量生产。然而，较低的载波频率（低于1KHz）的 基于SPWM控制信号实现载波移相多电平技术随着电力电子技术和电力半导体技术的迅速发展，中压大功率传动设备不仅提高了资源的利用率，同时还降低了生产的成本，虽然其电路的拓扑结构和控制技术已经比较成熟，但多电平技术的研究仍备受大家的关注。多电平技术避免了器件的直接串联，具有输出电压高，谐波含量低，电压变化率小，开关频率低等优点。多电平技术实现的关键在于如何实现大量的SPWM控制信号。 1 引言 SPWM法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 2 总体设计方案 2.1单元串联多电平变频器拓扑结构介绍 单元串联多电平变频器的拓扑结构简单，易于模块化，可以根据系统对输出电压、电平数的要求确定功率单元的级数。如图1所示， 七电平H桥串联逆变器拓扑结构图，其单相电压是由三个功率单元组成，每个功率单元均为H桥逆变电路结构，输出端依次串联在一起，并利用SPWM信号控制功率单元中开关器件的通与断。 2.2载波移相控制理论 一般来说，N电平的逆变器调制，需要N-1个三角载波。移相载波调制法中，所有三角波均具有相同的频率和幅值，但是任意两个相邻载波的相位要有一定的相移，其值为 (1) 通过调制波和载波的比较，可以产生所需要的开关器件的驱动信号。 但在数字化实现中，载波移相法一般不是由一个调制波和一组经过相移的载波比较生成，而是由调制波和一个载波进行比较之后，再进行一定的延时得到各个功率单元的SPWM 控制信号。 采用DSP+CPLD来完成多路SPWM控制信号的实现。其中由DSP控制器实现单相电压中的第一级功率单元两桥臂控制信号，并由CPLD来实现对这两路控制信号的移相延时，进而实现单相电压中各个功率单元的SPWM控制信号。系统原理框图如下图2所示 3 DSP控制部分 DSP控制部分主要任务是实现单相电压中第一级功率单元的两路控制信号。如图3所示，这两路控制信号分别控制左桥臂Q1和右桥臂Q3两开关器件的通与断，Q2和Q4控制信号分别为Q1和Q3信号的互补信号，Q1和Q2、Q3和Q4信号间需要增加一定的死区延时时间。 1引言 随着电力电子技术和电力半导体技术的迅速发展，中压大功率传动设备在石油化工、矿山开采、轧钢和冶金、运输等领域得到了广泛的应用，不仅提高了资源的利用率，同时还降低了生产的成本，其中变频器扮演着重要的角色。虽然其电路的拓扑结构和控制技术已经比较成熟，但多电平技术的研究仍备受大家的关注。多电平技术避免了器件的直接串联，具有输出电压高，谐波含量低，电压变化率小，开关频率低等优点。多电平技术实现的关键在于如何实现大量的SPWM 控制信号。本文针对这个问题进行研究和探讨，利用DSP和CPLD两大控制器来实现多电平SPWM，并最终给出实测波形图。 2总体设计方案 2.1单元串联多电平变频器拓扑结构介绍 单元串联多电平变频器的拓扑结构简单，易于模块化，可以根据系统对输出电压、电平数的要求确定功率单元的级数。如图1所示，七电平H桥串联逆变器拓扑结构图，其单相电压是由三个功率单元组成，每个功率单元均为H桥逆变电路结构，输出端依次串联在一起，并利用SPWM信号控制功率单元中开关器件的通与断（即控制功率单元的输出），最终实现多电平电压的叠加输出。 2.2载波移相控制理论 一般来说，N电平的逆变器调制，需要N-1个三角载波。移相载波调制法中，所有三角波均具有相同的频率和幅值，但是任意两个相邻载波的相位要有一定的相移，其值为 （1） 调制信号通常为幅值和频率都可调节的三相正弦信号。通过调制波和载波的比较，可以产生所需要的开关器件的驱动信号[1]。 但在数字化实现中，载波移相法一般不是由一个调制波和一组经过相移的载波比较生成，而是由调制波和一个载波进行比较之后，再进行一定的延时得到各个功率单元的SPWM控制信号。在本系统中采用此种方法来实现多路SPWM的控制信号。 根据对以上概念的理解和分析，在本系统中，采用DSP+CPLD来完成多路SPWM 控制信号的实现。其中由DSP控制器实现单相电压中的第一级功率单元两桥臂控制信号，并由CPLD来实现对这两路控制信号的移相延时，进而实现单相电压中各个功率单元的SPWM控制信号（即移相后信号）。系统原理框图如下图2所示： 3DSP控制部分 受制于电力电子器件发展水平，传统的两电平变换器拓扑不能满足高压大功率电力电子变换的要求，而且电力电子器件的功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低，高性能的控制实现起来就愈发困难。基于这一背景，多电平变换器逐渐成为高压大容量电力电子领域中最为热门的研究课题之一。 多电平变换器大多是采用结构、器件串并联、功率模块多重化和变压器结合使用等方案来提高变换器的电压和功率等级。目前广泛应用在高压大容量变换器场合的典型电力电子拓扑结构主要有：以美国ROBICON公司为代表的H桥级联式结构以及以德国SIMENSE和瑞士ABB公司为代表的二极管中点箝位式（Neutrals Point Clamped/NPC）结构。 H桥级联式变换器是对单个H桥电路进行串联，可以很简单的将电平数任意增加，不受最高承受电压的限制。但是，这种变换器有两个重要的缺点：首先，由于每个单元需要独立电源，通常的做法采用曲折变压器，大大增加了装置的成本和体积。其次，到目前为止，尚无有效的方法实现能量的双向流动，这不仅造成了能量的浪费，更重要的是无法完成四象限运行和高性能的加减速控制。因此，这种结构一般应用在一些调速要求不高的场合。 德国学者Holtz于1977年首次提出三电平逆变器。而后，日本长冈科技大学A.Nabae 等人于1980年进一步完善构成二极管箝位式的三电平变换器，它的出现为高压大容量电压型变换器的研制开辟了一条新思路，从20世纪80年代开始逐渐成为研究重点。对三电平变换器拓扑结构稍加改动，可扩展为任意电平的多电平变换器，电平数越多，输出波形越接近正弦，谐波含量越小。然而在实际应用中，由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在满足性能指标的前提下，并不追求过多的电平数。目前三电平结构最为成熟，应用最多，与传统的两电平相比，三电平变换器功率器件承压低、开关损耗低；输出谐波和dv/dt小，有利于电机或滤波器的绝缘和安全运行；此外三电平变换器共有27个电压空间矢量可供选择，开关矢量组合可供选择的余度大，开关顺序灵活多样，为系统性能的提高提供了可能。这些优点使得三电平变换器成为高压大容量领域中拓扑结构的主要选择之一，越来越多地应用于高压大容量电力电子变换装置中。目前针对三电平变换器的研究工作主要集中在高性能控制策略、软开关技术以及在工业实际应用（大容量变频调速、可再生能源利用、电能质量控制）等多个方面。 0 引言 多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的d v/d t应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。 1 多电平变换器的拓扑结构 国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种： 1）二极管中点箝位型（见图1）； 2）飞跨电容型(见图2)； 3）具有独立直流电源级联型（见图3）； 4）混合的级联型多电平变换器。 图1 二极管箝位型三电平变换器 图2 飞跨电容型三电平变换器 图3 级联型五电平变换器 其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。 二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。 飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。 级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。其主要缺点是采用多路的独立直流电源。目前，这种拓扑结构也有实用化的产品。 2 多电平变换器的控制策略 从目前的资料来看，多电平变换器主要有5种控制策略，即阶梯波脉宽调制、特定消谐波PWM、载波PWM、空间矢量PWM、Sigma-delta调制法。 2.1 阶梯波脉宽调制[1][2][3] 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的方法。典型的阶梯波调制的参考电压和输出电压如图4所示。在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除。2m＋1次的多电平的阶梯波调制的输出电压波形的傅立叶分析见式(1)及式(2)。消除k次谐波的原理就是使电压系数b k为0。这种方法本质上是对做参考电压的模拟信号作量化的逼近。从图4中不难看出这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以，可以采用低开关频率的大功率器件如GTO来实现；另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单，控制上硬件实现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。 图4 九电平阶梯波输出电压波形 v t(t)=b n sin nωt（1） b n=[V cos nα1＋2V cosnα1＋……＋jV cos nαj＋……＋mV cosnαm]（2） 2.2 多电平特定消谐波法[4][5][6] 多电平的特定消谐波法也被称作开关点预制的PWM方法。这种方法是建立在多电平阶梯波调制方法的基础之上的。这种方法的原理就是在阶梯波上通过选择适当的“凹槽” 有选择性地消除特定次谐波，从而达到输出波形质量提高和输出THD减小的目的。这种方法的消谐波和阶梯波的消谐波一样，唯一不同的就是输出电压波形的傅立叶分析后的系数 b n有所不同。现以五电平的特定消谐波的一个输出电压波形(如图5所示)来分析傅立叶分解 孙奎，吴凤江，孙力 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（150001） E-mail: sunkui1040610411@https://www.wendangku.net/doc/af19169688.html, 摘要：在研究了基于载波移相的SPWM(CPS-SPWM)原理的基础上，设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的CPS-SPWM波形发生器。介绍了基于FPGA的波形发生器的基本原理、系统构成及实现方法。该波形发生器接收由DSP写入的频率及幅值给定，从而产生频率、幅值可调的三相多电平SPWM波形，以满足交流电机变频调速的需要。通过优化设计，节省了芯片资源，同时具有扩展性好，可靠性高等优点。实验结果验证了所设计波形发生器及其设计思想的正确性与可行性。 关键词：现场可编程门阵列；载波移相；多电平逆变；SPWM发生器 中图分类号：TM464 1. 引言 作为提高电压等级、减少谐波、改善电源质量的有效方法，基于载波移相的多电平SPWM 技术在高压大功率场合的应用受到了广泛的关注[1]。随着SPWM技术的发展、改进，其实现途径也在不断的发展、演化。从专用集成芯片、单片机、数字信号处理器（DSP）到DSP和FPGA的联合使用等。各种正弦脉宽调制技术的实现方法及途径相继提出。同时也对其控制芯片提出了更高的要求。传统的控制芯片已经不能满足发展的需要，特别是对于基于载波移相的多路SPWM技术，由单片机或DSP来产生多路SPWM信号最多只能输出12路，不能满足要求。 FPGA的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成及其复杂的时序与组合逻辑电路功能，同时具有现场可编程、开发周期短、可移植、通用性强、易扩展等特点[2]。在级联型多电平SPWM的实现方面具有其他器件所无法比拟的独特的优势。本文阐述了基于FPGA的多路SPWM发生器设计方法。同时设计了一个基于FPGA的适用于三相五电平逆变器的SPWM发生器，开关调制策略采用载波相移SPWM技术(CPS-SPWM)[3]，并通过实验验证了上面设计的可行性与正确性。 2. 载波移相SPWM原理 载波相移SPWM技术是一种优秀的开关调制策略，适用于大功率组合逆变器和级联型多电平逆变器。载波相移SPWM技术的基本原理(如图1所示)是用同一调制波与N个相位均匀移动的三角载波分别进行二逻辑SPWM，得到N个二逻辑SPWM波形，这些波形叠加起来构成一个2N+1逻辑的CPS-SPWM波形。这个2N+1逻辑的CPS-SPWM波形的等效采样频率是任意一个二逻辑SPWM的采样频率Cω的N倍，即NCω。因而CPS-SPWM能够在较低的开关频率下实现较高等效开关频率的效果[4,5]。同时阶梯式多电平输出电压波形更接近正弦，在不提高各功率开关器件开关频率的情况下大大减小了输出谐波,显著改善了输出波形质量。 4 CPS-PWM的DSP实现 TMS320F2812是高速DSP芯片，利用内置的两个EV事件管理器模块中的6个完全比较单元和通用定时器1和3，可以方便地产生12路带有可编程死区和输出极性的PWM波。EVA及EVB事件管理器属于DSP芯片的外部模块，占用CPU的时间少，编程方便灵活。 实现不对称规则采样的PWM信号输出，需共同使用EVA事件管理器的定时器T1周期中断和T1下溢中断（对EVB而言为定时器T3周期中断和T3下溢中断）。T1周期中断程序计算载波顶点脉宽数据，并重新装载完全比较寄存器CMPRx的值（x=1,2,3对于EVB为CMPRy且y=4,5,6）；T1下溢中断程序计算载波底点脉宽数据，并重新装载完全比较寄存器CMPRx的值。一个载波周期内PWM脉宽由T1周期中断和T1下溢中断顺序配合完成。 2812芯片上6个完全比较单元只受两个独立的定时器控制，只能产生2列独立的载波；设置定时器T1和T3不同的计时初始值，可输出两列载波相位相差0~T c/2的PWM信号。通过CPS-PWM调制的对称优化，即用调制波反相的PWM信号可代替载波移相T c/2的PWM信号，可实现单相5电平输出[5]。调制波反相只需将上述脉宽公式中调制度M前的加法运算改为减法运算便可。 为实现单相7电平以上的CPS-PWM输出，解决单片2812硬件产生CPS-PWM信号不足的困难，本文采用了一种基于软件计算的CPS-PWM生成法。其基本思路是在事件管理器生成的各列PWM信号中，根据扩展的需要选择参考信号，进行插值计算，由2812CPU子程序生成新的CPS-PWM信号。 以实现单相7电平所需的6列PWM信号为例，先设定2812硬件生成4列PWM1、PWM3、PWM7、PWM9信号（对应的互补信号为PWM2、PWM4、PWM8、PWM10）。PWM1载波相位超前PWM3的载波相位T c/2，PWM7载波相位超前PWM9的载波相位T c/2，PWM1载波相位超前PWM7的载波相位T c/6。主程序中初始化GPIO时，将空闲的PWM5、PWM6、PWM11及PWM12预设为通用输出管脚，T1PWM、T2PWM、T3PWM和T4PWM预设为通用输入管脚。选择PWM7、PWM9信号作为参考信号，连接管脚PWM7到T1PWM，PWM9到T3PWM，由2812CPU子程序生成对应滞后移相T c/6的PWM5、PWM11信号（对应的互补信号为PWM6、PWM12）。 主程序中需调用2812CpuTimer0定时器的TINT0中断，事件管理器T1、T3的周期中断 T1PINT、T3PINT及下溢中断T1UFINT、T3UFINT。在TINT0中断程序中生成软件PWM信号；周期中断T1PINT、T3PINT和下溢中断T1UFINT、T3UFINT，除执行硬件生成PWM所需功能外，还提前计算PWM5、PWM11对应的脉宽数据。 TINT0中断程序简略流程图如图3，图中仅画出生成PWM5信号的流程。T0Counter为中断计数变量，Stamp5H为PWM5高电平计时变量，Stamp5L为PWM5低电平计时变量。程序中检测T1PWM管脚高低电平值，当T1PWM管脚由低电平翻转为高电平时，将当时的 T0Counter值赋给Stamp5H；当T1PWM管脚由高电平翻转为低电平时，将当时的T0Counter 值赋给Stamp5L。 基于DSP&CPLD的载波移相多电平PWM实现的研究 摘要：用载波移相PWM和功率单元级联来实现多电平逆变器，其技术难点在于如何实现大量的PWM控制信号。在分析多电平逆变器拓扑结构和控制策略的基础上，针对载波移相PWM的控制方法，本文提出基于DSP&CPLD的载波移相多电平PWM的实现方案，最终完成一套七电平逆变器的设计。 关键词：载波移相；多电平；PWM Abstract: Carrier phase-shifted PWM and power unit cascaded to achieve multi-level inverter, its technic al difficulty is how to produce so many PWM control signals. Based on the analysis of multi-level inverter topology and control strategy and the carrier for phase-shifted PWM control method .it is proposed in thi s paper based on the DSP & CPLD that carrier phase-shifted PWM multi-level inverter,eventually compl eted a seven-level inverter design. Key words: carrier phase-shifting multilevel PWM 1 引言 随着电力电子技术和电力半导体技术的迅速发展，中压大功率传动设备在石油化工、矿山开采、轧钢和冶金、运输等领域得到了广泛的应用，不仅提高了资源的利用率，同时还降低了生产的成本，其中变频器扮演着重要的角色。虽然其电路的拓扑结构和控制技术已经比较成熟，但多电平技术的研究仍备受大家的关注。多电平技术避免了器件的直接串联，具有输出电压高，谐波含量低，电压变化率小，开关频率低等优点。多电平技术实现的关键在于如何实现大量的SPWM控制信号。本文针对这个问题进行研究和探讨，利用DSP和CPLD两大控制器来实现多电平SPWM，并最终给出实测波形图。 2 总体设计方案 2.1单元串联多电平变频器拓扑结构介绍 单元串联多电平变频器的拓扑结构简单，易于模块化，可以根据系统对输出电压、电平数的要求确定功率单元的级数。如图1所示，七电平H桥串联逆变器拓扑结构图，其单相电压是由三个功率单元组成，每个功率单元均为H桥逆变电路结构，输出端依次串联在一起，并利用SPWM信号控制功率单元中开关器件的通与断（即控制功率单元的输出），最终实现多电平电压的叠加输出。 2.2载波移相控制理论 一般来说，N电平的逆变器调制，需要N-1个三角载波。移相载波调制法中，所有三角波均具有相同 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201910214474.9 (22)申请日 2019.03.20 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 109980968 A (43)申请公布日 2019.07.05 (73)专利权人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923号 (72)发明人 高峰 秦福田 蒿天衢 张承慧 吴强 张祯滨 郝全睿 王晓龙 许涛 马展 孟祥剑 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 李圣梅 (51)Int.Cl.H02M 7/483(2007.01)H02M 7/5387(2007.01)H02J 3/38(2006.01)审查员 谢冬莹 (54)发明名称一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用(57)摘要本公开提出了一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用，模块化多电平变换器为单相混合三桥臂模块化多电平变换器，其拓扑结构由上、中、下三个桥臂组成，上、下桥臂由N个相同的半桥型子模块和一个桥臂电感级联组成，中间桥臂由K个相同的单向电流全桥型子模块级联组成；所述模块化多电平变换器为三相混合九桥臂模块化多电平变换器，由三个所述的单相混合三桥臂模块化多电平变换器组成；本公开技术方案公开的新型混合九桥臂模块化多电平变换器与现有的相比在获得相同输出电压的条件下，所需要的半导体器件数量进一步减少，使得系统的体积和成本大大降低，同时可以消除标准九桥臂模块化多电平变换器运行范围限制，使得直流侧电 压利用率提高50％。权利要求书2页 说明书5页 附图6页CN 109980968 B 2020.01.14 C N 109980968 B模块化多电平高压直流输电综述
级联型多电平变换器构成及控制方法
模块化多电平换流器型直流输电
模块化多电平变换器
基于SPWM控制信号实现载波移相多电平技术
载波移相的研究
多电平变换器现状和发展
多电平变换器的拓扑结构和控制策略
基于FPGA的多电平载波移相SPWM方法实现
载波移相的DSP实现
载波移相多电平PWM实现的研究
【CN109980968B】一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用【专利】