1、西 南 交 通 大 學電力牽引交流傳動及其控制系統報告 多電平技術及其在電力牽引中的應用目錄一、多電平變換器41.1 二極管箝位型多電平變換器41.2 級聯多電平變換器51.3 飛躍電容型多電平變換器8二、多電平變換器PWM 控制技術92.1多電平載波PWM 技術92.2多電平空間矢量PWM 技術122.3多電平SVPWM和載波PWM的統一13三、多電平技術在電力牽引系統中的應用143.1同相供電系統143.2動車組三電平牽引變流器15四、結論18傳統兩電平電壓源型變換器在電機傳動、新能源并網、開關電源等工業生產領域的應用十分廣泛。然而在高壓大功率領域的應用中，為解決功率開關器件的耐壓問題，通

2、常通過工頻變壓器接入高壓電網，笨重的工頻變壓器大大增加了電力電子變換裝置的體積和成本，并限制了系統效率。近年來，多電平變換器以其獨特的結構特點，在已在例如高壓交流電機傳動、電網無功補償和吸收等多個領域得到了廣泛應用受到廣泛關注。兩電平變換器不適合于高壓大功率場合，其主要原因有兩個：一是半導體開關承受的關斷電壓等級受到限制，二是大功率半導體開關的開關頻率較低。雖然通過開關的串聯方式可以提高變換器的電壓等級，通過開關并聯方式可以提高變換器的電流等級，但前者需要采取均壓措施，后者需要采取均流措施，在實現上需要復雜的輔助電路，而且往往效果并不理想。此外，開關頻率低，則諧波特性差，特別是低頻諧波增加，使

3、得變換器性能變差，無法滿足應用需要。最早是Nabae等人于20世紀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等方式將低壓的功率開關器件連接在一起， 實現了高電壓、大容量。它的一般結構是由幾個電平臺階(典型情況是電容電壓)合成階梯波以逼進正弦輸出電壓。隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術和現代控制理論的飛速發展， 多電平變換器在高壓大功率領域受到越來越多的關注。多電平變換器相對傳統兩電平變換器具有如下優點：1）每個功率管承受的電壓應力大幅降低；2）在相同開關頻率下，輸出諧波含量大幅降低；3）功率管開關損耗降低。由于以上優點，多電平變換器在高壓大功率場合得到越來越

4、廣泛的應用。一、多電平變換器多電平變換器從目前所見到的主電路拓撲結構來看， 最終可歸結為3種基本的拓撲結構：二極管箝位型多電平變換器、級聯多電平變換器和飛躍電容型多電平變換器。1.1 二極管箝位型多電平變換器如圖所示為三相五電平二極管箝位型逆變器結構圖。在此電路中四個串聯電容將直流側電壓分成五個電平，定義四個電容的中點0為中性點，那么輸出電壓有五個狀態：Vdc/2，Vdc/4，0，-Vdc/4，和-Vdc/2 。每個橋臂有8 個開關器件串聯，其中每4個開關器件同時處于導迫或關斷狀態，從而得到不同開關狀態組合及相應的輸出電壓。對這種類型的m電平三相電路，需直流分壓電容(m-l)個串聯，每橋臂主開

5、關器件2(m-1)個串聯，每橋臂的箝位二極管數量(m-1)(m-2)個，每(m-l)個串聯后分別跨接在正負半橋臂對應開關器件之間進行箝位。對于需要四象限可逆運行的負載，只需將兩組相同的多電平三相變換器按照“背靠背”方式連接就可實現。二極管箝位多電平變換器的特點如下。優點：電平數越多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下工作，開關損耗小，效率高；可控制無功功率流；back -to -back 連接系統控制簡單。缺點：需要大量箝位二極管；用單個變換器難以控制有功功率流；存在電容電壓不平衡問題。1.2 級聯多電平變換器級聯型多電平變換器由若干個模塊單元串聯而成，不僅能夠實現大功率的輸出，而且與其他形式

6、的多電平變換器相比，其模塊化結構易于集成和維護，因此在中高壓調速領域、交流柔性輸電系統等場合中具有廣泛的應用前景。近幾年來，級聯型多電平變換器的發展非常迅速，其結構形式也越來越多，每個模塊的輸入直流電壓從相同發展到不同，所選用的開關器件類型和得到的輸出電平數也由此發生了變化。輸出電壓的電平數越多，其諧波畸變率越小，但多電平變換器的結構和控制系統會變得更加復雜，因此設計級聯型多電平變換器時需要遵循一些構成原則，選擇合理的最大輸出電平數和相應的電路拓撲。另一方面，在已發表的級聯型多電平變換器當中，它們的拓撲結構均是獨立的，相互之間沒有關聯。事實上級聯型多電平變換器屬于積木式的結構，因此在各種形式的

7、級聯型多電平變換器中必定存在一般性的構成方式，而且根據這些構成方式及構成原則可以構造出更多形式的級聯型多電平變換器。如果每個模塊單元的輸出電壓為voi，那么單相級聯型多電平變換器的輸出電壓為：voi=i=1Nvoi相應的最大輸出電平數為：M=2vdc1i=1Nvdci+1圖示給出了三相級聯五電平逆變器結構圖。由圖可見，它由兩個單相全橋電路級聯而成，每個獨立直流電源給一個單相全橋逆變器供電， 不同電平逆變器的交流電壓串聯起來。很顯然，這種電路不再需要前種電路中的大量箝位二極管，但需要多個獨立電源。具體來說，對這種類型的m電平三相電路，需要3(m -1)/2個獨立電源，6(m-1)個主開關器件，3

8、(m-1)個分壓電容。級聯式多電平變換器的結構特點如下。優點：電平數超多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下開通關斷，損耗小，效率高；無需箝位二極管和電容，易于封裝；基于低壓小容量變換器級聯的組成方式，技術成熟、易于模塊化；可采用軟開關技術，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路；不存在電容電壓平衡問題。缺點：需多個獨立電源。1.3 飛躍電容型多電平變換器圖所示是一個三相五電平飛躍電容逆變器主電路結構圖。由圖可見，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開關器件之間的串聯電容進行箝位的。值得一提的是該電路的電壓合成更為靈活，即對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關狀態組合得到。這種開關組

9、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，但同時會帶來控制上的復雜性和器件開關頻率高于基頻的問題。對這種類型的m電平三相電路，需開關器件6(m-1)個，直流分壓電容3(m-1)個以及箝位電容3(m-l)(m-2)/2 個。飛跨電容多電平變換器的特點如下。優點：電平數越多，輸出電壓諧波含量越少；器件在基頻下開通關斷，損耗小，效率高；可控無功和有功功率流，因而可用于高壓直流輸電；不同的開關組合，可得到電壓平衡。缺點：需大量的箝位電容；用于有功功率傳輸時，控制復雜，開關頻率高，開關損耗大；存在電容電壓不平衡問題。所以其相對于前兩種拓撲應用較少。二、多電平變換器PWM 控制技術多電平脈寬調

10、制（PWM）控制技術是多電平變換器研究的關鍵核心技術。對于傳統兩電平變換器的PWM 控制而言，其方案有許多種，當微處理器應用于PWM 技術實現數字化以后，又有新的PWM 技術出現。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，轉矩脈動最少，再到消除噪音等。目前，常用的兩電平PWM 算法有載波調制法、電壓空間矢量調制法、優化目標函數調制法等。這些PWM控制思想也可推廣到多電平變換器的控制中。由于多電平變換器的PWM 控制方法是和其拓撲緊密聯系的，不同的拓撲有不同的特點，具有不同的性能要求。但歸納起來，多電平變換器PWM 技術主要對兩方面的目標進行控制：第一為輸出電壓的控制，

11、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；第二為變換器本身運行狀態的控制，包括電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關的輸出功率平衡控制、器件開關損耗控制等。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)法和優化PWM方法等。另一方面，載波調制法和空間矢量調制法在一定條件下又具有內在的聯系和一致性。2.1多電平載波PWM 技術載波調制PWM控制技術是通過載波和調制波的比較，得到開關脈寬控制信號。多電平變換器載波PWM 控制策略，是兩電平載波SPWM 技術在多電平中的直接推廣應用。由于多電平變換器需要多個載波，因此在調制生成多電平PWM 波時有兩

12、類基本方法：第一類方法，首先多個幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個調制波比較，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構的控制，對其它類型的多電平結構也可適用；第二類方法，用多個分別移相、幅值相同的三角載波與調制波比較，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，一般用在級聯型結構、電容箝位型結構。同時，多電平載波PWM 方法還需要實現其它的控制目標和性能指標，如電容電壓的平衡、優化輸出諧波、提高電壓利用率，開關管功率平衡等。解決途徑主要有以下兩方面。第一是在多載波上想辦法，即可以改變三角載波之間的相位關系，如各載

13、波同相位、交替反相、正負反相、以及載波移相。第二是在調制波上加入相應的零序分量。第三是對于某些特殊的結構，如級聯型結構、電容箝位型結構、以及層疊式多單元結構，這些結構當橋臂上輸出相同的電壓時，可以有多個不同的開關狀態組合對應，不同的開關狀態組合對上述一些性能指標的影響是不同的，選擇適當的開關狀態組合就可以實現上述目標。在載波層疊法中，根據三角載波之間相位關系的排列不同，可以有三種載波層疊PWM 方式：（1）同相層疊方式，即所有載波以相同的相位上下排列疊加；（2）正負反相層疊式，這種方法是使零值以上的載波相位和零值以下的載波相位相反；（3）交替反向層疊式，這種方式是指所有相鄰載波的相位都相反。載

14、波移相法和交替反相層疊的方式非常類似，圖(a)，（b），（c），（d）所示為四種調制方式的五電平載波PWM 示意圖。這四種載波PWM方法在輸出諧波方面有所不同。利用雙邊傅立葉分析，可以得出這四種載波方法的各次諧波的值，從而得出他們在諧波消除方面的優劣。這里給出結論：（1）載波同相層疊方式（PD）的諧波性能最好，尤其是線電壓諧波性能。交替反向層疊式（APOD）次之，正負反相層疊式（POD）效果最差。（2）APOD 和PS 有相同的諧波性能，前提是在一個基波周期內總的開關次數相同。（3）在PS 方式下，通過不連續的控制波與移相載波的比較，可以得到類似PD 方式的諧波性能。雖然通過一定的方式將控制波

15、分解，使得PS方式下獲得類似于PD 方式的諧波消除效果，但這顯然失去了PS 方式的模塊化的優點。載波移相（PS）方式已經成為H 橋多電平電路的標準PWM控制方法，與其它的PWM 控制方法相比，有以下的優點：（1）在任何的調制比下（任何頻率下）保證相同的輸出電壓和開關頻率。而其它的載波方式在調制比降低時，會出現部分單元橋沒有PWM 電壓輸出，造成輸出電壓的開關頻率下降，使得輸出電壓的諧波含量增加。（2）單元橋之間沒有輸出功率不平衡的問題。因為在PS 方式下，各級之間的輸出電壓的PWM波形基本一致。而其他方式則會出現不一致，使得不同級層的單元橋的功率不同。（3）與主電路的模塊化結構相一致，PS 載

16、波比較PWM方式中針對各個單元的載波和調制波也呈現模塊化的結構。（4）對于同樣的載波頻率，PS 方式的輸出電壓的頻率是載波頻率的N 倍（N 為串聯單元數，當載波移相等于2/N）。對于無中線的三相對稱系統，在三相電壓中加入三的倍數次諧波時，不會影響負載電壓波形。基于此，在正弦調制波中加入不同的零序分量可以實現載波調制的優化控制。優化目標主要包括考慮中點電壓平衡的優化、以提高電壓利用率為目標的優化、降低開關損耗的優化等。以二極管箝位型結構、電容箝位型結構、以及層疊式多單元結構為例，由于開關特性的非理想性、負載波動以及電容參數的偏差，某一時刻逆變器輸出的電流大小和方向會影響與之相關的電容電壓的大小，

17、因此需考慮箝位電容電壓平衡的控制問題。這樣，在三相正弦調制波中疊加零序分量，不影響輸出的線電壓大小，且可以控制相應電容的充放電狀態，實現電容電壓的平衡控制。在兩電平PWM 當中，還有特定諧波優化PWM、電流滯環PWM 等基于另外一種思路的優化PWM 方法。對于多電平變換器，也可以采用優化PWM 技術，如特定諧波消去PWM 方法、多級電流滯環的方法，這其中以特定諧波消去法較常用。多電平特定諧波消去法（SHEPWM）是以優化輸出諧波為目標的優化PWM 方法，和兩電平特定諧波消去法類似，它也是通過在預先確定的時刻實現特定開關的切換，從而產生預期的最優SPWM控制，以消除選定的低頻次諧波。是一種基于傅

18、立葉級數分解、計算得到開關時刻的PWM 方法。為了消除偶次諧波，同時考慮消除諧波中的余弦項以簡化計算，一般采用1/4 周期對稱波形，當選擇幾個特定的開關切換角時，就可以得到一個輸出波周期的PWM 脈沖序列。然后通過離線的數值解法計算得到各個頻率的開關切換時間，最終通過查詢表格的方法來數字實現。2.2多電平空間矢量PWM 技術空間電壓矢量（SVPWM）法和載波調制等方法不同，它是從電動機的角度出發的，以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關模式所產生實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們比較的結果決定逆變器的開關，形成PWM 波形。由于它把逆變器和電機看成一個整體來處理

19、，便于微機實時控制，并具有轉矩脈動小，噪音低，電壓利用高的優點，因此目前無論在開環控制系統還是閉環控制系統中均得到廣泛應用。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負載的運行性能沒有影響，但是輸出的零序分量不同時，逆變器輸出的開關狀態也不同，從而影響了多電平電路的運行狀態和優化性能。針對上述特點，可以將多電平變換器的PWM控制從目標上分為兩個部分，一是輸出電壓的非零序分量控制，其目的是使輸出的PWM 脈沖在伏秒平均意義上和給定的參考電壓一致。另一個則是對零序分量的控制，用來實現逆變器本身的運行狀態控制，以及其它性能指標的優化控制。輸出電壓的控制是對PWM 算法

20、的基本要求，也是多電平變換器和兩電平變換器的相同之處。相比之下，零序電壓的控制具體情況多種多樣，并且在兩電平PWM 控制中并無廣泛使用，因此是一個相對較新的概念。2.3多電平SVPWM和載波PWM的統一對多電平載波PWM方法和空間矢量PWM方法的研究可以看出，這兩類方法的思路和出發點不同，但最終都能實現很好的控制效果。由于這兩種方法都是基于一個采樣周期內的電壓積分等效的思路，其控制本質是相同的。經過分析可以看到，二者可以得到嚴格的統一，而統一的橋梁正是零序電壓。空間矢量方法的PWM波形也可以通過載波調制的方法得到，其對應的調制波有特定的數學形式，其調制波的形式主要取決于空間矢量PWM的零序電壓

21、分量。兩電平PWM的空間矢量方法向載波調制方法的統一，已經為很多文獻所提及， 并得到了具體的證明。對于載波PWM方法，其調制波為三相正弦波， 當疊加適當的三相零序電壓分量，就可以得到等效的空間矢量PWM輸出。借鑒兩電平的結論，三電平空間矢量PWM也可以統一到載波調制方法當中。但是將三電平載波調制和空間矢間PWM聯系在一起的零序電壓與兩電平里的結論不盡相同。采用60°坐標變換方法，載波比較采用PD方式，可以得到三電平空間矢量和載波調制PWM之間的一般性的數學描述。多電平空間矢量PWM的載波調制形式，主要取決于其對應的零序電壓分量。因此可以由空間矢量方法中零序電壓的一般表達式來得到調制波

22、的形式，如前文線電壓變換的多電平SVPWM思路。進一步就可以得到對任意電平數都有效的空間矢量PWM的一般性載波調制形式。三、多電平技術在電力牽引系統中的應用多電平變換器具有輸出波形THD值小、器件電壓應力低和系統EMI低等優點而受到人們的青睞。其應用領域也是從最初的DC-AC變換，如大功率電力機車電動機驅動；拓展到AC-DC變換，如電力系統無功補償、有源濾波；AC-DC-AC變換，如電力系統統一潮流控制器；再到DC-DC變換，如多電平PFC、高壓大功率直流變換等。柔性交流輸電、高壓直流輸電和高壓大型電動機的變頻調速是目前多電平變換器應用的主要領域。此外多電平變換器在UPS、新能源等領域也有所應

23、用。3.1同相供電系統傳統牽引供電系統存在著以負序、無功和諧波為主的電能質量問題以及機車過電分相問題，極大地限制了其在高速、重載鐵路方面的發展。為了解決這些技術難題，提出了基于綜合潮流控制器的同相供電系統方案。與傳統牽引供電系統相比，同相供電可取消過分相裝置；補償負載無功和諧波，提高電能質量；補償兩臂有功電流差，解決不平衡問題；平衡牽引變兩臂負荷，有效提高運能。在此基礎上分別提出了各種接線形式下的基于綜合潮流控制器的同相供電方案，但其中潮流控制器普遍釆用兩電平電壓源變換器，根本無法滿足實際牽引負荷高電壓、大容量的需求。為了適應高壓大容量牽引供電要求，降低開關器件應力，降低器件開關頻率，減小器件

24、開關損耗和輸出電壓值，該潮流控制器基于二極管箝位五電平結構。五電平PFC結構如圖所示，它由“背靠背”的二極管箝位五電平結構四象限電壓源型變流器組成，其中兩端口變流器通過四個直流電容耦合在一起。針對五電平PFC傳遞有功時造成的直流側電容不平衡問題，采用了基于單級電容的輔助穩壓電路，如下圖所示。這里需要注意的是：同相模式下是單臂供電，假設相為供電臂；異相模式時為正常供電方式下的雙臂供電，即、兩臂同時為機車供電。與傳統兩電平變流器相比，二極管箱位五電平變流器主要有以下幾個主要優點：（1）每一個功率器件所承受的關斷電壓僅為直流側電壓的四分之一。這樣在相同的情況下，直流電壓可以提高4倍，容量也可以提高4

25、倍；（2）在同樣的開關頻率及控制方式下，五電平變流器輸出電壓或電流的諧波大大小于兩電平變流器，因此它的總諧波失真THD也要遠小于兩電平變流器；（3）由于變流器輸出電壓有9個電平，所以輸出電壓更接近正弦，諧波含量更小，可以降低開關器件頻率，減小開關損耗。3.2動車組三電平牽引變流器交流傳動是我國鐵道牽引動力發展的一個重要方向， 交一直一交變流器包括四象限整流器環節、中間直流環節和三相逆變器環節。交一直一交型動車組系統的原理是:先將從接觸網獲得的單相交流高電壓經變壓器降壓后，再經整流器變換為平穩的直流電壓，直流電壓經逆變器變換為三相交流電壓，供給機車輪對上的牽引電機。脈沖整流器作為動車組的電源側變

26、流器，是整個交流異步電機牽引傳動系統的重要組成部分。它的結構形式及控制方式，對于提高電網功率因數、降低電網電流諧波含量、穩定中間直流回路電壓以及保證電機側電壓型逆變器的正常工作有著決定性的影響。PWM整流器在幾乎不增加任何硬件的情況下就可獲得高功率因數，低諧波污染以及能量的雙向流動。而在需要再生制動的交流電動機調速裝置中，可以采用電壓型雙PWM變頻電路。電壓型PWM逆變電路在變頻調速中己經獲得了非常廣泛的應用，這種電路的直流電源通常是由帶電容濾波的二極管整流電路獲得的。把二極管整流電路用整流電路取代，就構成雙PWM變頻電路。與采用二極管整流電路的變頻電路相比，雙變頻電路有以下突出的優點：（1）可以方便地實現再生制動，實現牽引工況、再生制動工況之間的快速平滑轉換，滿足機車牽引和制動要求。這樣既節省了用來吸收回饋能量的笨重電阻負載，又能把能量回饋到電網，提高了能量利用率；（2）當整流電路運行在整流狀