模块化多电平结构的整流逆变装置的开发

模块化多电平结构的整流逆变装置的开发

提出了并设计了一种模块化多电平结构的整流逆变装置，对其的工作原理和装置结构进行简单的介绍。通过研究分析了多电平结构的整流逆变装置在高电压传输过程的中的许多优点，结合所学习的内容从原理上分析了装置的可行性，设计出了装置的整体流程图，并在quartus ii 9.0工作平台上搭建了工程，在其配套的multisim上进行的仿真实验，并用FPGA器件搭建了最低层的IGBT控制系统进行了简单的控制。

标签：多电平 整流逆变 高压传输

引言：现在电已经遍及生活的方方面面，基于电力的便于传输的特点，能源的传输大多以电的方式进行，而电又具有不能大量储存的特点，所以电是一种产生，传输和使用不可分离的资源。现实生活中，无论是家庭用电还是工业用电都是用的交流电，而自然资源生成的方式又是交流，那为什么我们还要白白耗费能量将交流电转化为直流电进行传输呢。这是因为高压直流输电有很多交流输电不能企及的有点：输送相同功率时，线路造价低；线路有功损耗小；适宜于海下输电；系统的稳定性问题好；能限制系统的短路电流； 调节速度快，运行可靠。

正是由于高压直流输电的种种好处，我们才设计了这套用于整流和逆变的装置，用以将发电侧生成的交流电转变成高压直流电进行远距离的传输，送到了用电侧之后进行逆变，将直流电又重新变为交流电，以前多使用两到三电平的装置进行整流逆变，但是后来发现那种方式产生的电能损耗大，并且电能质量差，产生的谐波对电网影响大。使用了模块化多电平结构的整流逆变装置的优点有：电能损耗减少，优化了电能质量，多模块化的结构易于装置的维护和调整，能不间断运行，不会因为一个子模块发生故障就使整个装置停止运作。不过对控制方法的要求高了，通过我们的模拟分析开发出一种可以简单控制但效果

也较好的控制方法。

在1980年IAS年会上，A.Nabae等人最早提出了多电平换流器的概念。八十年代以来，随着电力电子器件的发展，特别是GTO、IGBT等大功率可控器件耐压等级不断提高，以DSP，FPGA为主的控制芯片得到推广与应用，使得多电平换流器的研究迅猛发展，这种发展不仅仅体现在拓扑结构、PWM控制策略和软 关技术等方面，还体现在DC-AC变换，AC-DC变换，AC-AC变换以及DC-DC变换的电力工业领域[22]。相比于传统两/三电平换流器，多电平换流器具有以下明显特点[1]：

（1）直流（交流）电压在各个开关器件中平均分配，各功率器件承受较低的电压值，这样可有效降低 关器件耐压值，适用于高压大功率场合。

（2）随着级联数增加，交流侧输出电平数增多，输出电压、电流更接近正弦波，输出电压电流谐波畸变率（Total Harmonic Distortion， THD）明显降低。

（3）在输出电压等级相同的情况下，多电平换流器各开关元件的 关频率低，开关损耗小，效率高。

（4）釆用多电平结构通常交流侧可以省略多重化变压器，这样就可以减小装置体积和损耗，经济性更优，可靠性更高。

1.装置整体结构的分析

装置是由四个部分组成，分别是：总控制层，幅值相位调节层，阀层，开关层。

控制层用来提供系统所需要的P和Q，将信息传输到幅值调节层用以调节直流侧的电

压的幅值和相位，其中由公式可知 。阀层用来决定上下臂的器件开通关断数量，开关层用来具体控制IGBT的关断并采集器件的信息反馈给阀层，再由阀层向上层进行传输，由最高层下达指令决定是否将器件移除以保证装置的安全。

因为涉及到经费等多方面的原因，我们只进行了关于开关层的实物实验，即通过FPGA器件进行环境因素的采集其中包括了12位的电压采集，过压采集，欠压采集，过流采集，温度采集，将数据存放于24位的帧当中进行数据的传输和采集。根据每个子模块功率器件的开关状态和电流的流向不同，子模块的工作状态大致可分为“闭锁”、“投入”、“旁路”、“切除”四种工作状态。

当子模块运行于“闭锁”状态时，上下IGBT均未触发，此时电流经D1流向电容向电容充电，或者电流通过D2对电容电压无影响。该状态多发生在非正常工作状态（如直流侧短路或者交流侧短路）。当子模块运行于“投入”状态时，上IGBT触发导通而下IGBT未触发，此时电流经向电容充电或经上IGBT对电容进行放电。当子模块运行于“旁路”状态时，旁路交流开关知导通，电流不流过子模块。该状态多发生在子模块发生内部故障的条件。当子模块运行于“切除”状态时，上IGBT未触发而下IGBT触发导通，此时电流经下IGBT或D2，该状态对电容电压均没有任何影响。

2.装置拓扑结构的分析

a，b，c分别为三相交流侧的电压源，sm就是子模块，每个桥臂由2m个子模块组成，上下桥臂分别为m，m为考虑冗余后的电平数量，实际每次导通的子模块个数为n，n的个数又直流侧要求的电压决定，比如直流侧要求的电压为2000v，每个子模块上电容的电压大小为100v，那么n就的等于20，即上下桥臂一共要导通20个子模块。

对模块化多电平整流逆变器工作原理进行分析时，假设子模块电容电压不变，为u0，直流侧电压为Udc，上桥臂导通模块数为Np，下桥臂导通模块数为Nn，则：

可见，通过控制上下桥臂子模块的导通数量，就可以改变交流侧的输出电压。通过对上下桥臂进行恰当的触发控制，整流逆变器就可以输出期望的交流电压[4]。

逆变器得到的输出电压为阶梯型的模拟正弦波，而由交流侧输入直流侧的电压的相位与整流逆变器输出的波形有一个相位差，幅值也不一样，正是由于这两个因素使得能量能从交流侧传入直流侧即产生P和Q。直流侧形成交流电压的原理是采用最小电平逼近策略，即用多个小的阶梯波来模拟生成正弦波。

3.开关层的设计

开关层主要承担的任务是进行模块电压的采集和各种温度，压力等环境因素的数据采集，在电压采集中，我们运用芯片Ads7886产生12位的电压数据，同时设计电路来进行过温过压的检测，并用0，1数据来表示。部分原理如图1所示。

4.结束语

通过几个月的实验和探索，我们将模块的底层做出来了，并进行了一系列的测试，发现测试的结果在误差范围之内，我相信在未来的几个月的时间中一定能将装置其余的部分完成。

参考文献

[1]许湘莲.基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究[D].武汉：华中科技

大学，

2006.

[2]模块化多电平动态电压恢复器的研究（翟晓萌，赵成勇，李路遥 102206）

张润峰 男 作者单位：华北电力大学