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高电压转换器与电动车应用:NPC多电平逆变器为何如此关键?

深圳市浮思特科技有限公司 2025-01-14 11:02 次阅读

随着能源需求的持续增长,电流在传输和利用过程中出现了许多问题。特别是,智能电网的增长和可再生能源的使用对电能的“质量”提出了更高的要求,例如减少谐波和在电网中平衡有功与无功功率的能力,因此需要使用静态无功补偿器(STATCOM)。简单来说,它们由电力电子设备组成,动态提供无功功率支持,在负载或发电波动期间帮助稳定电压水平。通常,它们位于高电压侧(从30 kV到150 kV及以上),由背靠背连接的受控整流器和逆变器组成,采用直流母线连接。

在处理高电压时,由于电子开关的限制传统桥式整流器和两电平逆变器并不适用。在几十年前,仅使用同步旋转机械。然而,基于“多电平转换器原理的新型切换转换器拓扑被开发出来。在这种拓扑中,交流电压由多个小电压源之和生成(实际上是通过电容器实现的,无论它们在拓扑中如何连接)。由于在三相系统中用于AC/DC转换和DC/AC转换的拓扑相同,只是切换模式不同以管理能量流向的不同,我们可以更普遍地称之为“转换器”而不是逆变器或整流器。

成本的降低以及材料技术的改进(如碳化硅/氮化镓IGBTMOSFET)使这些转换器对大约1 kV电压的应用也变得有吸引力,例如用于电动车(EV)的牵引系统(实际上为800 V)或电池充电器。

直观地说,串联更多的开关可以降低每个器件上的电压应力,并通过多个电压阶梯的合成减少谐波,但也需要考虑电路和控制复杂性增加带来的挑战。

为了理解这一概念,我们将研究一种多电平转换器,重点关注其首批实现的拓扑之一(也可能是目前成本效益较高且电压不太高应用中仍然主要使用的一种):中性点钳位多电平逆变器(NPCMLI)。为了简化,以下内容中仅讨论逆变器模式,而无需研究如何实现整流控制。

中性点钳位多电平逆变器的工作原理

我们来看一个连接到直流母线电压Vdc​的逆变器典型支路。在图1中,展示了通过一系列电容器生成多电平电压的理论原理,通过提供访问每个电容器端子的连接点(称为节点)。串联电容器既作为逆变器的能量存储系统,也提供了多个连接的节点。不同的拓扑可以用于将这些节点连接到输出,每种方法都有其优缺点。

wKgZPGeF01OAanSLAABD4egtfCk805.png图1

每个电容器两端的电压满足以下公式:

wKgZO2eF02GAFLKEAAAKtoVrNaY124.png

其中,n表示电平数,或者说是逆变器相对于直流母线可用的节点数。因此,一个设计为n电平的逆变器通常需要1n−1个电容器。

NPCMLI通过串联半导体开关,并使用钳位二极管将所需节点连接至输出来生成多电平电压波形。如图2所示,这是一个5电平NPCMLI的典型支路。

wKgZPGeF02iAH5_ZAABfHrHhxAc526.png图2

电路中不同参数的关系如下:

· 电容器数:n=m−1

· 开关数:l=2(m−1)

· 钳位二极管数:j=(m−1)(m−2)

可见,随着电平数的增加,电路的复杂性(包括开关和二极管数量)迅速增加。对于高电平数的场景,已经开发出了其他拓扑。

三电平NPCMLI分析

接下来我们将分析一个三电平NPCMLI,既是为了简化问题,也是因为它相较于两电平逆变器是首个显著改进。

图3展示了一个包含控制电路的三电平NPCMLI示意图。

wKgZO2eF03eAbw7GAAFO6w4DqK8607.png图3

通过查看其中的开关切换模式,我们可以了解如何生成多电平输出电压。假设从下到上命名四个开关为S1​至S4​。通过打开其中两对开关,并利用二极管,可以将相位端连接到所需的节点,如图4所示(红色路径表示电流流向)。

wKgZPGeF04KABsmnAABSccaCbio494.png图4


以下表格总结了基于开关状态的相电压合成过程。需要注意的是,每次输出电压变化时,仅有两个开关状态改变。

wKgZPGeF046AWDSgAAA6JopO4ls829.png表1

PWM调制与仿真

与两电平逆变器类似,为了在负载上生成正弦波电压,可以使用PWM(脉宽调制)技术。在载波信号的每个周期内,通过调制信号的平均值获得与目标正弦波值成比例的电压。

为了实现这一目标,可以通过多种方法完成。最简单的一种方法是使用多个载波,每个电压区间对应一个载波。例如,对于一个三电平转换器,需使用两个三角波载波:一个从0到½,另一个从½到1。调制信号为带有½偏置的正弦波,其幅值为ma​(调制指数)。通过比较正弦波与这两个载波,并结合查找表,可以确定各个开关的门极信号。

wKgZPGeF052AStDCAAATlsGQ1zg116.png

通过使用PLECS(一种由PLEXIM开发的电力电子系统仿真平台),可以得到相电压和线电压的仿真结果。如预期所示,三电平PWM调制的相电压在正弦波的一半周期内于0和Vdc​/2之间变化,另一半周期在Vdc​/2和Vdc​之间变化(见图5)。

wKgZPGeF06aAMHpRAABrgXdGETg814.png图5

优势与挑战

与传统两电平逆变器相比,三电平逆变器的线电压波形更接近正弦波。这表明,即使没有严格的数学证明,这种系统的谐波含量确实减少了。通过增加电压电平数,可以实现对正弦波的更精确逼近,从而简化线性滤波器的设计,因为需要抑制的谐波更少。

此外,使用更多电压电平的另一个优势是,每个开关承受的电压低于总电压。因此,开关时的dV/dt降低,不仅减少了开关应力,还降低了开关损耗和电磁干扰(EMI)。

尽管有这些优点,但也存在一些挑战。随着电平数的增加,电路的复杂性和组件成本显著提高。此外,复杂的控制策略可能会进一步增加系统设计和实施的难度。

结论

多电平转换器并非技术新贵,但研究人员和工程师仍在探索新的配置和控制策略,以提高其性能和适应性。随着材料和半导体技术的发展,我们可以期待更高效和更紧凑的设计,用于电动车或工业驱动等新型应用。然而,其复杂性和成本可能限制其在预算有限或简单应用中的使用。

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