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多电平、多重化有什么区别???

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本科教材学过两个概念,多电平、多重化,在我看来都差不多,有没有大神能够帮忙说说二者的差异究竟是什么呢?(问了老师,讲了一堆,我还是没听懂,不好意思当面再问啦)

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李秋月·0.00

2016-07-08提问

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为了实现高压大功率的要求,充分利用有限容量的开关器件获得大容量高电压变流器,电力电子专家们想出了很多办法,这些办法的总体思路包含三大类:功率器件串并联技术、多重化技术、多电平技术


1、功率器件串并联技术
       这几乎是最容易想到的办法了,其原理就是用低压小容量的开关器件实现大功率变换,将器件串联以提高电压等级,将器件并联后以提高电流等级。然而,说起来简单的事情,做起来就不一定简单了。由于开关器件的参数不完全相同,因此需要附加动静态均压、均流电路,对功率器件驱动电路的要求也相应提高;同时均衡电路会导致系统控制复杂,损耗增加。另外,这种技术并不能改善输出波形,高电压、大电流的应用场合下,会产生无法忍受的du/dt、di/dt。因此,直接地功率器件串并联技术的应用范围有限,不适用于开发高性能变流器。

那怎么办呢?电力电子专家非常聪明,从电路拓扑上想出了办法,这就是牛逼的多重化技术、多电平技术。


2、多重化技术

多重化,其中的“重”就是重复的意思,即多个独立的低压两电平电路的重复,各个两电平电路可以是完全一模一样的。当然,重复的时候要满足一定的规律,使各个电路的输出按照规律叠加起来,大多是通过变压器使各个电路串联、并联起来,使变压器副边输出的电压或者电流波形接近正弦波。变压器起到了隔离的作用,使得原边的逆变器可以完全独立地工作。

下面以单相电压型二重逆变器为例进行说明。下图中,u1和u2都是180°的矩形波,输出电压包含了2个电平,即两电平电路。将两个逆变器输出的电压u1和u2分别移相60°之后,三次谐波就移相180°了,副边u0中的三次谐波反相了,这样就消除了三次谐波。因为移相的原因,u0成了120°的矩形波,输出电压包含了3个电平,3k次的谐波都被抵消了。

下面给出的是三相电压型二重逆变器的电路与输出波形。


      此外,还有几个基本概念,或者叫做两种分类方式顺便普及一下。

      1、按照重数分类:几重化。几个两电平电路联接就叫几重化,例如:二重化就是两个两电平电路重复。上面的两个例子都是二重化。二重化也是历史上最常见的方式,因为变压器的数量少,谐波消除效果明显。

       2、按照重复方式分类:多重化包括串联多重化和并联多重化,前者适用于各个电压源型电路串联连接,后者适用于各个电流源型电路并联连接,如下图所示。


       电压源型逆变电路比较常用,因此多重化也以串联多重化为主。电流型逆变器较少,现有的电流型逆变器常用于变频器。

       多重化是逆变器增压扩流、降低谐波的早期方法,它的最大优势是技术实现上非常简单,每个两电平逆变电路各自独立运行,单元电路非常简单,就是普通的两电平逆变器;其最大的问题有两点:

        第1, 需要多个变压器,变压器的大量使用增加了损耗、成本、重量、体积、占地面积,此外还有变压器饱和的问题。

       第2, 导致了基波损失,这个事情讲起来比较麻烦一点。多重化实现多电平消谐波的思路是“各个低压两电平电路的输入输出波形要错开一定的相位”,这样做虽然达到减小谐波的目的,但是也使得低压电路的基波发生了移相,从而导致合成后的基波损失了,即基波利用率降低了。

        现在,由于多电平技术的成熟以及多重化技术固有的缺陷,多重化技术路线几乎不用了。


3、多电平技术
      多电平,即一个电路就能输出多个电平,特别强调是一个电路,也就是说多电平电路已经从本质上抛弃了两电平思路,这是与多重化技术的最大差别(多重化是利用两电平电路做文章)。典型的多电平电路是:NPC(Neutral Point Clamped)、飞跨电容、CHB(Cascaded H-Bridge)、MMC(Modular Multilevel Converter)等等。



与两电平变流器相比,多电平变流器具有如下优点:

1、开关管可以工作在低频或工频,开关损耗小,效率高,适合于高压大功率场合应用;

2、电压跳变小,即du/dt小,降低了开关管的耐压要求,还可以减小对电动机绝缘的损害,降低了电磁干扰;

3、可以直接实现大功率高压输出,不需要笨重、昂贵、耗电的变压器;

4、在三相系统中输出的共模电压小;

5、与器件串并联技术相比,不存在静态和动态均压问题。

在我看来,多电平最大的优点就是:省去了笨重的、昂贵的变压器,且基波不损失

正是由于多电平技术理念上的先进性,因此是目前研究和应用的主流,新的拓扑越来越多。

不管多电平的拓扑如何变换,如何创新,总体而言,多电平电路的构造思路基本上可以分成两大类:钳位式、级联式(按照电路理论的定义,级联式准确说应该称为串联式,但现在的文献都用cascaded,搞不懂为什么)。

各种拓扑都有自己的独特之处,实际应用中应具体问题具体分析。

NPC的优点是,可以将两组相同的多电平变换器按照“背靠背”的方式进行连接,可实现四象限运行,便于双向功率流控制,因此在变频器领域获得了广泛的应用,如双馈风力发电;NPC的缺点是难以实现电容电压的平衡控制,而且在电平数较多时所需二极管数目巨大。在NPC中,三电平NPC的电容电压平衡问题已经可以通过多种方法得到解决了,因此三电平NPC应用非常广泛。

飞跨电容型多电平,直流侧电容不变,只是用飞跨电容取代钳位二极管,省去了大量的二极管,但又引入了不少电容。对高压系统而言,电容体积大、成本高、封装难。电容的引进使电压合成的选择增多,通过在同一电平上不同开关状态的组合,可使电容电压保持均衡,理论上可较好地应用于有功调节和交流变频调速,但控制方法非常复杂,而且开关频率增高,开关损耗增大,效率随之降低。该种电路结构到目前为止,可以说还没有达到实用化程度。

全桥级联多电平变换器CHB由两个或多个单相全桥电路级联而成,每个单相全桥逆变器由一个独立的直流电源供电,总的输出为所有级联单元输出的叠加。CHB具有以下显著优点:1)由于没有电容和钳位二极管的限制,CHB的电平数可较大,因而可上更高电压,实现更低谐波;2)具有模块化的结构特点,设计、 制造、安装方便,所基于的低压、小容量逆变器技术成熟,易于控制,系统的可靠性高;3)对相同的电平数来说,级联结构所需的元器件数目最少。CHB结构的典型特点是需要多个独立的直流电源。应用于高压变频、直流输电等领域时,这是CHB的一大缺陷;但对于燃料电池发电、储能系统开发来说,就不存在这个问题了。此外,这种结构非常适用于高压无功补偿,即STATCOM,是高压STATCOM的最佳拓扑。

MMC拓扑是一种适用于HVDC和FACTS的新型VSC拓扑结构,以其不需要体积庞大的输入变压器、直接模块化级联、输出多电平且能够组成背靠背四象限变流器等诸多优点,得到了广大专家学者的热捧,被称作是下一代的多电平变换器,受到广泛的重视和研究。尤其是2008年以来,各国专家学者发表了大量关于MMC的学术论文。MMC采用模块化设计,通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化,并且可以扩展到任意电平输出,减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量,输出电压非常平滑且接近理想正弦波形,因此在网侧不需要大容量交流滤波器;开关器件的开关频率低,开关损耗也相应减少;由于MMC拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中,提高了故障穿越能力。 MMC的这些特点提高了HVDC系统的经济性、可靠性和适应性,被认为是柔性直流输配电技术的引擎


综上所述,多重化、多电平都是为了降低变流器输出波形的谐波成分,同时提升变流器的电压、电流等级,满足高电压、大电流的应用场合,是历史上不同发展阶段的产物。多重化的本质是:利用变压器,通过两电平电路的串并联来增压扩流、消谐波;多电平的本质是:一个电路即可直接输出多个电平,无需变压器。因此,可以认为多重化的本质还是两电平,多电平的本质才是真正的多电平。

现在,由于多电平技术的成熟以及多重化技术固有的缺陷,多重化技术路线几乎不用了。

评论 (2)条评论
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  123·320.00

2016-08-15回答

谢谢答主!帮助非常大!  lichee 3个月前

太强了,逻辑很清晰  yk 1个月前

5
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多重化是指通过变压器移相再叠加在一起产生出的多个电平;

多电平是一种技术,是指通过某些方法使得电力电子设备输出多个台阶的电平。电平数量越多,电流谐波就越小。狭义来说,多电平技术主要指一些特定的功率拓扑,如三电平、五电平等;

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  朱皇儒·30.00

2016-07-20回答

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