多电平变换器在工业中的应用

本书所涉及的内容是电力电子学方面的重要应用。本书详细介绍了几种典型多电平变换器，以及它们的特性、工作原理、改进方法、控制和调制策略等。书中先介绍了很简单的变换器和相应的电路结构，然后在此基础上不断拓展出了新的功能和性能更完善的变换器，并比较了它们的优缺点和适用场合，如二极管钳位多电平变换器、飞跨电容多电平变换器等。很后针对书中出现过的变换器，介绍了两种实际环境中的案例研究与应用。

Sergio Alberto Gonzalez，博士，分别于1992年、2000年及2010年获得了阿根廷拉普拉塔国立大学(UNLP)电子工程师、工程学硕士及博士学位。他是拉普拉塔国立大学电力电子系教授，并从2000年开始任阿根廷基尔梅斯国立大学(UNQ)电力电子和电动机控制系副教授。1992年，Gonzalez博士加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室(LEICI)。他的研究方向是电源变换器领域，尤其是直流一直流变换器、谐振变换器、多电平变换器以及它们在柔性交流输电及电能质量控制中的应用。
Santiago Andros Verne，博士，分别于2003年和2012年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。从2003年开始，他在工业电子、控制和仪表实验室研究多电平变换器和驱动器。Verne博士现在拉普拉塔国立大学电气工程系任系主任助理。
Maria Ines Valla，博士，分别于1980年和1994年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。她是拉普拉塔国立大学电气工程系教授，也是阿根廷国家科学研究中心(CONICET)成员。Valla博士1980年加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室，并从1998年开始任工业电子、控制和仪表实验室电力电子组组长。她的研究方向是电力电子和交流变频器领域。1979年，Valla博士作为学生会员加入电气电子工程师学会(IEEE)。她曾在不同的岗位任职，包括研究员委员会委员(2012-2013)、道德与会员行为委员会委员(2006-2008)、《IEEE工业电子学汇刊》首席合作主编(2013年至今)、《IEEE工业电子学汇刊》副主编(2007-2012)、工业电子学会(IES)会员活动副(2010-2012)以及工业电子学会(IES)管理委员会终身委员(自2010年起)。Valla博士自2007年起成为阿根廷布宜诺斯艾利斯工程院院士，并从2010年起成为IEEE会士。

译者序
原书前言
作者简介
第1章绪言1
1.1简介1
1.2中压电力变换器1
1.3多电平变换器2
1.3.1对称拓扑4
1.3.2非对称拓扑5
1.4应用6
1.4.1电能质量改善6
1.4.2可再生能源接入7
1.4.3变速器8
1.5本书目标8
参考文献9
第2章多电平拓扑14
2.1简介14
2.2使用公共直流母线的通用拓扑15
2.2.1基本电路单元15
2.2.2通用拓扑特点16
2.2.3三电平通用拓扑18
2.3由通用拓扑衍生出的变换器20
2.3.1二极管钳位拓扑21
2.3.2飞跨电容拓扑32
2.4无公共直流环节的对称拓扑36
2.4.1五电平串联单元多电平变换器36
2.5对称拓扑总结38
2.6非对称拓扑40
2.6.1混合非对称拓扑40
2.6.2不同拓扑的组合电路43
2.6.3级联非对称多电平变换器45
2.7小结47
参考文献48
第3章二极管钳位多电平变换器50
3.1简介50
3.2变换器结构和功能说明50
3.2.1电压钳位51
3.2.2转换逻辑52
3.3多电平变换器的调制68
3.3.1多电平空间矢量调制71
3.4电压平衡控制80
3.4.1电容电压计算80
3.4.2电压平衡优化82
3.4.3流程83
3.5二极管钳位多电平变换器中电压平衡的有效性边界84
3.6性能效果89
3.7小结93
参考文献94
第4章飞跨电容多电平变换器95
4.1简介95
4.2飞跨电容电路拓扑95
4.2.1在飞跨电容上的电荷平衡96
4.3飞跨电容多电平变换器的调制方案98
4.3.1相移载波脉冲宽度调制98
4.4飞跨电容多电平变换器的动态电压平衡102
4.4.1动态模型102
4.4.2调整平衡网络104
4.5小结111
参考文献112
第5章级联非对称多电平变换器113
5.1简介113
5.2级联非对称多电平变换器电路的一般特性113
5.2.1调制策略114
5.2.2平均电压116
5.3级联非对称多电平变换器三相逆变器117
5.3.1直流母线中的平均电流117
5.3.2共模电流122
5.3.3差模谐波电流125
5.4五电平电路拓扑的比较132
5.4.1二极管钳位多电平变换器132
5.4.2飞跨电容多电平变换器133
5.4.3级联单元多电平变换器133
5.4.4级联非对称多电平变换器133
5.5小结134
参考文献134
第6章案例研究一：由级联非对称多电平变换器构成的静止同步补偿器136
6.1简介136
6.2补偿原理136
6.3级联非对称多电平变换器模型138
6.3.1电流控制142
6.4无功功率和谐波补偿145
6.4.1系统模型146
6.4.2无功补偿147
6.4.3谐波电流补偿150
6.5小结154
参考文献155
第7章案例研究二：建立在二极管钳位多电平变换器上的中压
电动机驱动156
7.1简介156
7.2背靠背式二极管钳位多电平变换器157
7.3背靠背连接的二极管钳位多电平变换器统一预测控制器在感应电动机
驱动中的应用160
7.3.1背靠背二极管钳位多电平变换器的控制160
7.3.2负载变换器：预测转矩控制162
7.3.3网侧变换器：预测功率控制166
7.3.4变换过渡约束169
7.4性能评估170
7.4.1机械负载变化171
7.4.2电压凹陷172
7.4.3能量回收174
7.4.4直流母线平衡算法的效能175
7.5小结178
参考文献179

在本书中，对使用公共直流电压源的多电平变换器进行了深入并且全面的分析。书中介绍了它们的控制和调制策略并且介绍了它们所具有的特点以及如何进行设计优化。实际上电力电子变换器是现代变换系统的核心，同时，它也是为满足提高效能、操作灵活的需求应用而生。这也对电力变换器的拓扑、控制方法等方面的技术不断提出了挑战。今天，现代的半导体器件可以承受很高的电流和电压。此外，如果将它们应用于多电平变换器中，其额定功率还会进一步提高。然而想要得到有更高效能和可靠控制的变换器设计，就必须对其拓扑的特点和工作方式有细致的了解。本书的写作目的就是要对大功率多电平变换器给出深入的讲解。本书可作为研究人员、研究生以及对中压电力变换器感兴趣的工程师等人员的参考用书。这种类型的变换器越来越多地应用于一些工业领域中，同时也被用于可再生能源、分布式发电和其他一些依赖于电力处理系统技术的场合。本书共分为7章：第1章，对中压电力变换器及其应用进行概述。在接下来的4章对不同的多电平变换器进行分析。最后两章对无功谐波补偿和中压电动机驱动这两种重要的实例进行了分析。第2章，描述了通用的多电平变换器的电路拓扑。这种拓扑是从典型的使用公共直流母线的变换器中衍生得到的。这些典型的变换器包括二极管钳位多电平变换器和飞跨电容多电平变换器等。通用的电路拓扑和一种新的用于描述变换器不同状态和它们的电压水平的图形表示法一起被引进，用于分析对称拓扑的共同特点。第3章，分析了二极管钳位多电平变换器的工作原理并且讨论了多电平空间矢量调制。为了能实现变换器的可靠工作，对变换器的内部的一些工作限制给出了说明和解释。在本章的最后，对无源前端变换器的平衡边界问题给予了说明。第4章，描述了飞跨电容多电平变换器的工作原理。在这里利用时间域模型分析了内部电容的动态特征，以便理解其如何通过移相载波脉宽调制和利用调整平衡网络来达到自平衡。第5章，呈现了一种新型的非对称拓扑。这种拓扑使用了混合调制和一个公共直流电源。它被称为级联非对称多电平变换器（CAMC），它具有5种电压。这种变换器所具有的电压级数和变换器的状态之比达到了一个很高的水平。与很多经典的拓扑相比，级联非对称多电平变换器的优点是非常明显的。第6章，展示了一个研究案例。在这个实例中，把级联非对称多电平变换器（CAMC）作为一种静止同步补偿器(DSTATCOM)和并联有源滤波器，分析其工作原理。这种应用是在中压配电系统中，使用多电平变换器作为一种定制电力装置，来改善电源性能的重要应用之一。第7章，展示了另一个研究案例。在这个例子中，将二极管钳位式电路拓扑组成了一种背靠背式链接结构的变换器，并分析其工作原理和性能。在这种情况中将预先控制方法引入到了网侧变换器及负载端变换器中。本章还在多种工作环境中，对变换器及其控制性能进行了分析。多电平变换器在工业中的应用原 书 前 言多电平变换器在工业中的应用作 者 简 介作 者 简 介Sergio Alberto Gonzlez，博士，分别于1992年、2000年及2010年获得了阿根廷拉普拉塔国立大学（UNLP）电子工程师、工程学硕士及博士学位。他是拉普拉塔国立大学电力电子系教授，并从2000年开始任阿根廷基尔梅斯国立大学（UNQ）电力电子和电动机控制系副教授。1992年，Gonzlez博士加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室（LEICI）。他的研究方向是电源变换器领域，尤其是直流-直流变换器、谐振变换器、多电平变换器以及它们在柔性交流输电及电能质量控制中的应用。Santiago Andrés Verne，博士，分别于2003年和2012年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。从2003年开始，他在工业电子、控制和仪表实验室研究多电平变换器和驱动器。Verne博士现在拉普拉塔国立大学电气工程系任系主任助理。María Inés Valla，博士，分别于1980年和1994年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。她是拉普拉塔国立大学电气工程系教授，也是阿根廷国家科学研究中心（CONICET）成员。Valla博士1980年加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室，并从1998年开始任工业电子、控制和仪表实验室电力电子组组长。她的研究方向是电力电子和交流变频器领域。1979年，Valla博士作为学生会员加入电气电子工程师学会（IEEE）。她曾在不同的岗位任职，包括研究员委员会委员（2012—2013）、道德与会员行为委员会委员（2006—2008）、《IEEE工业电子学汇刊》首席合作主编（2013年至今）、《IEEE工业电子学汇刊》副主编（2007—2012）、工业电子学会（IES）会员活动副（2010—2012）以及工业电子学会（IES）管理委员会终身委员（自2010年起）。Valla博士自2007年起成为阿根廷布宜诺斯艾利斯工程院院士，并从2010年起成为IEEE会士。过电应力（EOS）器件、 电路与系统致谢致谢我要感谢多年来SEMATECH、ESD协会、IEEE和JEDEC组织给予我的支持。我还要感谢IBM公司、Qimonda(奇梦达)公司、台积电公司（TSMC）、Intersil公司和三星电子公司。我很有幸能与大量的技术小组和许多客户共同工作。我也很有幸能够成为极富创新、智慧和创造力的技术设计团队中的一员。我要感谢那些允许我在会议、论坛、工业界及大学里授课、开讲座的机构,这为我撰写本书提供了动力。我要感谢一下大学里的教职员工们：麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学、中佛罗里达大学（UCF）、伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）、加州大学河滨分校（UCR）、布法罗大学、台湾交通大学、清华大学、台湾科技大学、新加坡国立大学（NUS）、南洋理工大学（NTU）、北京大学、复旦大学、上海交通大学、浙江大学、华中科技大学（HUST）、电子科技大学（UESTC）、马来西亚理科大学（USM）、马来西亚博特拉大学（UPM）、马来西亚伯乐学院（KDU）、朱拉隆功大学、马汉科理工大学、泰国国立农业大学、泰国国立法政大学、高丽大学和菲律宾玛布亚科技学院（MIT）。我还要感谢在多年来提供给我支持和机会，让我开办讲座、邀请报告和指导的EOS/ESD、IEEE可靠性物理国际研讨会(IRPS)、台湾ESD国际会议(T-ESDC)、国际电子器件会议(IEDM)、固态电子与集成电路技术国际会议(ICSICT)、物理与失效分析国际会议(IPFA)、IEEE ASICON，以及IEEE智能信号处理及通信系统国际会议(ISPACS)等。我还要感谢22年来在ESD领域的好友：MingDouKer教授、J.J.Liou教授、AlbertWang教授、ElyseRosenbaum教授、TimothyJ.Maloney、CharvakaDuvvury、EugeneWorley、RobertAshton、YehudaSmooha、VladislavVashchenko、AnnConcannon、AlbertWallash、VessilinVassilev、WarrenAnderson、MarieDenison、AlanRighter、AndrewOlney、BruceAtwood、JonBarth、EvanGrund、DavidBennett、TomMeuse、MichaelHopkins、YoonHuh、JinMin、JeffreyDunnihoo、KeichiHasegawa、TeruoSuzuki、HanGuKim、KitaeLee、NathanPeachey、KathyMuhonen、AugustoTazzoli、GaudenzioMenneghesso、MariseBaFleur、JeremySmith、NishaRam、SweeK.Lau、TomDiep、LifangLou、StephenBeebe、MichaelChaine、PeeYaTan、TheoSmedes、MarkusMergens、ChristianRuss、HaroldGossner、WolfgangStadler、MingHsiangSong、J.C.Tseng、J.H.Lee、MichaelWu、ErinLiao、StephenGaul、Jean-MichelTschann、TzeWeeChen、ShuQingCao、SlavicaMalobabic、DavidEllis、BlerinaAliaj、LinLin、DavidSwenson、DonnBellmore、EdChase、DougSmith、W.Greason、StephenHalperin、TomAlbano、TedDangelmayer、TerryWelsher、JohnKinnear和RonGibson.我还要感谢ESD协会为我在出版界、标准建立和会议活动中提供的支持。同时要感谢出版商和JohnWiley&Sons的工作人员，帮助我将本书列为ESD系列书籍的一部分。致我的孩子们，AaronSamuelVoldman和RachelPeshaVoldman,祝你们未来好运。致我的妻子，AnnieBrownVoldman，谢谢你多年来对我的工作的支持。致我的父母，Carl和BlossomVoldman。BaruchHaShemStevenHVoldmanIEEEFellow博士在本书中，对使用公共直流电压源的多电平变换器进行了深入并且全面的分析。书中介绍了它们的控制和调制策略并且介绍了它们所具有的特点以及如何进行设计优化。实际上电力电子变换器是现代变换系统的核心，同时，它也是为满足提高效能、操作灵活的需求应用而生。这也对电力变换器的拓扑、控制方法等方面的技术不断提出了挑战。今天，现代的半导体器件可以承受很高的电流和电压。此外，如果将它们应用于多电平变换器中，其额定功率还会进一步提高。然而想要得到有更高效能和可靠控制的变换器设计，就必须对其拓扑的特点和工作方式有细致的了解。本书的写作目的就是要对大功率多电平变换器给出深入的讲解。本书可作为研究人员、研究生以及对中压电力变换器感兴趣的工程师等人员的参考用书。这种类型的变换器越来越多地应用于一些工业领域中，同时也被用于可再生能源、分布式发电和其他一些依赖于电力处理系统技术的场合。本书共分为7章：第1章，对中压电力变换器及其应用进行概述。在接下来的4章对不同的多电平变换器进行分析。最后两章对无功谐波补偿和中压电动机驱动这两种重要的实例进行了分析。第2章，描述了通用的多电平变换器的电路拓扑。这种拓扑是从典型的使用公共直流母线的变换器中衍生得到的。这些典型的变换器包括二极管钳位多电平变换器和飞跨电容多电平变换器等。通用的电路拓扑和一种新的用于描述变换器不同状态和它们的电压水平的图形表示法一起被引进，用于分析对称拓扑的共同特点。第3章，分析了二极管钳位多电平变换器的工作原理并且讨论了多电平空间矢量调制。为了能实现变换器的可靠工作，对变换器的内部的一些工作限制给出了说明和解释。在本章的最后，对无源前端变换器的平衡边界问题给予了说明。第4章，描述了飞跨电容多电平变换器的工作原理。在这里利用时间域模型分析了内部电容的动态特征，以便理解其如何通过移相载波脉宽调制和利用调整平衡网络来达到自平衡。第5章，呈现了一种新型的非对称拓扑。这种拓扑使用了混合调制和一个公共直流电源。它被称为级联非对称多电平变换器（CAMC），它具有5种电压。这种变换器所具有的电压级数和变换器的状态之比达到了一个很高的水平。与很多经典的拓扑相比，级联非对称多电平变换器的优点是非常明显的。第6章，展示了一个研究案例。在这个实例中，把级联非对称多电平变换器（CAMC）作为一种静止同步补偿器(DSTATCOM)和并联有源滤波器，分析其工作原理。这种应用是在中压配电系统中，使用多电平变换器作为一种定制电力装置，来改善电源性能的重要应用之一。第7章，展示了另一个研究案例。在这个例子中，将二极管钳位式电路拓扑组成了一种背靠背式链接结构的变换器，并分析其工作原理和性能。在这种情况中将预先控制方法引入到了网侧变换器及负载端变换器中。本章还在多种工作环境中，对变换器及其控制性能进行了分析。多电平变换器在工业中的应用原 书 前 言多电平变换器在工业中的应用作 者 简 介作 者 简 介Sergio Alberto Gonzlez，博士，分别于1992年、2000年及2010年获得了阿根廷拉普拉塔国立大学（UNLP）电子工程师、工程学硕士及博士学位。他是拉普拉塔国立大学电力电子系教授，并从2000年开始任阿根廷基尔梅斯国立大学（UNQ）电力电子和电动机控制系副教授。1992年，Gonzlez博士加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室（LEICI）。他的研究方向是电源变换器领域，尤其是直流-直流变换器、谐振变换器、多电平变换器以及它们在柔性交流输电及电能质量控制中的应用。Santiago Andrés Verne，博士，分别于2003年和2012年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。从2003年开始，他在工业电子、控制和仪表实验室研究多电平变换器和驱动器。Verne博士现在拉普拉塔国立大学电气工程系任系主任助理。María Inés Valla，博士，分别于1980年和1994年获得了拉普拉塔国立大学电子工程师及工程学博士学位。她是拉普拉塔国立大学电气工程系教授，也是阿根廷国家科学研究中心（CONICET）成员。Valla博士1980年加入拉普拉塔国立大学工业电子、控制和仪表实验室，并从1998年开始任工业电子、控制和仪表实验室电力电子组组长。她的研究方向是电力电子和交流变频器领域。1979年，Valla博士作为学生会员加入电气电子工程师学会（IEEE）。她曾在不同的岗位任职，包括研究员委员会委员（2012—2013）、道德与会员行为委员会委员（2006—2008）、《IEEE工业电子学汇刊》首席合作主编（2013年至今）、《IEEE工业电子学汇刊》副主编（2007—2012）、工业电子学会（IES）会员活动副（2010—2012）以及工业电子学会（IES）管理委员会终身委员（自2010年起）。Valla博士自2007年起成为阿根廷布宜诺斯艾利斯工程院院士，并从2010年起成为IEEE会士。过电应力（EOS）器件、 电路与系统致谢致谢我要感谢多年来SEMATECH、ESD协会、IEEE和JEDEC组织给予我的支持。我还要感谢IBM公司、Qimonda(奇梦达)公司、台积电公司（TSMC）、Intersil公司和三星电子公司。我很有幸能与大量的技术小组和许多客户共同工作。我也很有幸能够成为极富创新、智慧和创造力的技术设计团队中的一员。我要感谢那些允许我在会议、论坛、工业界及大学里授课、开讲座的机构,这为我撰写本书提供了动力。我要感谢一下大学里的教职员工们：麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学、中佛罗里达大学（UCF）、伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）、加州大学河滨分校（UCR）、布法罗大学、台湾交通大学、清华大学、台湾科技大学、新加坡国立大学（NUS）、南洋理工大学（NTU）、北京大学、复旦大学、上海交通大学、浙江大学、华中科技大学（HUST）、电子科技大学（UESTC）、马来西亚理科大学（USM）、马来西亚博特拉大学（UPM）、马来西亚伯乐学院（KDU）、朱拉隆功大学、马汉科理工大学、泰国国立农业大学、泰国国立法政大学、高丽大学和菲律宾玛布亚科技学院（MIT）。我还要感谢在多年来提供给我支持和机会，让我开办讲座、邀请报告和指导的EOS/ESD、IEEE可靠性物理国际研讨会(IRPS)、台湾ESD国际会议(T-ESDC)、国际电子器件会议(IEDM)、固态电子与集成电路技术国际会议(ICSICT)、物理与失效分析国际会议(IPFA)、IEEE ASICON，以及IEEE智能信号处理及通信系统国际会议(ISPACS)等。我还要感谢22年来在ESD领域的好友：MingDouKer教授、J.J.Liou教授、AlbertWang教授、ElyseRosenbaum教授、TimothyJ.Maloney、CharvakaDuvvury、EugeneWorley、RobertAshton、YehudaSmooha、VladislavVashchenko、AnnConcannon、AlbertWallash、VessilinVassilev、WarrenAnderson、MarieDenison、AlanRighter、AndrewOlney、BruceAtwood、JonBarth、EvanGrund、DavidBennett、TomMeuse、MichaelHopkins、YoonHuh、JinMin、JeffreyDunnihoo、KeichiHasegawa、TeruoSuzuki、HanGuKim、KitaeLee、NathanPeachey、KathyMuhonen、AugustoTazzoli、GaudenzioMenneghesso、MariseBaFleur、JeremySmith、NishaRam、SweeK.Lau、TomDiep、LifangLou、StephenBeebe、MichaelChaine、PeeYaTan、TheoSmedes、MarkusMergens、ChristianRuss、HaroldGossner、WolfgangStadler、MingHsiangSong、J.C.Tseng、J.H.Lee、MichaelWu、ErinLiao、StephenGaul、Jean-MichelTschann、TzeWeeChen、ShuQingCao、SlavicaMalobabic、DavidEllis、BlerinaAliaj、LinLin、DavidSwenson、DonnBellmore、EdChase、DougSmith、W.Greason、StephenHalperin、TomAlbano、TedDangelmayer、TerryWelsher、JohnKinnear和RonGibson.我还要感谢ESD协会为我在出版界、标准建立和会议活动中提供的支持。同时要感谢出版商和JohnWiley&Sons的工作人员，帮助我将本书列为ESD系列书籍的一部分。致我的孩子们，AaronSamuelVoldman和RachelPeshaVoldman,祝你们未来好运。致我的妻子，AnnieBrownVoldman，谢谢你多年来对我的工作的支持。致我的父母，Carl和BlossomVoldman。BaruchHaShemStevenHVoldmanIEEEFellow博士