多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法研究

摘要：多電平變換器作為一種應(yīng)用于高壓大功率變換場(chǎng)合的新型變換器，其電路結(jié)構(gòu)和PWM控制方法是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。基于電平箝位方式對(duì)多電平變換電路進(jìn)行了分類(lèi)，比較了“二極管或電容箝位”和“使用獨(dú)立直流電源箝位”兩類(lèi)典型多電平電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并將現(xiàn)有的多電平PWM控制方法根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，指出了其適用范圍。

關(guān)鍵詞：多電平；脈寬調(diào)制；電平箝位；結(jié)構(gòu)；控制策略

1 引言

近年來(lái)，應(yīng)用于高壓大功率領(lǐng)域的多電平變頻器引起了電力電子行業(yè)的極大關(guān)注。由于受電力電子器件電壓容量的限制，傳統(tǒng)的兩電平變頻器通常采用“高—低—高”方式經(jīng)變壓器降壓和升壓來(lái)獲得高壓大功率，或采用多個(gè)小容量逆變單元經(jīng)多繞組變壓器多重化來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得系統(tǒng)效率和可靠性下降。因而，人們希望實(shí)現(xiàn)直接的高壓逆變技術(shù)。基于電力電子器件直接串聯(lián)的高壓變頻器對(duì)動(dòng)靜態(tài)的均壓電路要求較高，并且輸出電壓高次諧波含量高，需設(shè)置輸出濾波器。多電平逆變電路的提出為解決上述問(wèn)題取得了突破性的進(jìn)展。

多電平逆變器的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平臺(tái)階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。這種逆變器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形的諧波含量減小，開(kāi)關(guān)所承受的電壓應(yīng)力減小，無(wú)需均壓電路，可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的電機(jī)絕緣等問(wèn)題。1977年德國(guó)學(xué)者Holtz首次提出了利用開(kāi)關(guān)管來(lái)輔助中點(diǎn)箝位的三電平逆變器主電路，1980年日本的A.Nabae等人對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展^[1]，提出了二極管箝位式逆變電路。Bhagwat和Stefanovic在1983年進(jìn)一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)^[2]。多電平逆變器主要應(yīng)用在高壓大功率電機(jī)調(diào)速、無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波等領(lǐng)域。

本文在電平箝位基礎(chǔ)上對(duì)多電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類(lèi)，分析了幾種典型多電平電路拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)；對(duì)幾種多電平電路的PWM控制方法進(jìn)行了比較分析，討論了各種方法適用的主電路結(jié)構(gòu)。

2 多電平逆變電路的主電路拓?fù)浞治?

至今已提出多電平逆變電路的多種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較為廣泛的幾種按照電壓箝位方式可以分為兩大類(lèi)：

1）使用無(wú)源元器件如二極管或電容箝位的多電平逆變電路拓?fù)洌ǘO管箝位式、電容懸浮式、電容電壓自平衡式3種；

2）使用獨(dú)立直流電源箝位的多電平逆變電路拓?fù)?，包括功率單元串?lián)和混合單元串聯(lián)2種。

2.1 二極管或電容箝位的多電平逆變電路拓?fù)?

2.1.1 二極管箝位式多電平逆變電路

二極管箝位式多電平逆變電路的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行箝位，同時(shí)利用不同的開(kāi)關(guān)組合輸出所需的不同電平。圖1是二極管箝位式5電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有4個(gè)電容，能輸出5電平的相電壓，線(xiàn)電壓為9電平。對(duì)于M電平電路，直流側(cè)需M－1個(gè)電容，能輸出M電平的相電壓，線(xiàn)電壓為(2M－1)電平。它的輸出電壓和輸出電流的總諧波畸變率都大大減小。這種結(jié)構(gòu)有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即利用二極管進(jìn)行箝位，解決了功率器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}。

圖 1 二 極 管 箝 位 式 5電 平 逆 變 電 路

Fig.1 Three phases five levels diode neutral point clamped converter

但是，二極管箝位式多電平變頻器也有如下缺點(diǎn)。

1）雖然開(kāi)關(guān)器件被箝位在V_dc/(M－1)電壓上，但是二極管卻需要不同倍數(shù)的V_dc/(M－1)反向耐壓。如果使二極管的反向耐壓與開(kāi)關(guān)器件相同，則需要多管串聯(lián)，如圖2(a)所示，其數(shù)目為(M－1)(M－2)/2，當(dāng)M很大時(shí)，增加了實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。

2）當(dāng)逆變器只傳輸無(wú)功功率時(shí)，電容器在半個(gè)周期內(nèi)由相等的充電和放電來(lái)平衡電容電壓。但是當(dāng)逆變器傳輸有功功率時(shí)，由于各個(gè)電容的充電時(shí)間不同，將形成不平衡的電容電壓。

上述的二極管箝位式多電平逆變電路中的二極管承受電壓不均勻，若按照最大值選擇則造成浪費(fèi)，如果多管串聯(lián)又會(huì)產(chǎn)生均壓?jiǎn)栴}。因此，在1999年Xiaoming Yuan提出了一種新的結(jié)構(gòu)^[3]，如圖2(b)所示。它的器件個(gè)數(shù)和開(kāi)關(guān)控制的方法和原來(lái)的結(jié)構(gòu)完全相同，只有二極管的放置位置不同。該結(jié)構(gòu)不但將開(kāi)關(guān)管的電位箝位在單個(gè)電容電壓，而且箝位二極管也被箝位在單個(gè)電容電壓以?xún)?nèi)，從而解決了箝位二極管承受電壓不均的問(wèn)題。

（ a） 二 極 管 串 聯(lián) 箝 位 （ b） 二 極 管 自 箝 位

(a) Series diodes clamped converter （ b） Diodes self clamped converter

圖 2 二 極 管 箝 位 的 新 結(jié) 構(gòu)

Fig.2 New topology of diodes clamped convertor