多電平變換器拓撲結構和控制方法研究

該混合單元輸出各個電平時兩個單元的開關狀態(tài)如表1所示。

表1 電壓比為1：2時輸出電平狀態(tài)

Table 1 The output level status when voltage ratio as 1:2

類似的，可以將兩個單元的電壓比設為1：3，控制方法與1：2的結構類似。開關狀態(tài)如表2所示。

表2 電壓比1：3時輸出電平狀態(tài)

Table 2 The output level status when voltage ratio as 1:3

3 多電平逆變電路的控制方法

過去的20年中，人們提出了大量的多電平變換器PWM方法，其中大多數已獲得了實際應用。這些控制方法可分為兩大類：三角載波PWM技術和直接數字技術（空間電壓矢量法SVPWM），它們都是2電平PWM在多電平中的擴展。

3.1 三角載波PWM方法

3.1.1 消諧波PWM（SHPWM）法

消諧波PWM法^[8]的原理是電路的每一相使用一個正弦調制波和幾個三角波進行比較，在正弦波與三角波相交的時刻，如果正弦波的幅值大于某個三角波的值，則開通相應的開關器件，否則，則關斷該器件。為了使M－1個三角載波所占的區(qū)域是連續(xù)的，它們在空間上是緊密相連且對稱地分布在零參考量的正負兩側。消諧波PWM是2電平三角載波PWM在多電平中的擴展。

3.1.2 開關頻率最優(yōu)PWM（SFOPWM）法

開關頻率最優(yōu)法^[8]是Steinke提出的，它和SHPWM法類似，也是由2電平三角載波PWM擴展而來。它的載波要求與SHPWM法相同，不同的是它在正弦調制波中注入了零序分量。對于一個三相系統(tǒng)，這個零序分量是三相正弦波瞬態(tài)最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的調制波是三相正弦波減去零序分量后所得到的波形。這種方法通過在調制波中注入零序分量而使得電壓調制比達到1.15。但是該方法只能用于三相系統(tǒng)。因為在單相系統(tǒng)中注入的零序分量無法互相抵消，從而在輸出波形中存在三次諧波，而在三相系統(tǒng)中就不會有這種問題。實際上，這種零序分量注入的方法在本質上與電壓空間矢量法是一致的，它相當于零矢量在半開關周期始末兩端均勻分布的空間電壓矢量法^[9]。所以，SFOPWM法可以看成是2電平空間電壓矢量法在多電平變換器控制中的推廣。

3.1.3 三角波移相PWM（PSPWM）法

三角載波移相PWM法^[10]是一種專門用于級聯型多電平變換器的PWM方法。這種控制方法與SHPWM方法不同，每個模塊的SPWM信號都是由一個三角載波和一個正弦波比較產生，所有模塊的正弦波都相同，但每個模塊的三角載波與它相鄰模塊的三角載波之間有一個相移，這一個相移使得各模塊所產生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使得各模塊最終疊加輸出的SPWM波的等效開關率提高到原來的K_eff倍，在不提高開關頻率的條件下大大減小了輸出諧波。

3.1.4 三角載波移相——開關頻率最優(yōu)PWM（PS－SFOPWM）法

這是對3.1.2和3.1.3所述方法的推廣^[11]，將PSPWM法和SFOPWM法相結合，三角載波采用PSPWM中的方法，調制波采用SFOPWM中的方法來確定。這種新的方法兼具PSPWM和SFOPWM的優(yōu)點，在相同的開關頻率下，等效開關頻率提高到原來的K_eff倍，電壓調制比提高到1.15倍。但是同時，這種方法又受到PSPWM法和SFOPWM法的局限性的限制，因此，PS－SFOPWM最適用于三相級聯型多電平變換電路。

3.2 空間電壓矢量PWM方法

多電平PWM的空間電壓矢量法與其它方法比較是較為優(yōu)越和應用廣泛的一種，其優(yōu)越性表現在：在大范圍的調制比內具有很好的性能，無其它控制方法所需存儲的大量角度數據，并且母線利用率高^[12]。多電平空間矢量PWM是根據2電平空間矢量控制法推廣得到的，可以認為多電平空間矢量控制思想與2電平是一致的。對某一個空間電壓矢量，是用該區(qū)域相應的電壓矢量適時切換合成所得。所不同的是多電平的電壓矢量更密集，模大小可選擇的種類更多，合成時過渡更自然，合成的磁鏈更接近圓磁場，因而控制更精確，輸出電壓諧波更小。但是，這樣也帶來了控制上的復雜性，當應用于5電平以上的多電平電路時其控制算法將變得非常復雜。另外，若采用傳統(tǒng)的“最近三矢量”還會出現“窄脈沖”問題。針對電路復雜這一問題，文獻[13]提出了一種新型的多電平最優(yōu)空間矢量PWM控制方案，這種方法基于空間矢量PWM控制思想，從三相參考電壓到8個待選的空間矢量和參考電壓矢量，然后選擇與參考電壓矢量最接近的空間矢量。這種方法不受電平數增加的影響，解決了算法隨著電平的增加而非常復雜的問題。對于“窄脈沖”問題，文獻[12]提出了不同于傳統(tǒng)方法的“非最近三矢量”和“非最近四矢量”法以克服這一問題。

3.3 控制方法適用的主電路結構

根據以上分析，可以得到以下結論：

1）在應用中，當變換器電平數超過5時，空間矢量PWM法將非常復雜，為了簡化控制算法，三角載波PWM是較好的選擇；

2）SHPWM法和SFOPWM法既可以用于箝位式電路又可以用于級聯式電路，而PSPWM法和PS-SFOPWM法只適合用于級聯式電路，SFOPWM法和PS-SFOPWM法由于在正弦調制波中注入了零序分量，因而只適合用于三相系統(tǒng)；

3）對于單相級聯式多電平變換器，PSPWM法的控制效果最好；

4）對于三相級聯型多電平變換器，PS-SFOPWM法由于提高了等效開關頻率，較之SFOPWM法具有更好的控制效果。

4 結語

電平箝位問題不但可以作為多電平逆變電路拓撲結構的分類出發(fā)點，而且也是研究開發(fā)新型多電平逆變電路結構的一個關鍵問題。本文按照多電平變換逆變電路中的電平箝位方式對其進行了分類，主要分析了基于二極管或電容箝位的“中點箝位逆變電路”和“具有自動均壓功能的逆變電路”，使用獨立電源箝位的“H橋功率單元串級逆變電路”和由其改進的“混合單元串級逆變電路”；在討論混合單元串級逆變電路時，得出了各個單元在不同電壓比時功率器件的開關情況。

對于多電平逆變電路的控制方法，本文分析了基于三角載波的消諧波PWM法、開關頻率最優(yōu)PWM法和移相PWM法，以及空間電壓矢量PWM法；并對幾種方法的應用進行了討論比較，最后分析出了各種控制方法最適用的電路結構。