多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略

0 引言

多電平變換器的概念自從A.Nabael在1980年的IAS年會(huì)上提出以后，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和研究。首先，對(duì)于n電平的變換器，每個(gè)功率器件承受的電壓僅為母線電壓的1/（n－1），這就使得能夠用低壓器件來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動(dòng)態(tài)均壓電路；多電平變換器的輸出電壓波形由于電平數(shù)目多，使波形畸變(THD)大大縮小，改善了裝置的EMI特性；還使功率管關(guān)斷時(shí)的dv/dt應(yīng)力減少，這在高壓大電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，有效地防止了電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿；最后，多電平變換器輸出無需變壓器，從而大大減小了系統(tǒng)的體積和損耗。因此，多電平變換器在高電壓大功率的變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

1 多電平變換器的結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)多電平變換器作了很多的研究，提出了不少結(jié)構(gòu)。從目前的資料上看，多電平變換器的結(jié)構(gòu)主要有4種：

1）二極管中點(diǎn)箝位型（見圖1）；

2）飛跨電容型(見圖2)；

3）具有獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)型（見圖3）；

4）混合的級(jí)聯(lián)型多電平變換器。

圖1 二極管箝位型三電平變換器

圖2 飛跨電容型三電平變換器

圖3 級(jí)聯(lián)型五電平變換器

其中混合級(jí)聯(lián)型是3）的改進(jìn)模型，它和3）的結(jié)構(gòu)基本上相同，唯一不同的就是3）的直流電源電壓均相等，而4）則不等。從圖1至圖3不難看出這幾種拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

二極管箝位型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)是便于雙向功率流控制，功率因數(shù)控制方便。缺點(diǎn)是電容均壓較為復(fù)雜和困難。在國內(nèi)外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化。

飛跨電容型多電平變換器，由于采用了電容取代箝位二極管，因此，它可以省掉大量的箝位二極管，但是引入了不少電容，對(duì)高壓系統(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難。另外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出相同質(zhì)量波形的時(shí)候，開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低。目前，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還沒有達(dá)到實(shí)用化的地步。

級(jí)聯(lián)型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)主要是同數(shù)量電平的時(shí)候，使用二極管數(shù)目少于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1）；由于采用的是獨(dú)立的直流電源，不會(huì)有電壓不平衡的問題。其主要缺點(diǎn)是采用多路的獨(dú)立直流電源。目前，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有實(shí)用化的產(chǎn)品。

2 多電平變換器的控制策略

從目前的資料來看，多電平變換器主要有5種控制策略，即階梯波脈寬調(diào)制、特定消諧波PWM、載波PWM、空間矢量PWM、 Sigma-delta調(diào)制法。

2.1 階梯波脈寬調(diào)制[1][2][3]

階梯波調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波，是比較直觀的方法。典型的階梯波調(diào)制的參考電壓和輸出電壓如圖4所示。在階梯波調(diào)制中，可以通過選擇每一個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的長短，來實(shí)現(xiàn)低次諧波的消除。2m＋1次的多電平的階梯波調(diào)制的輸出電壓波形的傅立葉分析見式(1)及式(2)。消除k次諧波的原理就是使電壓系數(shù)b_k為0。這種方法本質(zhì)上是對(duì)做參考電壓的模擬信號(hào)作量化的逼近。從圖4中不難看出這種調(diào)制方法對(duì)功率器件的開關(guān)頻率沒有很高的要求，所以，可以采用低開關(guān)頻率的大功率器件如GTO來實(shí)現(xiàn)；另外這種方法調(diào)制比變化范圍寬而且算法簡單，控制上硬件實(shí)現(xiàn)方便。不過這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是輸出波形的諧波含量高。

圖4 九電平階梯波輸出電壓波形