級聯(lián)多電平逆變器特性研究

　　1 引言

　　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獲得高壓大功率，或采用多個小容量逆變單元經(jīng)多繞組變壓器多重化來實現(xiàn)，這使得系統(tǒng)效率和可靠性下降。因而，人們希望實現(xiàn)直接的高壓逆變技術。基于電力電子器件直接串聯(lián)的高壓變頻器對動靜態(tài)的均壓電路要求較高，并且輸出電壓高次諧波含量高，需設置輸出濾波器。級聯(lián)多電平逆變電路的提出為解決上述問題取得了突破性的進展。

　　級聯(lián)多電平逆變器是由若干個基本逆變單元（例如h橋逆變器）通過串聯(lián)連接而形成的單相或三相逆變器。每一個逆變單元可以輸出方波或階梯波，通過輸出波形的疊加合成，形成更多電平臺階的階梯波，以逼近逆變器的正弦輸出電壓。這種電路的特點：隨著逆變器級聯(lián)數(shù)目的增加，輸出電壓的電平數(shù)增加，從而使得輸出電壓或電流波形的諧波含量減小;由于多個逆變單元串聯(lián)完成整個逆變?nèi)蝿?，雖然整體輸出開關頻率變高，但各個逆變單元功率器件的開關頻率并不高，因此與非級聯(lián)電路相比功率器件承受的電壓應力減小，在高壓應用中無需均壓電路，同時可避免大的dv/dt所導致的電機負載絕緣等問題;當各串聯(lián)或并聯(lián)連接的級聯(lián)單元中有一個單元故障時，可通過把此單元短接而退出工作，其它單元仍然能夠正常工作，保證系統(tǒng)正常運行。使模塊化逆變器產(chǎn)品的封裝，生產(chǎn)和制造成為可能，擴展容易。近年來，由于級聯(lián)多電平逆變器的上述優(yōu)點，在中高壓調(diào)速領域、不停電電源、交流柔性輸電系統(tǒng)（facts）等應用中引起了電力電子行業(yè)的極大關注，成為中高壓能量變換的首選方案。因此級聯(lián)多電平逆變器的拓撲結構及其控制策略的研究將極有意義。本文在閱讀國內(nèi)外文獻的基礎上，對級聯(lián)多電平逆變器的主電路拓撲結構及其控制方法進行匯總，以期對級聯(lián)多電平逆變器的研究提供參考。

　　2 級聯(lián)多電平逆變電路的拓撲結構

　　多電平逆變器實現(xiàn)的結構一般主要有：二極管箝位型（diode-clampedinverter）、飛跨電容箝位型（flying-capacitorinverter）、具有獨立直流電源的級聯(lián)型（cascaded-inverters with separate dcsources）、具有多繞組變壓器輸出的多重化型等等。

　　2.1基本的多電平逆變電路

　　（1） 全橋逆變電路

　　全橋逆變器的主電路圖見圖1。由于控制方式的不同，它可以有很多種工作方式，常用的工作方式為：

　　兩電平：s1（d1）和s4（d4）導通，而s2和s3關斷，uab=vdc;反之，s2（d2）和s3（d3）導通，而s1和s4關斷，uab=-vdc;三電平：s1（d1）和s4（d4）導通，uab=vdc;s2和s3導通，uab=-vdc;s1（d1）和s2（d2）導通或s3（d3）和s4（d4）導通，uab=0。

　　對圖1進行改進就可以得到5電平單相橋式逆變電路［17］，如圖2所示。和圖1相比，多了一個電容，使負載輸出的電平數(shù)為5:vdc，-vdc，0，+vdc/2，-vdc/2。s5截止時其工作同單相全橋逆變電路，可輸出三電平;s5和s4（d4）導通時，uab=vdc/2; s5和s2（d2）導通時，uab=-vdc/2。

　?。?） 二極管箝位多電平逆變電路

　　1977年德國學者holtz首次提出了利用開關管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路，1980年日本的amiddot;nabae等人對其進行了發(fā)展，提出了二極管箝位式逆變電路。圖3（a）為二極管箝位逆變電路，它具有2個電容，能輸出3電平的相電壓。

　　u相工作情況與輸出相電壓的電平

　　s11和s12（或d11和d12）通，s41和s42斷，uo間電位差為vdc/2;

　　s41和s42（或d41和d42）通，s11和s12斷，uo間電位差為-vdc/2;

　　s12和s41導通，s11和s42關斷時，uo間電位差為0;

　　s12和s41不能同時導通;

　　u》0時，s12和d1導通;

　　u《0時，s41和d4導通。

　　bhagwat和stefanovic在1983年進一步將三電平推廣到多電平的結構。二極管箝位式多電平變換電路的特點是采用多個二極管對相應的開關器件進行箝位，同時利用不同的開關組合輸出所需的不同電平。對于n電平電路，直流側(cè)需n-1個電容，能輸出n電平的相電壓，線電壓為（2n-1）電平，圖3（b）為二極管箝位式5電平變換電路拓撲結構。顯然輸出電平越多，其輸出電壓和輸出電流的總諧波畸變率越小。二極管箝位結構的顯著優(yōu)點：就是利用二極管箝位解決了功率器件串聯(lián)的均壓問題，適于高電壓場合。

　　缺點

　　雖然開關器件被箝位在vdc/（n-1）電壓上，但是二極管卻要承受不同倍數(shù)的vdc/（n-1）反向耐壓;如果使二極管的反向耐壓與開關器件相同，則需要多管串聯(lián)，當串聯(lián)數(shù)目很大時，增加了實際系統(tǒng)實現(xiàn)的難度;當逆變器傳輸有功功率時，由于各個電容的充電時間不同，將形成不平衡的電容電壓。

　　（3） 飛跨電容箝位型逆變電路

　　1992年，t·a·maynard和h·foch提出了如圖4（a）所示結構的飛跨電容箝位型逆變電路，其特點是用箝位電容代替圖3中所述的箝位二極管，直流側(cè)電容不變，其工作原理與二極管箝位型逆變器相似。若要輸出更多的電平，須按照圖4（b）所示層疊接法進行擴展。因此也稱為多單元層疊型逆變器（imbricatedcell multilevelinverter）［19］。同樣n電平逆變器可輸出n電平相電壓，（2n－1）電平的線電壓。飛跨電容箝位型逆變器相對于二極管箝位型逆變器的優(yōu)點是：

　　在電壓合成方面，開關狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性;由于電容的引進，可通過在同一電平上不同開關的組合，使直流側(cè)電容電壓保持均衡;可以控制有功功率和無功功率的流量，因此可用于高壓直流輸電。

　　缺點是：逆變器每個橋臂需要的電容數(shù)量隨輸出電平數(shù)增加而增加，再加上直流側(cè)的大量電容使得系統(tǒng)成本高且封裝困難;其次控制方法非常復雜，實現(xiàn)起來很困難;并且還存在電容的電壓不平衡問題。

　　2.2 級聯(lián)多電平逆變電路

　　具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器是將前述多個逆變單元串聯(lián)起來，使逆變器輸出電壓的電平數(shù)增加，從而使得輸出波形的諧波含量減小，開關所承受的電壓應力減小。這種結構的特點就是易于進行模塊化設計，擴展容易;主要缺點是每個單元需要隔離的直流電源。

　　（1） 基本的級聯(lián)逆變電路

　　基本的級聯(lián)逆變電路就是具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器。其中每個單元的直流電源可以相同也可以不同，但逆變單元拓撲結構是同一類型。如果串聯(lián)連接的逆變橋中，至少有一個獨立直流電源的電壓與其它橋不同，就稱這種多電平逆變器為非對稱的，否則為對稱［12］［13］［14］（vdc1=vdc2=vdc3），如圖5（a）所示。非對稱的逆變器一般比對稱型輸出的電平數(shù)多（相同結構和級數(shù)情況下）。

　　（2） 混合級聯(lián)逆變電路

　　為了輸出更多的電平，減少隔離電源數(shù)量，每個單元電路結構可以不完全相同，串聯(lián)單元本身還可以是一個多電平逆變器，如二極管箝位型逆變器，或飛跨電容