多電平變換器的拓撲結構和控制策略

0 引言

多電平變換器的概念自從A.Nabael在1980年的IAS年會上提出以后，以其獨特的優點受到廣泛的關注和研究。首先，對于n電平的變換器，每個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現高壓大功率輸出，且無需動態均壓電路；多電平變換器的輸出電壓波形由于電平數目多，使波形畸變(THD)大大縮小，改善了裝置的EMI特性；還使功率管關斷時的dv/dt應力減少，這在高壓大電機驅動中，有效地防止了電機轉子繞組絕緣擊穿；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速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統和電力系統無功補償等方面有著廣泛的應用前景。

1 多電平變換器的拓撲結構

國內外學者對多電平變換器作了很多的研究，提出了不少拓撲結構。從目前的資料上看，多電平變換器的拓撲結構主要有4種：

1）二極管中點箝位型（見圖1）；

2）飛跨電容型(見圖2)；

3）具有獨立直流電源級聯型（見圖3）；

4）混合的級聯型多電平變換器。

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 級聯型五電平變換器

其中混合級聯型是3）的改進模型，它和3）的結構基本上相同，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不難看出這幾種拓撲的結構的優缺點。

二極管箝位型多電平變換器的優點是便于雙向功率流控制，功率因數控制方便。缺點是電容均壓較為復雜和困難。在國內外這種拓撲結構的產品已經進入了實用化。

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，對高壓系統而言，電容體積大、成本高、封裝難。另外這種拓撲結構，輸出相同質量波形的時候，開關頻率增高，開關損耗增大，效率隨之降低。目前，這種拓撲結構還沒有達到實用化的地步。

級聯型多電平變換器的優點主要是同數量電平的時候，使用二極管數目少于拓撲結構1）；由于采用的是獨立的直流電源，不會有電壓不平衡的問題。其主要缺點是采用多路的獨立直流電源。目前，這種拓撲結構也有實用化的產品。

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，即階梯波脈寬調制、特定消諧波PWM、載波PWM、空間矢量PWM、 Sigma-delta調制法。

2.1 階梯波脈寬調制[1][2][3]

階梯波調制就是用階梯波來逼近正弦波，是比較直觀的方法。典型的階梯波調制的參考電壓和輸出電壓如圖4所示。在階梯波調制中，可以通過選擇每一個電平持續時間的長短，來實現低次諧波的消除。2m＋1次的多電平的階梯波調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b_k為0。這種方法本質上是對做參考電壓的模擬信號作量化的逼近。從圖4中不難看出這種調制方法對功率器件的開關頻率沒有很高的要求，所以，可以采用低開關頻率的大功率器件如GTO來實現；另外這種方法調制比變化范圍寬而且算法簡單，控制上硬件實現方便。不過這種方法的一個主要缺點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