多電平變換器拓撲結構和控制方法研究

摘要：多電平變換器作為一種應用于高壓大功率變換場合的新型變換器，其電路拓撲結構和PWM控制方法是當前的一個研究熱點。基于電平箝位方式對多電平變換電路進行了分類，比較了“二極管或電容箝位”和“使用獨立直流電源箝位”兩類典型多電平電路拓撲結構的優缺點，并將現有的多電平PWM控制方法根據其優缺點進行了比較，指出了其適用范圍。

關鍵詞：多電平；脈寬調制；電平箝位；拓撲結構；控制策略

1 引言

近年來，應用于高壓大功率領域的多電平變頻器引起了電力電子行業的極大關注。由于受電力電子器件電壓容量的限制，傳統的兩電平變頻器通常采用“高—低—高”方式經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多繞組變壓器多重化來實現，這使得系統效率和可靠性下降。因而，人們希望實現直接的高壓逆變技術。基于電力電子器件直接串聯的高壓變頻器對動靜態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。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。

多電平逆變器的一般結構是由幾個電平臺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的增加，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，無需均壓電路，可避免大的dv/dt所導致的電機絕緣等問題。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A.Nabae等人對其進行了發展^[1]，提出了二極管箝位式逆變電路。Bhagwat和Stefanovic在1983年進一步將三電平推廣到多電平的結構^[2]。多電平逆變器主要應用在高壓大功率電機調速、無功補償、有源濾波等領域。

本文在電平箝位基礎上對多電平逆變電路拓撲結構進行了分類，分析了幾種典型多電平電路拓撲的優缺點；對幾種多電平電路的PWM控制方法進行了比較分析，討論了各種方法適用的主電路結構。

2 多電平逆變電路的主電路拓撲分析

至今已提出多電平逆變電路的多種主電路拓撲結構，目前應用較為廣泛的幾種按照電壓箝位方式可以分為兩大類：

1）使用無源元器件如二極管或電容箝位的多電平逆變電路拓撲，包括二極管箝位式、電容懸浮式、電容電壓自平衡式3種；

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

2.1 二極管或電容箝位的多電平逆變電路拓撲

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。圖1是二極管箝位式5電平逆變電路拓撲結構，它具有4個電容，能輸出5電平的相電壓，線電壓為9電平。對于M電平電路，直流側需M－1個電容，能輸出M電平的相電壓，線電壓為(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。這種結構有顯著的優點，即利用二極管進行箝位，解決了功率器件串聯的均壓問題。

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。

1）雖然開關器件被箝位在V_dc/(M－1)電壓上，但是二極管卻需要不同倍數的V_dc/(M－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，如圖2(a)所示，其數目為(M－1)(M－2)/2，當M很大時，增加了實際系統的實現難度。

2）當逆變器只傳輸無功功率時，電容器在半個周期內由相等的充電和放電來平衡電容電壓。但是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。

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，如果多管串聯又會產生均壓問題。因此，在1999年Xiaoming Yuan提出了一種新的結構^[3]，如圖2(b)所示。它的器件個數和開關控制的方法和原來的結構完全相同，只有二極管的放置位置不同。該結構不但將開關管的電位箝位在單個電容電壓，而且箝位二極管也被箝位在單個電容電壓以內，從而解決了箝位二極管承受電壓不均的問題。

（ a） 二 極 管 串 聯 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 構

Fig.2 New topology of diodes clamped convertor