串聯堆積式多電平變換器運行特性的實驗研究

此拓撲結構一般采用了分散邏輯控制方法^[1]。與多級串級式多電平變換器相比，無須利用多光纖來傳送驅動信號和狀態反饋信號以及為減少各模塊之間的共模電壓干擾對被測各模塊的電壓和電流進行隔離。在分散控制中，僅需一條光纖傳送驅動信號和狀態反饋信號，每一模塊可以現場檢測電壓和電流，減小了模塊之間的共模電壓干擾。因此提高了系統的可靠性。

3 串聯堆積式多電平變換器實驗研究

實驗電路是一臺單相串聯堆積式三電平逆變器，如圖4所示。實驗電路主要參數如表1所列。

表1 實驗電路主要參數

圖4 三電平串聯堆積式逆變器

外加電阻R_un接在第一級電平母線上，通過這個外加電阻的開或合來模擬三電平逆變器輸入直流母線電壓的不平衡。圖5是測試得到的三電平電壓(V₁、V₂和V₃)和輸出交流電壓(V_o)，從圖5中可以看到，輸出交流電壓V_o有效值即使在母線不平衡條件下仍能保持恒定，具有較好的自平衡、自穩定瞬態響應能力。三電平母線電壓經過大約500ms將達到新的平衡，新平衡母線電壓值比原來起始母線電壓值低約25V。

圖5 逆變器自平衡波形

如果再引入一個簡單的外環控制將進一步降低逆變器的自平衡響應時間。這個外環控制采用比例控制，將各模塊變換器電壓與母線之間電壓差比較輸出。圖6是加入外環控制后的測試結果。從圖6中可以看到，經過20ms母線上各電壓即可達到新的平衡，比不加外環控制時平衡時間縮短了約25倍。因此，經過對控制系統的優化，此串聯堆積三電平逆變器的自平衡能力將得到有效的改善。

圖6 帶外環控制逆變器自平衡波形

以上研究表明，串聯堆積式多電平變換器由于固有自平衡、自穩定以及功率開關電壓應力低等特點，使它能廣泛地應用于高電壓變換器中，是大功率高電壓輸入模塊變換器的良好解決方案。

4 結語

本文分析比較了三種多電平變換器。經過對它們各自特點的研究，將使多電平技術能更好地應用于電力電子變換器的設計中。可以預見，基于多電平的鮮明特點，它將在今后變換器設計中起到越來越重要的作用。最后，值得一提的是，高于三電平的多電平控制技術還有待于進一步研究。