一種新型的級聯(lián)型多電平逆變器研究

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文提出一種新的級聯(lián)型多電平逆變器拓撲結構，通過負載將兩個電壓型三相逆變器級聯(lián)在一起，該逆變器能作為一個三電平或四電平逆變器運行。本文對這種逆變器的基本結構和控制原理進行了分析。
關鍵詞：級聯(lián)型多電平逆變器；空間矢量

引言
在已經(jīng)提出的多種多電平逆變器的拓撲結構中，最為典型的有：二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯(lián)型。其中級聯(lián)型逆變器具有不需要前兩種電路所需的大量鉗位二極管和鉗位電容，結構簡單、易于模塊化、不存在電容電壓不平衡問題且易于采用軟開關技術，已被廣泛地應用于靈活的電力系統(tǒng)和用戶電力技術等領域。
為了增加輸出電壓的電平和提高波形質量，多種改進的級聯(lián)型拓撲不斷被研究者們提出來。在高壓大功率應用領域，可以將級聯(lián)型多電平逆變器的全橋逆變單元(FBC)用二極管鉗位或電容鉗位多電平逆變器代替，以減少所需的獨立直流電源數(shù)。這種結構被稱為混合電平混合型多電平逆變電路。在前面所敘的級聯(lián)型多電平逆變器中，每個FBC的直流電源電壓都相等。而且可以對各個FBC施以不同的電壓，這種電路被稱為非對稱混合型多電平逆變電路。非對稱混合型多電平逆變電路還有另外一種形式，即令每個FBC的電源電壓相同，但每個FBC的主開關器件可以不同，這樣每個FBC的工作頻率可以不同。

不難發(fā)現(xiàn)，以上所有的級聯(lián)型拓撲結構都有個共同特點：即都是對單相逆變電路進行級聯(lián)，當采用這樣的拓撲構成三相系統(tǒng)時，需要大量的直流電源。本文提出的一種基于三相級聯(lián)的多電平逆變器，能輸出與三電平逆變器或四電平逆變器相同的電壓，而且不必每相都需要獨立的直流電源。

圖1  基于三相級聯(lián)的多電平逆變器

圖2  級聯(lián)型逆變器輸出空間電壓矢量圖

圖3  Vdc1=Vdc2輸出電壓、電流波形

圖4  Vdc1=2Vdc2輸出電壓、電流波形

基于三相級聯(lián)的多電平逆變器
圖1為一個基于三相級聯(lián)的逆變器拓撲結構，它通過負載將兩個三相電壓型逆變器級聯(lián)在一起。由于每個橋臂有兩種開關狀態(tài)，因此該逆變器共有64種開關狀態(tài)。圖2是該逆變器在不同直流電壓比下的輸出空間電壓矢量圖。從圖2可以看出，通過設置不同的上下逆變器的直流電壓比，該級聯(lián)型逆變器可以作為一個二電平、三電平或四電平逆變器運行，分別稱為級聯(lián)-2、級聯(lián)-3或級聯(lián)-4逆變器。
有文獻研究表明，當Vdc1=Vdc2=Vdc/2時，該逆變器的輸出電壓和一個三電平逆變器的輸出電壓完全相同；當Vdc1=2Vdc/3，Vdc2=Vdc/3時，該逆變器的輸出電壓和一個四電平逆變器的輸出電壓完全相同，其中Vdc為三電平逆變器或四電平逆變器直流側的電源電壓。
另外，對于一定功率等級的逆變器來說，其裝置成本與開關應力系數(shù)(SSF—Switching Stress Factor)成正比，SSF定義如下：

其中：N — 逆變器的功率開關器件個數(shù)
Vpi— 第i個器件關斷時所承受的電壓峰值
Ipi — 第i個器件導通時所通過的電流峰值
Pout— 逆變器的輸出功率
表1給出了具有相同功率等級的級聯(lián)-3、級聯(lián)-4逆變器和三電平、四電平逆變器SSF的比較。表中級聯(lián)型逆變器的Vp和N有兩個值，分別對應于上下不同的級聯(lián)單元。
從表1中可以看出：
1. 四種逆變器的SSF完全相等，故其裝置成本基本相同；
2. 四電平逆變器所需的器件最多，故其開關損耗最大；
3. 級聯(lián)-4逆變器上側逆變單元的器件的額定電壓最高。

基于三相級聯(lián)的多電平逆變器的調制
針對該級聯(lián)型逆變器結構上的特點，可以對上下兩個逆變器進行聯(lián)合調制或分別進行單獨調制。聯(lián)合調制是將上下兩個逆變器視為一個整體，然后運用多電平逆變器的調制方法進行調制，最常用的是空間矢量調制(SVM)技術。例如，對于級聯(lián)-3逆變器來說，它有64個不同的開關狀態(tài)，能產(chǎn)生19個不同的空間電壓矢量。單獨調制是指分別對上下兩個逆變器采取不同的調制策略。例如，對上側逆變器可實施低頻PWM調制，以提供負載所需的絕大部分功率，對下側逆變器可實施高頻PWM調制，以改善負載上的電壓電流波形。

仿真驗證
采用Matlab的Simulink作為仿真工具，并采用聯(lián)合SPWM調制方法對圖1中的電路進行了仿真。載波比為18，每相負載由100W的電阻、50.1H的電感串聯(lián)構成。其中直流電壓比取1:1時的輸出電壓電流波形如圖3所示。圖4為直流電壓比取2:1時的輸出電壓電流波形。

結語
本文提出的基于三相級聯(lián)的多電平逆變器拓撲，通過負載將兩個電壓型三相逆變器級聯(lián)在一起，相對于普通的三電平逆變器來說，該逆變器具有更多的冗余開關狀態(tài)，這就為減少開關動作次數(shù)和減少諧波的優(yōu)化控制提供了可能性；相對于普通的四電平逆變器來說，該逆變器只需較少的開關器件，從而簡化了電路，降低了成本；相對于由傳統(tǒng)的級聯(lián)型逆變器構成的三相系統(tǒng)來說，該逆變器節(jié)省了大量的直流電源。另外，這種新型多電平逆變器的上側和(或)下側逆變器可直接使用商用成品，為整個系統(tǒng)的設計提供了方便?！?/p>

參考文獻
1 K.A. Corzine, S.D. Sudhoff, and C.A. Whitcomb. Performance characteristics of a cascaded two-level converter. IEEE trans. on Energy Conversion, 1999, 14(3): 433-439
2 Keith A. Corzine, Mike W. Wielebski, Peng Fangzheng and Jin Wang. Control of cascaded multilevel inverters. IEEE Trans. on Power Electronics, 2004, 19(3): 732-738