多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法研究

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1、多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法研究

2、第1圖1二極管箝位式5電平逆變電路Fig.1Threephasesfivelevelsdiodeneutralpointclampedconverter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(guān)器件被箝位在Vdc/(M－1)電壓上，但是二極管卻需要不同倍數(shù)的Vdc/(M－1)反向耐壓。如果使二極管的反向耐壓與開關(guān)器件相同，則需要多管串聯(lián)，如圖2(a)所示，其數(shù)目為(M－1)(M－2)/2，當M很大時，增加了實際系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。2）當逆變器只傳輸無功功率時，電容器在半個周期內(nèi)由相等的充電和放

3、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(lián)又會產(chǎn)生均壓問題。因此，在1999年XiaomingYuan提出了一種新的結(jié)構(gòu)[3]，如圖2(b)所示。它的器件個數(shù)和開關(guān)控制的方法和原來的結(jié)構(gòu)完全相同，只有二極管的放置位置不同。該結(jié)構(gòu)不但將開關(guān)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(nèi)，從而解決了箝位二極管承受電壓不均的問題。500)this.style.ouseg(

4、this)">（a）二極管串聯(lián)箝位（b）二極管自箝位(a)Seriesdiodesclampedconverter（b）Diodesselfclampedconverter圖2二極管箝位的新結(jié)構(gòu)Fig.2Nepedconvertor2.1.2電容懸浮式多電平逆變電路在1992年，T.A.Meynard和H.Foch提出了如圖3所示結(jié)構(gòu)。它的特點是箝位二極管被箝位電容所代替，直流側(cè)電容不變，其工作原理與二極管箝位式逆變器相似。M電平逆變器可輸出M電平相電壓，(2M－1)電平的線電壓。500)this.style.ouseg(this)">

5、圖3電容懸浮式5電平逆變電路Fig.3Threephasesfivelevelscapacitanceneutralpointclampedconverter這種結(jié)構(gòu)相對于二極管箝位式逆變器的優(yōu)點是：1）在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性；2）由于電容的引進，可通過在同一電平上不同開關(guān)的組合，使直流側(cè)電容電壓保持均衡；3）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。但是，這種拓撲也有缺點：1）對于這種結(jié)構(gòu)，M電平的逆變器每個橋臂就需要(M－1)(M－2)/2個電容，再加上直流電源的M－1個電容，大量的電容使得系統(tǒng)

6、成本高且封裝不易；2）控制方法非常復雜，實現(xiàn)起來很困難；3）存在電容的電壓不平衡問題。2.1.3電容電壓自平衡式逆變器這種結(jié)構(gòu)是2000年由PengFangzheng首次提出的[4]，是以電容箝位的半橋結(jié)構(gòu)為基本單元組成的。多級電路是由基本單元按金字塔結(jié)構(gòu)形成的。圖4為5電平的電容電壓自平衡式逆變器。在圖4中，開關(guān)器件Sp1，Sp2，Sp3，Sp4，Sn1，Sn2，Sn3，Sn4和二極管Dp1，Dp2，Dp3，Dp4，Dn1，Dn2，Dn3，Dn4用來在輸出端輸出所需電平，其他開關(guān)器件、二極管和電容用于電平箝位以實現(xiàn)單元的自動均壓。500

7、)this.style.ouseg(this)">圖4電容電壓自平衡式5電平逆變器單相電路Fig.4Fivelevelsselfvoltagebalancingconverter這種結(jié)構(gòu)與以上所述的二極管箝位式和電容箝位式結(jié)構(gòu)比較有以下優(yōu)點：1）實現(xiàn)了電容電壓的自動箝位，不需要復雜的電容電壓平衡控制算法；2）將此結(jié)構(gòu)的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實現(xiàn)功率的雙向流動，所以，這種結(jié)構(gòu)應用范圍廣泛，可以實現(xiàn)DC/DC，DC/AC，AC/DC的功率轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)的缺點：1）當電平增加時，所需要的電容和功率開關(guān)數(shù)目都會增加許多，使得系統(tǒng)的成本

8、和體積增大；2）由于使用了大量的功率開關(guān)和箝位電容，使得電路在工作時的開關(guān)損耗增大；3）隨著電路級數(shù)的增加，由于功率開關(guān)的通態(tài)壓降引起的每級電壓降落將越來越明顯。2.2具有獨立直流電源的級聯(lián)式多電平逆變器以上使用無源元器件箝位的多電平逆變器拓撲都是采用半橋結(jié)構(gòu)，下面分析的功率單元串級逆變電路[5]和混合單元的串級逆變電路，其基本單元都是基于全橋結(jié)構(gòu)的。級聯(lián)式多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)是將進行了相對位移的復合H橋逆變器模型串聯(lián)起來，通過合成輸出多電平電壓波形。2.2.1功率單元串聯(lián)逆變電路以基本單元為基礎，根據(jù)系統(tǒng)對輸出電壓、電平數(shù)的要求可決定串

9、聯(lián)的單元數(shù)。每相串聯(lián)的單元數(shù)為M，則輸出相電壓波形所含電平數(shù)為2M＋1，輸出線電壓波形所含電平數(shù)為4M＋1。圖5是Y型連接的三相七電平串級電路結(jié)構(gòu)。500)this.style.ouseg(t