個人總結(jié)-多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略(shrimplm)

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1、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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)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(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動態(tài)均壓電路；多電平變換器的輸出電壓波形由于電平數(shù)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(guān)斷時的dv/dt應(yīng)力減少，這在高壓大電機(jī)驅(qū)動中，有效地防止了電機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)的體積和損耗。因此，多電平變換器在高

2、電壓大功率的變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用前景。1???多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)???國內(nèi)外學(xué)者對多電平變換器作了很多的研究，提出了不少拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從目前的資料上看，多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有4種：???1）二極管中點(diǎn)箝位型（見圖1）；???2）飛跨電容型(見圖2)；???3）具有獨(dú)立直流電源級聯(lián)型（見圖3）；???4）混合的級聯(lián)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(lián)型五電平變換器???其中混合級聯(lián)型是3）

3、的改進(jìn)模型，它和3）的結(jié)構(gòu)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?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。???二極管箝位型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)是便于雙向功率流控制，功率因數(shù)控制方便。缺點(diǎn)是電容均壓較為復(fù)雜和困難。在國內(nèi)外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)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(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難。另外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出相同質(zhì)量波形的時候，開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低。

4、目前，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還沒有達(dá)到實(shí)用化的地步。???級聯(lián)型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)主要是同數(shù)量電平的時候，使用二極管數(shù)目少于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1）；由于采用的是獨(dú)立的直流電源，不會有電壓不平衡的問題。其主要缺點(diǎn)是采用多路的獨(dú)立直流電源。目前，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有實(shí)用化的產(chǎn)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(diào)制、特定消諧波PWM、載波PWM、空間矢量PWM、Sigma-delta調(diào)制法。2.1???階梯波脈寬調(diào)制[1][2][3]???階梯波調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波，是比較直觀的

5、方法。典型的階梯波調(diào)制的參考電壓和輸出電壓如圖4所示。在階梯波調(diào)制中，可以通過選擇每一個電平持續(xù)時間的長短，來實(shí)現(xiàn)低次諧波的消除。2m＋1次的多電平的階梯波調(diào)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(shù)bk為0。這種方法本質(zhì)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(diào)制方法對功率器件的開關(guān)頻率沒有很高的要求，所以，可以采用低開關(guān)頻率的大功率器件如GTO來實(shí)現(xiàn)；另外這種方法調(diào)制比變化范圍寬而且算法簡單，控制上硬件實(shí)現(xiàn)方便。不過這種方法的一個主要缺點(diǎn)就是輸出波形的諧波含量高

6、。圖4???九電平階梯波輸出電壓波形???vt(t)=bnsinnωt（1）???bn=[Vcosnα1＋2Vcosnα1＋……＋jVcosnαj＋……＋mVcosnαm]（2）2.2???多電平特定消諧波法[4][5][6]???多電平的特定消諧波法也被稱作開關(guān)點(diǎn)預(yù)制的PWM方法。這種方法是建立在多電平階梯波調(diào)制方法的基礎(chǔ)之上的。這種方法的原理就是在階梯波上通過選擇適當(dāng)?shù)摹鞍疾邸庇羞x擇性地消除特定次諧波，從而達(dá)到輸出波形質(zhì)量提高和輸出THD減小的目的。這種方法的消諧波和階梯波的消諧波一樣，唯一不同的就是輸出電壓波形的傅立葉

7、分析后的系數(shù)bn有所不同?，F(xiàn)以五電平的特定消諧波的一個輸出電壓波形(如圖5所示)來分析傅立葉分解后的系數(shù)bn。從式（3)可以看出，bn中的負(fù)號項反映了“凹槽”的信息。多電平特定消諧波法中，求解特定的開關(guān)點(diǎn)時候要解非線形的超越方程，因此計算很復(fù)雜。目前資料中實(shí)際有應(yīng)用的一般都只局限在三電平結(jié)構(gòu)中。這種方法的主要特點(diǎn)是開關(guān)頻率低，效率高；諧波含量較少；電壓利用率高，最多可以達(dá)到1.15；計算開關(guān)點(diǎn)的時候計算比較復(fù)雜。圖5???五電平特定消諧波輸出相電壓1/2周期的波形???bn=[V(cosnα11－cosnα12＋……＋(－1

8、)j＋1cosnα1j＋……＋cosnα1k)＋???2V(cosnα21－cosnα22＋……＋(－1)i＋1cosnα2i＋……cosnα2h]（3）2.3???載波PWM技術(shù)???多電平逆變器載波技術(shù)，來源于兩電平的SPWM技術(shù)，但是，由于多電平逆變器特殊的結(jié)構(gòu)，使其載波技術(shù)又不同于