多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法研究

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(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)了電容電壓的自動(dòng)箝位，不需要復(fù)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(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，所以，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，可以實(shí)現(xiàn) DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率轉(zhuǎn)換。

該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：

1）當(dāng)電平增加時(shí)，所需要的電容和功率開關(guān)數(shù)目都會(huì)增加許多，使得系統(tǒng)的成本和體積增大；

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(shí)的開關(guān)損耗增大；

3）隨著電路級(jí)數(shù)的增加，由于功率開關(guān)的通態(tài)壓降引起的每級(jí)電壓降落將越來越明顯。

2.2 具有獨(dú)立直流電源的級(jí)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2.2.1 功率單元串聯(lián)逆變電路

以基本單元為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸出電壓、電平數(shù)的要求可決定串聯(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(jí)電路結(jié)構(gòu)。

圖 5 Y型 連 接 的 三 相 7電 平 串 級(jí) 逆 變 器 電 路

Fig.5 Connected shape three phases seven levels cascade converter

相對(duì)于傳統(tǒng)中點(diǎn)箝位逆變電路，串級(jí)逆變電路有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）直流側(cè)采用相互分離的直流電源，不存在電壓均衡問題；

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行PWM控制；

3）H橋單元結(jié)構(gòu)，為模塊化設(shè)計(jì)、制造帶來方便，另外，當(dāng)H橋出現(xiàn)故障，可將其旁路，余下的單元可以繼續(xù)工作。

這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于：每個(gè)單元需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源。隨著電平數(shù)的增加，串級(jí)電路單元使用的直流電源數(shù)也將大量增加。

2.2.2 混合單元串聯(lián)逆變電路

通常，開關(guān)速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的開關(guān)頻率又較低。為了用更少的單元得到更多的電平，基于“混合功率單元[6]”的串級(jí)逆變電路得到了發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)功率單元串聯(lián)逆變電路的推廣。

文獻(xiàn)[7]提出了對(duì)2個(gè)獨(dú)立單元的直流箝位電源采用電壓比為1：2，一個(gè)單元使用IGBT，另一個(gè)單元使用IGCT的混合串級(jí)逆變電路，IGCT單元上的電壓2倍于IGBT單元，如圖6所示。在控制上，以基波開關(guān)IGCT，以PWM方式調(diào)制IGBT。比起功率單元串級(jí)電路，這種混合單元的串級(jí)電路有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：由于2個(gè)單元預(yù)先給定的電壓不同，IGBT單元和IGCT單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)單相7電平的輸出。這種結(jié)構(gòu)達(dá)到了用更少的單元得到更多電平的目的。

圖 6 IGBT和 IGCT組 成 的 混 合 單 元

Fig.6 Hybrid cell with IGBT and IGCT