高壓大功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演化及分析和比較

圖2中D_A，D_A′，D_B，D_B′為鉗位二極管，分壓電容C₁=C₂。開關(guān)管S_A1，S_A1′和S_B1，S_B1′等互補(bǔ)。

增加分壓電容、鉗位二極管，功率開關(guān)管可以得到多電平變換電路。若要得到m電平，則需要（m－l）個直流分壓電容，每一橋臂需要2（m－l）個主開關(guān)器件和（m－l）（m－2）個鉗位二極管。在需要四象限可逆運行的場合，可將兩組相同的多電平變換器按照“背靠背”的方式進(jìn)行連接。

二極管鉗位型變流器同時具有多重化和脈寬調(diào)制的優(yōu)點，即輸出功率大，器件開關(guān)頻率低，等效開關(guān)頻率高；交流側(cè)不需要變壓器連接；動態(tài)響應(yīng)好，傳輸帶寬較寬；便于雙向功率流控制。其缺點是

1）鉗位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大。對于m電平變流器，如果使每個二極管的耐壓等級相同，每相所需的二極管數(shù)量為（m－1）(m－2)，不但大大提高了成本，而且在線路安裝方面相當(dāng)困難。因此，在實際應(yīng)用中一般僅限于7電平或9電平變流器的研究。

2）開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致。最靠近母線的開關(guān)S_A1僅在V_a0=V_dc時開通。而最靠近輸出端的S_Am僅在V_a0=0時不開通。導(dǎo)通負(fù)荷不平衡導(dǎo)致開關(guān)器件的電流等級不同。在電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計器件的電流等級，則每相有2(m－2)個外層器件的電流等級過大，造成浪費。

3）在變流器進(jìn)行有功功率傳送的時候，直流側(cè)各電容的充放電時間各不相同，從而造成電容電壓不平衡，增加了系統(tǒng)動態(tài)控制的難度。

3.2.2 飛跨電容多電平變換器結(jié)構(gòu)

圖3所示為單相飛跨電容三電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C₁及C₂為直流側(cè)串聯(lián)電容，C_A及C_B為鉗位電容。假定每個電容的電壓等級與開關(guān)器件相同，那么一個m電平變流器在直流側(cè)需要m－1個電容。通過比較不難看出，直流側(cè)電容不變，用飛跨電容取代鉗位二極管，工作原理與二極管鉗位電路相似。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓系統(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難。不過在電壓合成方面，由于電容的引進(jìn)，開關(guān)狀態(tài)的選擇更加靈活，使電壓合成的選擇增多，通過在同一電平上不同開關(guān)狀態(tài)的組合，可使電容電壓保持均衡。由此可知，電容鉗位型多電平變流器的電平合成自由度和靈活性高于二極管多電平變流器。電容鉗位型多電平變流器的優(yōu)點是開關(guān)方式靈活，對功率器件保護(hù)能力較強(qiáng)；既能控制有功功率，又能控制無功功率，但控制方法非常復(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低。其主要缺點是

圖3 飛跨電容多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1）需要大量的存儲電容。如果所有電容的電壓等級都與主功率器件的相同，那么一個m電平的電容鉗位型多電平變流器每相橋臂需要(m－1)(m－2)/2個輔助電容，而直流側(cè)上還需要（m－1）個電容。電平數(shù)較高時就增加了安裝的難度，同時也增加了造價。

2）為了使電容的充放電保持平衡，對于中間值電平需要采用不同的開關(guān)組合，這就增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，器件的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗。

3）與二極管鉗位型多電平變流器一樣，電容鉗位型多電平變流器也存在導(dǎo)通負(fù)荷不一致的問題。

4 以變流單元電路串聯(lián)為基礎(chǔ)的多單元變流器結(jié)構(gòu)

4.1 級聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這是一種較為新穎的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。級聯(lián)型多電平變流器，采用若干個低壓PWM變流單元直接級聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓輸出。由這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的電壓源型變頻器系由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。我國北京利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器也是采用這種結(jié)構(gòu)。該變頻器結(jié)構(gòu)具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機(jī)附加發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動，噪聲，共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機(jī)。

4.1.1 單元串聯(lián)多電平變換器原理

單元串聯(lián)多電平變換器采用若干個獨立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出，其原理如圖4（a）所示。6kV輸出電壓等級的變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交—直—交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)〔見圖4（c）〕，將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成丫聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機(jī)。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。對于額定輸出電壓為6kV的變頻器，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓可達(dá)6kV左右，每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1／5的相電壓和1／l5的輸出功率，所以，單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定變領(lǐng)器輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器的輸出電流。

(a) 電壓疊加原理