級(jí)聯(lián)多電平逆變器特性研究

　　1 引言

　　由于受電力電子器件電壓容量的限制，傳統(tǒng)的兩電平變頻器通常采用“高-低-高”方式經(jīng)變壓器降壓和升壓來獲得高壓大功率，或采用多個(gè)小容量逆變單元經(jīng)多繞組變壓器多重化來實(shí)現(xiàn)，這使得系統(tǒng)效率和可靠性下降。因而，人們希望實(shí)現(xiàn)直接的高壓逆變技術(shù)?；陔娏﹄娮悠骷苯哟?lián)的高壓變頻器對(duì)動(dòng)靜態(tài)的均壓電路要求較高，并且輸出電壓高次諧波含量高，需設(shè)置輸出濾波器。級(jí)聯(lián)多電平逆變電路的提出為解決上述問題取得了突破性的進(jìn)展。

　　級(jí)聯(lián)多電平逆變器是由若干個(gè)基本逆變單元（例如h橋逆變器）通過串聯(lián)連接而形成的單相或三相逆變器。每一個(gè)逆變單元可以輸出方波或階梯波，通過輸出波形的疊加合成，形成更多電平臺(tái)階的階梯波，以逼近逆變器的正弦輸出電壓。這種電路的特點(diǎn)：隨著逆變器級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，輸出電壓的電平數(shù)增加，從而使得輸出電壓或電流波形的諧波含量減小;由于多個(gè)逆變單元串聯(lián)完成整個(gè)逆變?nèi)蝿?wù)，雖然整體輸出開關(guān)頻率變高，但各個(gè)逆變單元功率器件的開關(guān)頻率并不高，因此與非級(jí)聯(lián)電路相比功率器件承受的電壓應(yīng)力減小，在高壓應(yīng)用中無需均壓電路，同時(shí)可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的電機(jī)負(fù)載絕緣等問題;當(dāng)各串聯(lián)或并聯(lián)連接的級(jí)聯(lián)單元中有一個(gè)單元故障時(shí)，可通過把此單元短接而退出工作，其它單元仍然能夠正常工作，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。使模塊化逆變器產(chǎn)品的封裝，生產(chǎn)和制造成為可能，擴(kuò)展容易。近年來，由于級(jí)聯(lián)多電平逆變器的上述優(yōu)點(diǎn)，在中高壓調(diào)速領(lǐng)域、不停電電源、交流柔性輸電系統(tǒng)（facts）等應(yīng)用中引起了電力電子行業(yè)的極大關(guān)注，成為中高壓能量變換的首選方案。因此級(jí)聯(lián)多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的研究將極有意義。本文在閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)級(jí)聯(lián)多電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法進(jìn)行匯總，以期對(duì)級(jí)聯(lián)多電平逆變器的研究提供參考。

　　2 級(jí)聯(lián)多電平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)一般主要有：二極管箝位型（diode-clampedinverter）、飛跨電容箝位型（flying-capacitorinverter）、具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型（cascaded-inverters with separate dcsources）、具有多繞組變壓器輸出的多重化型等等。

　　2.1基本的多電平逆變電路

　?。?） 全橋逆變電路

　　全橋逆變器的主電路圖見圖1。由于控制方式的不同，它可以有很多種工作方式，常用的工作方式為：

　　兩電平：s1（d1）和s4（d4）導(dǎo)通，而s2和s3關(guān)斷，uab=vdc;反之，s2（d2）和s3（d3）導(dǎo)通，而s1和s4關(guān)斷，uab=-vdc;三電平：s1（d1）和s4（d4）導(dǎo)通，uab=vdc;s2和s3導(dǎo)通，uab=-vdc;s1（d1）和s2（d2）導(dǎo)通或s3（d3）和s4（d4）導(dǎo)通，uab=0。

　　對(duì)圖1進(jìn)行改進(jìn)就可以得到5電平單相橋式逆變電路［17］，如圖2所示。和圖1相比，多了一個(gè)電容，使負(fù)載輸出的電平數(shù)為5:vdc，-vdc，0，+vdc/2，-vdc/2。s5截止時(shí)其工作同單相全橋逆變電路，可輸出三電平;s5和s4（d4）導(dǎo)通時(shí)，uab=vdc/2; s5和s2（d2）導(dǎo)通時(shí)，uab=-vdc/2。

　?。?） 二極管箝位多電平逆變電路

　　1977年德國學(xué)者h(yuǎn)oltz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點(diǎn)箝位的三電平逆變器主電路，1980年日本的amiddot;nabae等人對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展，提出了二極管箝位式逆變電路。圖3（a）為二極管箝位逆變電路，它具有2個(gè)電容，能輸出3電平的相電壓。

　　u相工作情況與輸出相電壓的電平

　　s11和s12（或d11和d12）通，s41和s42斷，uo間電位差為vdc/2;

　　s41和s42（或d41和d42）通，s11和s12斷，uo間電位差為-vdc/2;

　　s12和s41導(dǎo)通，s11和s42關(guān)斷時(shí)，uo間電位差為0;

　　s12和s41不能同時(shí)導(dǎo)通;

　　u》0時(shí)，s12和d1導(dǎo)通;

　　u《0時(shí)，s41和d4導(dǎo)通。

　　bhagwat和stefanovic在1983年進(jìn)一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)。二極管箝位式多電平變換電路的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)的開關(guān)器件進(jìn)行箝位，同時(shí)利用不同的開關(guān)組合輸出所需的不同電平。對(duì)于n電平電路，直流側(cè)需n-1個(gè)電容，能輸出n電平的相電壓，線電壓為（2n-1）電平，圖3（b）為二極管箝位式5電平變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。顯然輸出電平越多，其輸出電壓和輸出電流的總諧波畸變率越小。二極管箝位結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)：就是利用二極管箝位解決了功率器件串聯(lián)的均壓問題，適于高電壓場合。

　　缺點(diǎn)

　　雖然開關(guān)器件被箝位在vdc/（n-1）電壓上，但是二極管卻要承受不同倍數(shù)的vdc/（n-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)，當(dāng)串聯(lián)數(shù)目很大時(shí)，增加了實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度;當(dāng)逆變器傳輸有功功率時(shí)，由于各個(gè)電容的充電時(shí)間不同，將形成不平衡的電容電壓。

　?。?） 飛跨電容箝位型逆變電路

　　1992年，t·a·maynard和h·foch提出了如圖4（a）所示結(jié)構(gòu)的飛跨電容箝位型逆變電路，其特點(diǎn)是用箝位電容代替圖3中所述的箝位二極管，直流側(cè)電容不變，其工作原理與二極管箝位型逆變器相似。若要輸出更多的電平，須按照圖4（b）所示層疊接法進(jìn)行擴(kuò)展。因此也稱為多單元層疊型逆變器（imbricatedcell multilevelinverter）［19］。同樣n電平逆變器可輸出n電平相電壓，（2n－1）電平的線電壓。飛跨電容箝位型逆變器相對(duì)于二極管箝位型逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性;由于電容的引進(jìn)，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;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。

　　缺點(diǎn)是：逆變器每個(gè)橋臂需要的電容數(shù)量隨輸出電平數(shù)增加而增加，再加上直流側(cè)的大量電容使得系統(tǒng)成本高且封裝困難;其次控制方法非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來很困難;并且還存在電容的電壓不平衡問題。

　　2.2 級(jí)聯(lián)多電平逆變電路

　　具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型逆變器是將前述多個(gè)逆變單元串聯(lián)起來，使逆變器輸出電壓的電平數(shù)增加，從而使得輸出波形的諧波含量減小，開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力減小。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是易于進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展容易;主要缺點(diǎn)是每個(gè)單元需要隔離的直流電源。

　?。?） 基本的級(jí)聯(lián)逆變電路

　　基本的級(jí)聯(lián)逆變電路就是具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型逆變器。其中每個(gè)單元的直流電源可以相同也可以不同，但逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是同一類型。如果串聯(lián)連接的逆變橋中，至少有一個(gè)獨(dú)立直流電源的電壓與其它橋不同，就稱這種多電平逆變器為非對(duì)稱的，否則為對(duì)稱［12］［13］［14］（vdc1=vdc2=vdc3），如圖5（a）所示。非對(duì)稱的逆變器一般比對(duì)稱型輸出的電平數(shù)多（相同結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)情況下）。

　　（2） 混合級(jí)聯(lián)逆變電路

　　為了輸出更多的電平，減少隔離電源數(shù)量，每個(gè)單元電路結(jié)構(gòu)可以不完全相同，串聯(lián)單元本身還可以是一個(gè)多電平逆變器，如二極管箝位型逆變器，或飛跨電容