一種新型的級聯型多電平逆變器研究

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文提出一種新的級聯型多電平逆變器拓撲結構，通過負載將兩個電壓型三相逆變器級聯在一起，該逆變器能作為一個三電平或四電平逆變器運行。本文對這種逆變器的基本結構和控制原理進行了分析。
關鍵詞：級聯型多電平逆變器；空間矢量

引言
在已經提出的多種多電平逆變器的拓撲結構中，最為典型的有：二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯型。其中級聯型逆變器具有不需要前兩種電路所需的大量鉗位二極管和鉗位電容，結構簡單、易于模塊化、不存在電容電壓不平衡問題且易于采用軟開關技術，已被廣泛地應用于靈活的電力系統(tǒng)和用戶電力技術等領域。
為了增加輸出電壓的電平和提高波形質量，多種改進的級聯型拓撲不斷被研究者們提出來。在高壓大功率應用領域，可以將級聯型多電平逆變器的全橋逆變單元(FBC)用二極管鉗位或電容鉗位多電平逆變器代替，以減少所需的獨立直流電源數。這種結構被稱為混合電平混合型多電平逆變電路。在前面所敘的級聯型多電平逆變器中，每個FBC的直流電源電壓都相等。而且可以對各個FBC施以不同的電壓，這種電路被稱為非對稱混合型多電平逆變電路。非對稱混合型多電平逆變電路還有另外一種形式，即令每個FBC的電源電壓相同，但每個FBC的主開關器件可以不同，這樣每個FBC的工作頻率可以不同。

不難發(fā)現，以上所有的級聯型拓撲結構都有個共同特點：即都是對單相逆變電路進行級聯，當采用這樣的拓撲構成三相系統(tǒng)時，需要大量的直流電源。本文提出的一種基于三相級聯的多電平逆變器，能輸出與三電平逆變器或四電平逆變器相同的電壓，而且不必每相都需要獨立的直流電源。

圖1  基于三相級聯的多電平逆變器

圖2  級聯型逆變器輸出空間電壓矢量圖

圖3  Vdc1=Vdc2輸出電壓、電流波形

圖4  Vdc1=2Vdc2輸出電壓、電流波形

基于三相級聯的多電平逆變器
圖1為一個基于三相級聯的逆變器拓撲結構，它通過負載將兩個三相電壓型逆變器級聯在一起。由于每個橋臂有兩種開關狀態(tài)，因此該逆變器共有64種開關狀態(tài)。圖2是該逆變器在不同直流電壓比下的輸出空間電壓矢量圖。從圖2可以看出，通過設置不同的上下逆變器的直流電壓比，該級聯型逆變器可以作為一個二電平、三電平或四電平逆變器運行，分別稱為級聯-2、級聯-3或級聯-4逆變器。
有文獻研究表明，當Vdc1=Vdc2=Vdc/2時，該逆變器的輸出電壓和一個三電平逆變器的輸出電壓完全相同；當Vdc1=2Vdc/3，Vdc2=Vdc/3時，該逆變器的輸出電壓和一個四電平逆變器的輸出電壓完全相同，其中Vdc為三電平逆變器或四電平逆變器直流側的電源電壓。
另外，對于一定功率等級的逆變器來說，其裝置成本與開關應力系數(SSF—Switching Stress Factor)成正比，SSF定義如下：

其中：N — 逆變器的功率開關器件個數
Vpi— 第i個器件關斷時所承受的電壓峰值
Ipi — 第i個器件導通時所通過的電流峰值
Pout— 逆變器的輸出功率
表1給出了具有相同功率等級的級聯-3、級聯-4逆變器和三電平、四電平逆變器SSF的比較。表中級聯型逆變器的Vp和N有兩個值，分別對應于上下不同的級聯單元。
從表1中可以看出：
1. 四種逆變器的SSF完全相等，故其裝置成本基本相同；
2. 四電平逆變器所需的器件最多，故其開關損耗最大；
3. 級聯-4逆變器上側逆變單元的器件的額定電壓最高。

基于三相級聯的多電平逆變器的調制
針對該級聯型逆變器結構上的特點，可以對上下兩個逆變器進行聯合調制或分別進行單獨調制。聯合調制是將上下兩個逆變器視為一個整體，然后運用多電平逆變器的調制方法進行調制，最常用的是空間矢量調制(SVM)技術。例如，對于級聯-3逆變器來說，它有64個不同的開關狀態(tài)，能產生19個不同的空間電壓矢量。單獨調制是指分別對上下兩個逆變器采取不同的調制策略。例如，對上側逆變器可實施低頻PWM調制，以提供負載所需的絕大部分功率，對下側逆變器可實施高頻PWM調制，以改善負載上的電壓電流波形。

仿真驗證
采用Matlab的Simulink作為仿真工具，并采用聯合SPWM調制方法對圖1中的電路進行了仿真。載波比為18，每相負載由100W的電阻、50.1H的電感串聯構成。其中直流電壓比取1:1時的輸出電壓電流波形如圖3所示。圖4為直流電壓比取2:1時的輸出電壓電流波形。

結語
本文提出的基于三相級聯的多電平逆變器拓撲，通過負載將兩個電壓型三相逆變器級聯在一起，相對于普通的三電平逆變器來說，該逆變器具有更多的冗余開關狀態(tài)，這就為減少開關動作次數和減少諧波的優(yōu)化控制提供了可能性；相對于普通的四電平逆變器來說，該逆變器只需較少的開關器件，從而簡化了電路，降低了成本；相對于由傳統(tǒng)的級聯型逆變器構成的三相系統(tǒng)來說，該逆變器節(jié)省了大量的直流電源。另外，這種新型多電平逆變器的上側和(或)下側逆變器可直接使用商用成品，為整個系統(tǒng)的設計提供了方便?！?/p>

參考文獻
1 K.A. Corzine, S.D. Sudhoff, and C.A. Whitcomb. Performance characteristics of a cascaded two-level converter. IEEE trans. on Energy Conversion, 1999, 14(3): 433-439
2 Keith A. Corzine, Mike W. Wielebski, Peng Fangzheng and Jin Wang. Control of cascaded multilevel inverters. IEEE Trans. on Power Electronics, 2004, 19(3): 732-738