一種新型的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器研究

電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2004年第9期

摘    要：本文提出一種新的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過負(fù)載將兩個(gè)電壓型三相逆變器級(jí)聯(lián)在一起，該逆變器能作為一個(gè)三電平或四電平逆變器運(yùn)行。本文對(duì)這種逆變器的基本結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：級(jí)聯(lián)型多電平逆變器；空間矢量

引言
在已經(jīng)提出的多種多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最為典型的有：二極管鉗位型、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)型。其中級(jí)聯(lián)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guān)技術(shù)，已被廣泛地應(yīng)用于靈活的電力系統(tǒng)和用戶電力技術(shù)等領(lǐng)域。
為了增加輸出電壓的電平和提高波形質(zhì)量，多種改進(jìn)的級(jí)聯(lián)型拓?fù)洳粩啾谎芯空邆兲岢鰜?。在高壓大功率?yīng)用領(lǐng)域，可以將級(jí)聯(lián)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(dú)立直流電源數(shù)。這種結(jié)構(gòu)被稱為混合電平混合型多電平逆變電路。在前面所敘的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器中，每個(gè)FBC的直流電源電壓都相等。而且可以對(duì)各個(gè)FBC施以不同的電壓，這種電路被稱為非對(duì)稱混合型多電平逆變電路。非對(duì)稱混合型多電平逆變電路還有另外一種形式，即令每個(gè)FBC的電源電壓相同，但每個(gè)FBC的主開關(guān)器件可以不同，這樣每個(gè)FBC的工作頻率可以不同。

不難發(fā)現(xiàn)，以上所有的級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有個(gè)共同特點(diǎn)：即都是對(duì)單相逆變電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，當(dāng)采用這樣的拓?fù)錁?gòu)成三相系統(tǒng)時(shí)，需要大量的直流電源。本文提出的一種基于三相級(jí)聯(lián)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(dú)立的直流電源。

圖1  基于三相級(jí)聯(lián)的多電平逆變器

圖2  級(jí)聯(lián)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(jí)聯(lián)的多電平逆變器
圖1為一個(gè)基于三相級(jí)聯(lián)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它通過負(fù)載將兩個(gè)三相電壓型逆變器級(jí)聯(lián)在一起。由于每個(gè)橋臂有兩種開關(guān)狀態(tài)，因此該逆變器共有64種開關(guān)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(shè)置不同的上下逆變器的直流電壓比，該級(jí)聯(lián)型逆變器可以作為一個(gè)二電平、三電平或四電平逆變器運(yùn)行，分別稱為級(jí)聯(lián)-2、級(jí)聯(lián)-3或級(jí)聯(lián)-4逆變器。
有文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)Vdc1=Vdc2=Vdc/2時(shí)，該逆變器的輸出電壓和一個(gè)三電平逆變器的輸出電壓完全相同；當(dāng)Vdc1=2Vdc/3，Vdc2=Vdc/3時(shí)，該逆變器的輸出電壓和一個(gè)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(cè)的電源電壓。
另外，對(duì)于一定功率等級(jí)的逆變器來說，其裝置成本與開關(guān)應(yīng)力系數(shù)(SSF—Switching Stress Factor)成正比，SSF定義如下：

其中：N — 逆變器的功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)
Vpi— 第i個(gè)器件關(guān)斷時(shí)所承受的電壓峰值
Ipi — 第i個(gè)器件導(dǎo)通時(shí)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(jí)的級(jí)聯(lián)-3、級(jí)聯(lián)-4逆變器和三電平、四電平逆變器SSF的比較。表中級(jí)聯(lián)型逆變器的Vp和N有兩個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)于上下不同的級(jí)聯(lián)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(guān)損耗最大；
3. 級(jí)聯(lián)-4逆變器上側(cè)逆變單元的器件的額定電壓最高。

基于三相級(jí)聯(lián)的多電平逆變器的調(diào)制
針對(duì)該級(jí)聯(lián)型逆變器結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以對(duì)上下兩個(gè)逆變器進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制或分別進(jìn)行單獨(dú)調(diào)制。聯(lián)合調(diào)制是將上下兩個(gè)逆變器視為一個(gè)整體，然后運(yùn)用多電平逆變器的調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制，最常用的是空間矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)。例如，對(duì)于級(jí)聯(lián)-3逆變器來說，它有64個(gè)不同的開關(guān)狀態(tài)，能產(chǎn)生19個(gè)不同的空間電壓矢量。單獨(dú)調(diào)制是指分別對(duì)上下兩個(gè)逆變器采取不同的調(diào)制策略。例如，對(duì)上側(cè)逆變器可實(shí)施低頻PWM調(diào)制，以提供負(fù)載所需的絕大部分功率，對(duì)下側(cè)逆變器可實(shí)施高頻PWM調(diào)制，以改善負(fù)載上的電壓電流波形。

仿真驗(yàn)證
采用Matlab的Simulink作為仿真工具，并采用聯(lián)合SPWM調(diào)制方法對(duì)圖1中的電路進(jìn)行了仿真。載波比為18，每相負(fù)載由100W的電阻、50.1H的電感串聯(lián)構(gòu)成。其中直流電壓比取1:1時(shí)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(shí)的輸出電壓電流波形。

結(jié)語
本文提出的基于三相級(jí)聯(lián)的多電平逆變器拓?fù)?，通過負(fù)載將兩個(gè)電壓型三相逆變器級(jí)聯(lián)在一起，相對(duì)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(guān)狀態(tài)，這就為減少開關(guān)動(dòng)作次數(shù)和減少諧波的優(yōu)化控制提供了可能性；相對(duì)于普通的四電平逆變器來說，該逆變器只需較少的開關(guān)器件，從而簡(jiǎn)化了電路，降低了成本；相對(duì)于由傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)型逆變器構(gòu)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(cè)和(或)下側(cè)逆變器可直接使用商用成品，為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方便?！?/p>

參考文獻(xiàn)
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