多電平變換器拓?fù)潢P(guān)系及新型拓?fù)?/h1>
2011-02-19 12:22:02王琛琛李永東
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2011年1期 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)
王琛琛 李永東
(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084)
1 引言
多電平變換器從產(chǎn)生至今已經(jīng)有近三十年的發(fā)展歷史，其間產(chǎn)生了大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究多電平拓?fù)涞哪康氖菫榱藢?shí)現(xiàn)多電平輸出，使變換器能夠應(yīng)用于更高電壓等級(jí)的場(chǎng)合，提高輸出電壓的諧波性能。研究各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，分析并明晰各種拓?fù)渲g的聯(lián)系和區(qū)別，對(duì)于進(jìn)一步研究拓?fù)渚哂兄匾饬x。本文首先對(duì)多電平變換器拓?fù)涞陌l(fā)展做了一個(gè)回顧和討論，整理了多電平變換器發(fā)展演變的思路，分析了多電平拓?fù)渲g的聯(lián)系，提出了通用多電平拓?fù)浜?jiǎn)化為其他拓?fù)涞囊?guī)律，在此基礎(chǔ)上提出兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其工作原理和控制策略進(jìn)行了仿真研究。
2 基本拓?fù)?/h2>2.1 三極單元變換器
實(shí)現(xiàn)多電平的最簡(jiǎn)單直接的方法就是構(gòu)造一個(gè)多級(jí)直流電壓源串聯(lián)，且每級(jí)都有可控的獨(dú)立輸出通路，如圖1a 所示。這樣的思想早在文獻(xiàn)[1]中就已經(jīng)被提出來(lái)。但是受當(dāng)時(shí)開關(guān)器件發(fā)展水平的限制，文章中采用反并聯(lián)的晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)開關(guān)的功能，晶閘管不能關(guān)斷的缺點(diǎn)造成了不同等級(jí)電壓通路之間的換流過(guò)程極其復(fù)雜，大大增加了控制的難度。
類似這種思想，文獻(xiàn)[2]給出了一個(gè)最初的三電平結(jié)構(gòu)，如圖1b 所示，由二極管和三極管組成的兩
圖1 多級(jí)電壓源串聯(lián)思想構(gòu)成多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.1 Schematic of multilevel converter structure
個(gè)單向回路構(gòu)成了0 電平的輸出通路，實(shí)現(xiàn)了三電平的電壓輸出。隨著電力電子器件的發(fā)展，考慮到各開關(guān)管承受壓降的統(tǒng)一性，最終得到比較實(shí)用的拓?fù)淙鐖D2a 所示，被稱為層疊換流單元（stacked commutation cells）或者三極單元（three-pole cells）。其可以采用如圖2b 所示的導(dǎo)通策略，使得最外側(cè)支路的兩個(gè)管子中一個(gè)管子在半個(gè)周期中處于頻繁開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)管子每個(gè)基波周期只開關(guān)一次，可以大大減小損耗，同時(shí)也可以避免串聯(lián)器件同時(shí)開通和關(guān)斷帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴}。
圖2 三極單元變換器結(jié)構(gòu)及導(dǎo)通規(guī)律 Fig.2 Schematic of three-pole cell structure
2.2 二極管鉗位型多電平變換器
與此同時(shí)，另外一種結(jié)構(gòu)中點(diǎn)鉗位型（Neutral- Point-Clamped，NPC）也被提出來(lái)[2-3]，這也是現(xiàn)在使用最為廣泛的一種三電平結(jié)構(gòu)。NPC 可以看成是三極單元的一種特殊的實(shí)現(xiàn)方式[4]，三極單元中實(shí)現(xiàn)雙向電流通路功能的支路被如圖3a 所示的兩個(gè)內(nèi)部開關(guān)管和兩個(gè)鉗位二極管（VDN1，VDN2）構(gòu)成的兩個(gè)電流單向支路所代替，節(jié)省了開關(guān)器件，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
NPC 的多電平形式就是二極管鉗位型多電平變換器（diode clamped multilevel converter）。圖3b、圖3c 給出了五電平情況下的兩種拓?fù)湫问健?/p>
二極管鉗位型多電平結(jié)構(gòu)有固有的缺點(diǎn)[5-6]：
（1）為了保證鉗位二極管承受相同的反向電壓E，鉗位二極管的數(shù)目將按照電平數(shù)的二次方快速增加。
圖3 二極管鉗位型多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.3 Diode-clamped multilevel converter structure
（2）如果采用單一直流電源供電，母線上各個(gè)電容的電壓很難控制平衡。
（3）內(nèi)外管的開關(guān)應(yīng)力（switching stress）或者說(shuō)損耗存在不平衡。
（4）鉗位二極管只能保證最外面的開關(guān)管被 可靠鉗位，而內(nèi)部的開關(guān)管并沒(méi)有被直接鉗位[5]。
2.3 電容鉗位型多電平變換器
文獻(xiàn)[7]利用增加的鉗位電容構(gòu)成了混合鉗位拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖4a），有利于解決NPC 拓?fù)渲袃?nèi)管不能可靠鉗位以及直流母線電容平衡的問(wèn)題。利用電容作為鉗位器件給多電平拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)新的思路。單純采用電容鉗位的思想最早出現(xiàn)在文獻(xiàn)[8]中（見(jiàn)圖 4b）。在此基礎(chǔ)上，Meynard[4,9-10]將其拓展到多電平領(lǐng)域，稱為電容鉗位型多電平變換器（flying capacitor multilevel converter），也稱為Multicell 或者Imbricated cells。
圖4 混合鉗位型和電容鉗位型變換器 Fig.4 Diode-capacitor and capacitor clamped structure
電容鉗位型多電平的鉗位電容除了具有鉗位作用以外，其本身所具有的電壓輸出能力也增加了變換器輸出某一電平的開關(guān)狀態(tài)。電容鉗位型變換器不存在母線電容電壓不平衡、開關(guān)管之間開關(guān)應(yīng)力不同以及耐壓不平衡的問(wèn)題。但是隨著電平數(shù)增加，鉗位電容的數(shù)量大大增加，增加了系統(tǒng)的成本和體積。另外在應(yīng)用中，電容的故障率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體器件的故障率，鉗位電容的引入影響了整個(gè)系統(tǒng)的壽命和可靠性。
2.4 有源中點(diǎn)鉗位型變換器
為了進(jìn)一步解決NPC 中非直接鉗位和開關(guān)應(yīng)力不同的問(wèn)題，文獻(xiàn)[11-12]提出了有源中點(diǎn)鉗位型變換器（Active NPC，ANPC），如圖5a 所示。ANPC結(jié)構(gòu)采用帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管來(lái)代替鉗位二極管，多用了兩個(gè)開關(guān)管。而在實(shí)際采用IGBT 的NPC系統(tǒng)中，出于器件特性一致的考慮，一般用IGBT中寄生的反并聯(lián)二極管來(lái)做鉗位二極管。ANPC 結(jié)構(gòu)利用了原先閑置的IGBT 開關(guān)管和反并聯(lián)二極管一起保證可靠的鉗位。另外，ANPC 增加的兩個(gè)開關(guān)管可以增加零電平時(shí)刻的電流通路，選擇合適的電流通路可以把原來(lái)內(nèi)管上的損耗一定程度分散到鉗位開關(guān)管上。文獻(xiàn)[11-12]經(jīng)過(guò)分析得到，采用ANPC 的結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的NPC 提高20%的系統(tǒng)容量或者85%的開關(guān)頻率，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很有價(jià)值。文獻(xiàn)[13]結(jié)合了NPC 和三極單元，也給出了一種新的三電平結(jié)構(gòu)，稱為Stacked NPC，如圖5b 所示。它通過(guò)增加電流通路，也能夠有效地平衡各管之間的損耗。
圖5 有源中點(diǎn)鉗位和堆疊中點(diǎn)鉗位三電平變換器 Fig.5 Active NPC and stacked NPC converter
3 衍生拓?fù)?/h2>
上面給出的四種基本拓?fù)洌烁鶕?jù)自身的特點(diǎn)往更高電平拓展之外，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合和變形，構(gòu)成新的拓?fù)洹?/p>
3.1 層疊式多單元變換器
層疊式多單元變換器（ Stacked Multicell Converter，SMC）可以認(rèn)為是Multicell 和P-pole cell兩種多電平拓?fù)渌枷虢Y(jié)合的產(chǎn)物[4]。圖 6 是一個(gè)SMC 的結(jié)構(gòu)圖[14]。在輸出相同電平數(shù)的情況下，SMC 能在不損失Multicell 動(dòng)靜態(tài)性能的同時(shí)大大減少鉗位電容的數(shù)量。
圖6 3×2 層疊式變換器拓?fù)?Fig.6 3×2 stacked multicell converter
對(duì)于這樣一個(gè)n×p 的層疊式多單元變換器（n代表單元數(shù)，p 代表堆疊數(shù)），可以看成是p 個(gè)n 單元的Multicell 層疊而成，也可以看成n 個(gè)p-pole cell 連接得到。圖7a 所示是一個(gè)SMC 結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，可以看成是多個(gè)三極單元通過(guò)電容串聯(lián)而成。另外NPC 作為三極單元的一種特殊方式，也可以作為最后一級(jí)接到SMC 拓?fù)洚?dāng)中，如圖7b 所示。
圖7 層疊式變換器拓?fù)涞臄U(kuò)展 Fig.7 Extension of the SMC
3.2 有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器
和NPC 類似，ANPC 結(jié)構(gòu)也很容易直接推廣到多電平。不過(guò)如果把ANPC 和Multicell 結(jié)合就可以得到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器（ANPC multilevel converter）[15]。圖8a 所示就是這樣一個(gè) ANPC 的五電平結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)單元（圖中點(diǎn)劃線框所示）都可以看成是電容鉗位的三電平結(jié)構(gòu)，然后按照ANPC 的結(jié)構(gòu)組合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)五電平的新拓?fù)?。進(jìn)一步省去電容還可以得到如圖8b 和圖8c 的兩種結(jié)構(gòu)[15-16]。圖8a 中斷開處可以按照電容鉗位型的方式繼續(xù)擴(kuò)展到更高電平。需要注意的是，ANPC 和SMC 都只能實(shí)現(xiàn)奇數(shù)電平的輸出。
圖8 有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器 Fig.8 ANPC multilevel converter
3.3 通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
從之前給出的拓?fù)鋱D注意到，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)一定數(shù)目的電平輸出，其在外側(cè)的主開關(guān)管的分布是一致的，主要的區(qū)別在于鉗位器件的不同。二極管、可控開關(guān)管以及電容都可以單獨(dú)或者組合之后被選擇作為輔助器件。
文獻(xiàn)[17]提出了一種通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)拓?fù)渲校O管、可控開關(guān)管和電容這三種鉗位器件同時(shí)被使用，可以認(rèn)為是最復(fù)雜同時(shí)也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。如圖9 是一個(gè)五電平的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通用多電平拓?fù)洳捎昧舜罅康你Q位開關(guān)管、二極管和電容，通過(guò)特定開關(guān)模式可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的自平衡。
圖9 五電平通用多電平拓?fù)?Fig.9 5-level generalized multilevel converter
4 通用拓?fù)浜推渌負(fù)渲g的關(guān)系
通用拓?fù)渫瑫r(shí)使用了三種鉗位器件，可以認(rèn)為是其他拓?fù)涞囊环N高度概括。前面所述的基本拓?fù)浼把苌負(fù)涠伎梢酝ㄟ^(guò)一定的簡(jiǎn)化從通用拓?fù)渲械玫?。以圖9 所示的五電平通用拓?fù)錇槔?，如果保留鉗位二極管和電容，省去所有的鉗位開關(guān)管，通用拓?fù)渚秃?jiǎn)化成混合鉗位型拓?fù)?；在此基礎(chǔ)上如果省掉所有的鉗位電容或者二極管，則退化成二極管鉗位型或者電容鉗位型拓?fù)?，如圖10 所示。
圖10 通用拓?fù)浜?jiǎn)化為混合、二極管和 電容鉗位型拓?fù)?Fig.10 Diode-clamped and flying capacitor-clamped topologies deduced from the generalized topology
除此之外還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，通用拓?fù)溥€可以退化為SMC 和ANPC 等結(jié)構(gòu)。如圖11a 所示，五電平的通用拓?fù)浣?jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以退化為一個(gè)2×2 的SMC 結(jié)構(gòu)，只是在最后一級(jí)采用的是NPC結(jié)構(gòu)?？紤]到NPC 是三極單元的一種變形，因此并不影響理解通用拓?fù)浜蚐MC 之間的聯(lián)系。同樣的，如圖 11b 所示，通用拓?fù)浣?jīng)過(guò)簡(jiǎn)化也可以退化成ANPC 的結(jié)構(gòu)。
圖11 通用拓?fù)浜?jiǎn)化為層疊型和ANPC 型拓?fù)?Fig.11 SMC and ANPC topologies deduced from the generalized topology
現(xiàn)只給出了五電平的例子，其他電平的情況可以類似得到。可以看出，現(xiàn)有的多電平拓?fù)浜屯ㄓ猛負(fù)渲g存在著緊密的聯(lián)系，通用拓?fù)渫ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化可以退化成這些常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖12 以圖表的形式對(duì)這些關(guān)系做了一個(gè)總結(jié)。
圖12 通用拓?fù)浜鸵延型負(fù)渲g的關(guān)系 Fig.12 Relationship between the existing topologies
那么在通用拓?fù)涞暮?jiǎn)化過(guò)程中，有哪些需要遵守的規(guī)律呢？總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
（1）兩側(cè)主開關(guān)管必須全部保留。
（2）鉗位開關(guān)管、二極管和電容要對(duì)稱地從兩側(cè)成對(duì)省略。簡(jiǎn)化后拓?fù)渚哂泻芎玫膶?duì)稱性，且可擴(kuò)展。
（3）如果要使簡(jiǎn)化后拓?fù)渚哂型暾敵鏊?電平的能力，通用拓?fù)渲袑?duì)應(yīng)每個(gè)電平的多個(gè)電流雙向通路至少有一個(gè)被保留。
（4）出于實(shí)際應(yīng)用的考慮，鉗位電容要越少越好，尤其是盡可能地去掉靠近直流母線側(cè)的鉗位電容。
（5）為了保證能夠有效地控制每個(gè)鉗位電容 電壓穩(wěn)定，在輸出特定電平、特定電流情況下，存在對(duì)鉗位電容電壓沒(méi)有影響或者影響相反的開關(guān)狀態(tài)。
不難得到，前文所述的從通用拓?fù)渫嘶礁鞣N已有拓?fù)涞倪^(guò)程都遵循了這些規(guī)律。這不但對(duì)理解拓?fù)渲g的關(guān)系有重要作用，對(duì)于通過(guò)簡(jiǎn)化通用拓?fù)洹⑻岢鲂碌耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)也有很重要的指導(dǎo)意義。
進(jìn)一步的，通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以得到如圖13 的結(jié)構(gòu)，這就是所熟知的H 橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)?。這個(gè)結(jié)構(gòu)早在20 世紀(jì)70 年代中就已經(jīng)被提出[18]，后來(lái)結(jié)合了PWM 的控制策略得到了廣泛使用?？梢钥吹?，圖13 右邊所示的兩個(gè)H 橋級(jí)聯(lián)一樣能夠輸出五電平。不同的是，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是每級(jí)獨(dú)立供電，而不像前面所敘述的眾多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)母線統(tǒng)一供電的。雖然級(jí)聯(lián)型拓?fù)浜颓懊嫠龅谋姸嗤負(fù)涞臉?gòu)造思想有很大差別，但是對(duì)于H 橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)湟约捌渌募?jí)聯(lián)型拓?fù)洌缛娖郊?jí)聯(lián)，或者是混合級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)渲姓业狡浜圹E。
圖13 通用拓?fù)浜虷 橋拓?fù)渲g的關(guān)系 Fig.13 Relationship between H-bridge and generalized topology
5 新型多電平變換器拓?fù)?/h2>
本文遵循前面歸納出來(lái)的通用拓?fù)浜?jiǎn)化過(guò)程中的規(guī)律，提出了如圖14 所示的兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可以看到這兩種新拓?fù)涠寄軌驅(qū)崿F(xiàn)五電平的輸出，而且結(jié)構(gòu)相似，運(yùn)行原理也基本相同。相比較而言，圖14b 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加清晰簡(jiǎn)單，因此后續(xù)具體的分析和討論將會(huì)圍繞該拓?fù)湔归_，圖14a 所示拓?fù)涞南嚓P(guān)分析可以類比得到。另外，圖14b 所示拓?fù)湓趫D15a 所示的斷點(diǎn)處繼續(xù)擴(kuò)展可以得到更高電平，例如圖15b 就給出了一個(gè)七電平的例子。
圖14 兩種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.14 Two novel multilevel topologies
圖15 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展 Fig.15 Extension of the novel topology
為了和現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較，表1 以五電平為例，對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所用的器件數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從這個(gè)表中可以比較各種拓?fù)渌璧拈_關(guān)管、二極管以及鉗位電容的數(shù)目?？梢钥吹?，本文所提出的新拓?fù)浜秃?jiǎn)化后的ANPC 從使用器件數(shù)目上來(lái)看具有很大的優(yōu)勢(shì)，其中圖14b 拓?fù)涞乃杵骷钌?。以圖14b 所示的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，對(duì)新拓?fù)涞墓ぷ髟磉M(jìn)行分析。所有可能的開關(guān)狀態(tài)見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)了0～4E 共五個(gè)輸出電平。
表1 多電平拓?fù)渌闷骷?shù)目比較 Tab.1 Devices required in different topologies
表2 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài) Tab.2 Switching states of the novel topology
該拓?fù)淠軌蛘９ぷ鞯囊粋€(gè)核心問(wèn)題是鉗位電容C1電壓的控制。表2 總結(jié)了在不同電流情況下，各開關(guān)狀態(tài)對(duì)電容C1電壓的影響。例如當(dāng)電流為正的時(shí) 候，V5和V7對(duì)C1充 電，V2和V4使C1放電，其他開關(guān)狀態(tài)不影響C1的電壓。根據(jù)這樣的關(guān)系，按照C1的電壓偏移情況和相電流的正負(fù)，可以選擇合適的開關(guān)狀態(tài)維持C1電壓的穩(wěn)定。開關(guān)狀態(tài)的選擇方法見(jiàn)表3，其中ΔU=UC?E。當(dāng)ΔU 為正時(shí)，選擇對(duì)C1放電的開關(guān)狀態(tài)，反之選擇對(duì)C1充電的開關(guān)狀態(tài)，如果不存在這樣的狀態(tài)，則選擇對(duì)C1的電壓沒(méi)有影響的開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)被分為G1和G2兩組以供選擇。根據(jù)這樣簡(jiǎn)單的方法，就可以維持鉗位電容電壓的穩(wěn)定。
表3 開關(guān)狀態(tài)的選擇 Tab.3 Selection of the switching states
對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，新拓?fù)淇梢圆捎脙?nèi)環(huán)輔助鉗位的方法來(lái)穩(wěn)定母線電容電壓。該方法的提出和具體的分析在文獻(xiàn)[19]中有詳細(xì)的敘述，其母線供電結(jié)構(gòu)如圖16 所示。因?yàn)樾峦負(fù)渲心妇€的中點(diǎn)不再有電流輸出，所以相比文獻(xiàn)[19]中的二極管鉗位型五電平結(jié)構(gòu)，不需要去控制內(nèi)環(huán)的中點(diǎn)電位，控制更加簡(jiǎn)單。以母線電容電壓為控制目標(biāo)，構(gòu)造最優(yōu)函數(shù)來(lái)選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，可以控制母線電容電壓的穩(wěn)定。同時(shí)還需要考慮控制每相鉗位電容的電壓，選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。
圖16 內(nèi)環(huán)輔助鉗位結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.16 Inner-loop auxiliary clamped structure
6 新拓?fù)涞姆抡嫜芯?/h2>
在新拓?fù)涞姆抡嬷?，采用的每?jí)電容的大小為4700μF，每級(jí)電壓為500V，負(fù)載電流為10A（rms），調(diào)制系數(shù)0.8。圖17 給出了開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)為0.9 時(shí)刻的輸出電壓和電流。圖18 為開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1 時(shí)單相結(jié)構(gòu)鉗位電容電壓的仿真結(jié)果?？梢钥吹酵ㄟ^(guò)前面所述的控制方法，鉗位電容的電壓能夠得到很好的控制。三相系統(tǒng)各級(jí)母線電壓和各相鉗位電容電壓的仿真結(jié)果如圖19 所示，開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1。
圖17 開關(guān)頻率1kHz，功率因數(shù)0.9 時(shí) 單相運(yùn)行仿真結(jié)果 Fig.17 Simulation results of single phase leg （f=1kHz,PF=0.9）
圖18 單相變換器鉗位電容電壓仿真結(jié)果 Fig.18 Simulation results of single phase leg （voltage of the clamping capacitor）
圖19 三相變換器母線電壓和鉗位 電容電壓仿真結(jié)果 Fig.19 Simulation results of three phase converter
從仿真波形可以看到，采用內(nèi)環(huán)輔助鉗位的方法，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在保持鉗位電容電壓穩(wěn)定的同時(shí)，也能很好地控制母線各級(jí)電容的電壓。
7 結(jié)論
本文從多電平基本拓?fù)淙胧?，探討了多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從產(chǎn)生以來(lái)的發(fā)展過(guò)程，并重點(diǎn)分析了通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最終得到所有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)浜?jiǎn)化（退化）組合而來(lái)的結(jié)論，并且提出了通用多電平拓?fù)浜?jiǎn)化的規(guī)律。根據(jù)通用拓?fù)浜?jiǎn)化規(guī)律，本文提出了兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在輸出相同電平數(shù)下，所用的開關(guān)器件數(shù)量最少。本文還對(duì)新拓?fù)涞墓ぷ髟砗涂刂品椒ㄟM(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)新拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)和電流通路的研究，給出了控制單相變換器的鉗位電容電壓穩(wěn)定和三相變換器的母線各級(jí)電壓穩(wěn)定的方法。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了所提出的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法的正確性和可行性。
[1] Bhagwat P,Stefanovic V R.Generalized structure of a multilevel PWM inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1983,19(6):761-766.
[2] Nabae A,Takahashi I,Akagi H.A new neutral- point-clamped PWM inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1981,17(5):518-523.
[3] Baker R H.Bridge converter circuit:United States,4270163[P].1979.
[4] Meynard T A,Foch H,Forest F,et al.Multicell converters:derived topologies[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49(5):978-987.
[5] Y Xiaoming,Barbi I.Fundamentals of a new diode clamping multilevel inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(4):711-718.
[6] L Jih Sheng,P Fangzheng.Multilevel converters-a new breed of power converters[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1996,32(3):509-517.
[7] K Young Seok,S Beom Seok,H Dong Seok.A novel structure of multi-level high voltage source inverter[C].EPE '93,1993:132-137.
[8] Takafumi Maruyama,Kumano M.Method of controlling an inverter:United States,5155675[P].1990.
[9] Meynard T A,Foch H.Multi-level conversion:high voltage choppers and voltage-source inverters[C].PESC '92,1992:397-403.
[10] Meynard T A,Foch H,Thomas P,et al.Multicell converters:basic concepts and industry appli- cations[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49(5):955-964.
[11] Bruckner T,Bemet S.Loss balancing in three-level voltage source inverters applying active NPC switches[C].PESC'01,2001:1135-1140.
[12] Bruckner T,Bemet S,Guldner H.The active NPC converter and its loss-balancing control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(3):855-868.
[13] Floricau D,Gateau G,Dumitrescu M,et al.A new stacked NPC converter:3L-topology and control[C].EPE'07,2007.
[14] Gateau G,Meynard T A,Foch H.Stacked multicell converter (SMC):properties and design[C].PESC '01,2001:1583-1588.
[15] Barbosa P,Steimer P,Meysenc L,et al.Active neutral-point-clamped multilevel converters[C].PESC '05,2005:2296-2301.
[16] Haederli C,Ladoux P,Meynard T,et al.Neutral point control in multilevel converters applying novel modulation schemes[C].PESC '06,2006:1-8.
[17] Peng Fangzheng.A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,2001,37(2):611-618.
[18] Baker R H,Bannister L H.Electric power converter:United States,3867643[P].1974.
[19] 高躍.二極管鉗位型多電平逆變器電壓平衡控制的穩(wěn)定域研究[D].北京:清華大學(xué),2007.
猜你喜歡
DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)小獼猴智力畫刊(2023年4期)2023-04-23 08:49:58 《形而上學(xué)》△卷的結(jié)構(gòu)和位置哲學(xué)評(píng)論(2021年2期)2021-08-22 01:53:34 論結(jié)構(gòu)中華詩(shī)詞(2019年7期)2019-11-25 01:43:04 新型平衡塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用模具制造(2019年3期)2019-06-06 02:10:54 循環(huán)結(jié)構(gòu)謹(jǐn)防“死循環(huán)”中學(xué)生數(shù)理化·高一版(2018年1期)2018-02-10 05:20:03 論《日出》的結(jié)構(gòu)影視與戲劇評(píng)論(2016年0期)2016-11-23 05:26:01 縱向結(jié)構(gòu)七彩語(yǔ)文·寫字與書法(2016年7期)2016-07-28 21:40:22 縱向結(jié)構(gòu)七彩語(yǔ)文·寫字與書法(2016年6期)2016-07-15 19:36:34 我國(guó)社會(huì)結(jié)構(gòu)的重建人間(2015年21期)2015-03-11 15:23:21 創(chuàng)新治理結(jié)構(gòu)促進(jìn)中小企業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)現(xiàn)代企業(yè)(2015年9期)2015-02-28 18:56:50
王琛琛 李永東
(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084)
1 引言
多電平變換器從產(chǎn)生至今已經(jīng)有近三十年的發(fā)展歷史，其間產(chǎn)生了大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究多電平拓?fù)涞哪康氖菫榱藢?shí)現(xiàn)多電平輸出，使變換器能夠應(yīng)用于更高電壓等級(jí)的場(chǎng)合，提高輸出電壓的諧波性能。研究各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，分析并明晰各種拓?fù)渲g的聯(lián)系和區(qū)別，對(duì)于進(jìn)一步研究拓?fù)渚哂兄匾饬x。本文首先對(duì)多電平變換器拓?fù)涞陌l(fā)展做了一個(gè)回顧和討論，整理了多電平變換器發(fā)展演變的思路，分析了多電平拓?fù)渲g的聯(lián)系，提出了通用多電平拓?fù)浜?jiǎn)化為其他拓?fù)涞囊?guī)律，在此基礎(chǔ)上提出兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其工作原理和控制策略進(jìn)行了仿真研究。
2 基本拓?fù)?/h2>2.1 三極單元變換器
實(shí)現(xiàn)多電平的最簡(jiǎn)單直接的方法就是構(gòu)造一個(gè)多級(jí)直流電壓源串聯(lián)，且每級(jí)都有可控的獨(dú)立輸出通路，如圖1a 所示。這樣的思想早在文獻(xiàn)[1]中就已經(jīng)被提出來(lái)。但是受當(dāng)時(shí)開關(guān)器件發(fā)展水平的限制，文章中采用反并聯(lián)的晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)開關(guān)的功能，晶閘管不能關(guān)斷的缺點(diǎn)造成了不同等級(jí)電壓通路之間的換流過(guò)程極其復(fù)雜，大大增加了控制的難度。
類似這種思想，文獻(xiàn)[2]給出了一個(gè)最初的三電平結(jié)構(gòu)，如圖1b 所示，由二極管和三極管組成的兩
圖1 多級(jí)電壓源串聯(lián)思想構(gòu)成多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.1 Schematic of multilevel converter structure
個(gè)單向回路構(gòu)成了0 電平的輸出通路，實(shí)現(xiàn)了三電平的電壓輸出。隨著電力電子器件的發(fā)展，考慮到各開關(guān)管承受壓降的統(tǒng)一性，最終得到比較實(shí)用的拓?fù)淙鐖D2a 所示，被稱為層疊換流單元（stacked commutation cells）或者三極單元（three-pole cells）。其可以采用如圖2b 所示的導(dǎo)通策略，使得最外側(cè)支路的兩個(gè)管子中一個(gè)管子在半個(gè)周期中處于頻繁開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)管子每個(gè)基波周期只開關(guān)一次，可以大大減小損耗，同時(shí)也可以避免串聯(lián)器件同時(shí)開通和關(guān)斷帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴}。
圖2 三極單元變換器結(jié)構(gòu)及導(dǎo)通規(guī)律 Fig.2 Schematic of three-pole cell structure
2.2 二極管鉗位型多電平變換器
與此同時(shí)，另外一種結(jié)構(gòu)中點(diǎn)鉗位型（Neutral- Point-Clamped，NPC）也被提出來(lái)[2-3]，這也是現(xiàn)在使用最為廣泛的一種三電平結(jié)構(gòu)。NPC 可以看成是三極單元的一種特殊的實(shí)現(xiàn)方式[4]，三極單元中實(shí)現(xiàn)雙向電流通路功能的支路被如圖3a 所示的兩個(gè)內(nèi)部開關(guān)管和兩個(gè)鉗位二極管（VDN1，VDN2）構(gòu)成的兩個(gè)電流單向支路所代替，節(jié)省了開關(guān)器件，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
NPC 的多電平形式就是二極管鉗位型多電平變換器（diode clamped multilevel converter）。圖3b、圖3c 給出了五電平情況下的兩種拓?fù)湫问健?/p>
二極管鉗位型多電平結(jié)構(gòu)有固有的缺點(diǎn)[5-6]：
（1）為了保證鉗位二極管承受相同的反向電壓E，鉗位二極管的數(shù)目將按照電平數(shù)的二次方快速增加。
圖3 二極管鉗位型多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.3 Diode-clamped multilevel converter structure
（2）如果采用單一直流電源供電，母線上各個(gè)電容的電壓很難控制平衡。
（3）內(nèi)外管的開關(guān)應(yīng)力（switching stress）或者說(shuō)損耗存在不平衡。
（4）鉗位二極管只能保證最外面的開關(guān)管被 可靠鉗位，而內(nèi)部的開關(guān)管并沒(méi)有被直接鉗位[5]。
2.3 電容鉗位型多電平變換器
文獻(xiàn)[7]利用增加的鉗位電容構(gòu)成了混合鉗位拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖4a），有利于解決NPC 拓?fù)渲袃?nèi)管不能可靠鉗位以及直流母線電容平衡的問(wèn)題。利用電容作為鉗位器件給多電平拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)新的思路。單純采用電容鉗位的思想最早出現(xiàn)在文獻(xiàn)[8]中（見(jiàn)圖 4b）。在此基礎(chǔ)上，Meynard[4,9-10]將其拓展到多電平領(lǐng)域，稱為電容鉗位型多電平變換器（flying capacitor multilevel converter），也稱為Multicell 或者Imbricated cells。
圖4 混合鉗位型和電容鉗位型變換器 Fig.4 Diode-capacitor and capacitor clamped structure
電容鉗位型多電平的鉗位電容除了具有鉗位作用以外，其本身所具有的電壓輸出能力也增加了變換器輸出某一電平的開關(guān)狀態(tài)。電容鉗位型變換器不存在母線電容電壓不平衡、開關(guān)管之間開關(guān)應(yīng)力不同以及耐壓不平衡的問(wèn)題。但是隨著電平數(shù)增加，鉗位電容的數(shù)量大大增加，增加了系統(tǒng)的成本和體積。另外在應(yīng)用中，電容的故障率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體器件的故障率，鉗位電容的引入影響了整個(gè)系統(tǒng)的壽命和可靠性。
2.4 有源中點(diǎn)鉗位型變換器
為了進(jìn)一步解決NPC 中非直接鉗位和開關(guān)應(yīng)力不同的問(wèn)題，文獻(xiàn)[11-12]提出了有源中點(diǎn)鉗位型變換器（Active NPC，ANPC），如圖5a 所示。ANPC結(jié)構(gòu)采用帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管來(lái)代替鉗位二極管，多用了兩個(gè)開關(guān)管。而在實(shí)際采用IGBT 的NPC系統(tǒng)中，出于器件特性一致的考慮，一般用IGBT中寄生的反并聯(lián)二極管來(lái)做鉗位二極管。ANPC 結(jié)構(gòu)利用了原先閑置的IGBT 開關(guān)管和反并聯(lián)二極管一起保證可靠的鉗位。另外，ANPC 增加的兩個(gè)開關(guān)管可以增加零電平時(shí)刻的電流通路，選擇合適的電流通路可以把原來(lái)內(nèi)管上的損耗一定程度分散到鉗位開關(guān)管上。文獻(xiàn)[11-12]經(jīng)過(guò)分析得到，采用ANPC 的結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的NPC 提高20%的系統(tǒng)容量或者85%的開關(guān)頻率，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很有價(jià)值。文獻(xiàn)[13]結(jié)合了NPC 和三極單元，也給出了一種新的三電平結(jié)構(gòu)，稱為Stacked NPC，如圖5b 所示。它通過(guò)增加電流通路，也能夠有效地平衡各管之間的損耗。
圖5 有源中點(diǎn)鉗位和堆疊中點(diǎn)鉗位三電平變換器 Fig.5 Active NPC and stacked NPC converter
3 衍生拓?fù)?/h2>
上面給出的四種基本拓?fù)洌烁鶕?jù)自身的特點(diǎn)往更高電平拓展之外，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合和變形，構(gòu)成新的拓?fù)洹?/p>
3.1 層疊式多單元變換器
層疊式多單元變換器（ Stacked Multicell Converter，SMC）可以認(rèn)為是Multicell 和P-pole cell兩種多電平拓?fù)渌枷虢Y(jié)合的產(chǎn)物[4]。圖 6 是一個(gè)SMC 的結(jié)構(gòu)圖[14]。在輸出相同電平數(shù)的情況下，SMC 能在不損失Multicell 動(dòng)靜態(tài)性能的同時(shí)大大減少鉗位電容的數(shù)量。
圖6 3×2 層疊式變換器拓?fù)?Fig.6 3×2 stacked multicell converter
對(duì)于這樣一個(gè)n×p 的層疊式多單元變換器（n代表單元數(shù)，p 代表堆疊數(shù)），可以看成是p 個(gè)n 單元的Multicell 層疊而成，也可以看成n 個(gè)p-pole cell 連接得到。圖7a 所示是一個(gè)SMC 結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，可以看成是多個(gè)三極單元通過(guò)電容串聯(lián)而成。另外NPC 作為三極單元的一種特殊方式，也可以作為最后一級(jí)接到SMC 拓?fù)洚?dāng)中，如圖7b 所示。
圖7 層疊式變換器拓?fù)涞臄U(kuò)展 Fig.7 Extension of the SMC
3.2 有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器
和NPC 類似，ANPC 結(jié)構(gòu)也很容易直接推廣到多電平。不過(guò)如果把ANPC 和Multicell 結(jié)合就可以得到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器（ANPC multilevel converter）[15]。圖8a 所示就是這樣一個(gè) ANPC 的五電平結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)單元（圖中點(diǎn)劃線框所示）都可以看成是電容鉗位的三電平結(jié)構(gòu)，然后按照ANPC 的結(jié)構(gòu)組合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)五電平的新拓?fù)?。進(jìn)一步省去電容還可以得到如圖8b 和圖8c 的兩種結(jié)構(gòu)[15-16]。圖8a 中斷開處可以按照電容鉗位型的方式繼續(xù)擴(kuò)展到更高電平。需要注意的是，ANPC 和SMC 都只能實(shí)現(xiàn)奇數(shù)電平的輸出。
圖8 有源中點(diǎn)鉗位型多電平變換器 Fig.8 ANPC multilevel converter
3.3 通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
從之前給出的拓?fù)鋱D注意到，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)一定數(shù)目的電平輸出，其在外側(cè)的主開關(guān)管的分布是一致的，主要的區(qū)別在于鉗位器件的不同。二極管、可控開關(guān)管以及電容都可以單獨(dú)或者組合之后被選擇作為輔助器件。
文獻(xiàn)[17]提出了一種通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)拓?fù)渲校O管、可控開關(guān)管和電容這三種鉗位器件同時(shí)被使用，可以認(rèn)為是最復(fù)雜同時(shí)也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。如圖9 是一個(gè)五電平的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通用多電平拓?fù)洳捎昧舜罅康你Q位開關(guān)管、二極管和電容，通過(guò)特定開關(guān)模式可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的自平衡。
圖9 五電平通用多電平拓?fù)?Fig.9 5-level generalized multilevel converter
4 通用拓?fù)浜推渌負(fù)渲g的關(guān)系
通用拓?fù)渫瑫r(shí)使用了三種鉗位器件，可以認(rèn)為是其他拓?fù)涞囊环N高度概括。前面所述的基本拓?fù)浼把苌負(fù)涠伎梢酝ㄟ^(guò)一定的簡(jiǎn)化從通用拓?fù)渲械玫?。以圖9 所示的五電平通用拓?fù)錇槔?，如果保留鉗位二極管和電容，省去所有的鉗位開關(guān)管，通用拓?fù)渚秃?jiǎn)化成混合鉗位型拓?fù)?；在此基礎(chǔ)上如果省掉所有的鉗位電容或者二極管，則退化成二極管鉗位型或者電容鉗位型拓?fù)?，如圖10 所示。
圖10 通用拓?fù)浜?jiǎn)化為混合、二極管和 電容鉗位型拓?fù)?Fig.10 Diode-clamped and flying capacitor-clamped topologies deduced from the generalized topology
除此之外還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，通用拓?fù)溥€可以退化為SMC 和ANPC 等結(jié)構(gòu)。如圖11a 所示，五電平的通用拓?fù)浣?jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以退化為一個(gè)2×2 的SMC 結(jié)構(gòu)，只是在最后一級(jí)采用的是NPC結(jié)構(gòu)?？紤]到NPC 是三極單元的一種變形，因此并不影響理解通用拓?fù)浜蚐MC 之間的聯(lián)系。同樣的，如圖 11b 所示，通用拓?fù)浣?jīng)過(guò)簡(jiǎn)化也可以退化成ANPC 的結(jié)構(gòu)。
圖11 通用拓?fù)浜?jiǎn)化為層疊型和ANPC 型拓?fù)?Fig.11 SMC and ANPC topologies deduced from the generalized topology
現(xiàn)只給出了五電平的例子，其他電平的情況可以類似得到。可以看出，現(xiàn)有的多電平拓?fù)浜屯ㄓ猛負(fù)渲g存在著緊密的聯(lián)系，通用拓?fù)渫ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化可以退化成這些常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖12 以圖表的形式對(duì)這些關(guān)系做了一個(gè)總結(jié)。
圖12 通用拓?fù)浜鸵延型負(fù)渲g的關(guān)系 Fig.12 Relationship between the existing topologies
那么在通用拓?fù)涞暮?jiǎn)化過(guò)程中，有哪些需要遵守的規(guī)律呢？總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
（1）兩側(cè)主開關(guān)管必須全部保留。
（2）鉗位開關(guān)管、二極管和電容要對(duì)稱地從兩側(cè)成對(duì)省略。簡(jiǎn)化后拓?fù)渚哂泻芎玫膶?duì)稱性，且可擴(kuò)展。
（3）如果要使簡(jiǎn)化后拓?fù)渚哂型暾敵鏊?電平的能力，通用拓?fù)渲袑?duì)應(yīng)每個(gè)電平的多個(gè)電流雙向通路至少有一個(gè)被保留。
（4）出于實(shí)際應(yīng)用的考慮，鉗位電容要越少越好，尤其是盡可能地去掉靠近直流母線側(cè)的鉗位電容。
（5）為了保證能夠有效地控制每個(gè)鉗位電容 電壓穩(wěn)定，在輸出特定電平、特定電流情況下，存在對(duì)鉗位電容電壓沒(méi)有影響或者影響相反的開關(guān)狀態(tài)。
不難得到，前文所述的從通用拓?fù)渫嘶礁鞣N已有拓?fù)涞倪^(guò)程都遵循了這些規(guī)律。這不但對(duì)理解拓?fù)渲g的關(guān)系有重要作用，對(duì)于通過(guò)簡(jiǎn)化通用拓?fù)洹⑻岢鲂碌耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)也有很重要的指導(dǎo)意義。
進(jìn)一步的，通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以得到如圖13 的結(jié)構(gòu)，這就是所熟知的H 橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)?。這個(gè)結(jié)構(gòu)早在20 世紀(jì)70 年代中就已經(jīng)被提出[18]，后來(lái)結(jié)合了PWM 的控制策略得到了廣泛使用?？梢钥吹?，圖13 右邊所示的兩個(gè)H 橋級(jí)聯(lián)一樣能夠輸出五電平。不同的是，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是每級(jí)獨(dú)立供電，而不像前面所敘述的眾多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)母線統(tǒng)一供電的。雖然級(jí)聯(lián)型拓?fù)浜颓懊嫠龅谋姸嗤負(fù)涞臉?gòu)造思想有很大差別，但是對(duì)于H 橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)湟约捌渌募?jí)聯(lián)型拓?fù)洌缛娖郊?jí)聯(lián)，或者是混合級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)渲姓业狡浜圹E。
圖13 通用拓?fù)浜虷 橋拓?fù)渲g的關(guān)系 Fig.13 Relationship between H-bridge and generalized topology
5 新型多電平變換器拓?fù)?/h2>
本文遵循前面歸納出來(lái)的通用拓?fù)浜?jiǎn)化過(guò)程中的規(guī)律，提出了如圖14 所示的兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可以看到這兩種新拓?fù)涠寄軌驅(qū)崿F(xiàn)五電平的輸出，而且結(jié)構(gòu)相似，運(yùn)行原理也基本相同。相比較而言，圖14b 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加清晰簡(jiǎn)單，因此后續(xù)具體的分析和討論將會(huì)圍繞該拓?fù)湔归_，圖14a 所示拓?fù)涞南嚓P(guān)分析可以類比得到。另外，圖14b 所示拓?fù)湓趫D15a 所示的斷點(diǎn)處繼續(xù)擴(kuò)展可以得到更高電平，例如圖15b 就給出了一個(gè)七電平的例子。
圖14 兩種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.14 Two novel multilevel topologies
圖15 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展 Fig.15 Extension of the novel topology
為了和現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較，表1 以五電平為例，對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所用的器件數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從這個(gè)表中可以比較各種拓?fù)渌璧拈_關(guān)管、二極管以及鉗位電容的數(shù)目?？梢钥吹?，本文所提出的新拓?fù)浜秃?jiǎn)化后的ANPC 從使用器件數(shù)目上來(lái)看具有很大的優(yōu)勢(shì)，其中圖14b 拓?fù)涞乃杵骷钌?。以圖14b 所示的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，對(duì)新拓?fù)涞墓ぷ髟磉M(jìn)行分析。所有可能的開關(guān)狀態(tài)見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)了0～4E 共五個(gè)輸出電平。
表1 多電平拓?fù)渌闷骷?shù)目比較 Tab.1 Devices required in different topologies
表2 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài) Tab.2 Switching states of the novel topology
該拓?fù)淠軌蛘９ぷ鞯囊粋€(gè)核心問(wèn)題是鉗位電容C1電壓的控制。表2 總結(jié)了在不同電流情況下，各開關(guān)狀態(tài)對(duì)電容C1電壓的影響。例如當(dāng)電流為正的時(shí) 候，V5和V7對(duì)C1充 電，V2和V4使C1放電，其他開關(guān)狀態(tài)不影響C1的電壓。根據(jù)這樣的關(guān)系，按照C1的電壓偏移情況和相電流的正負(fù)，可以選擇合適的開關(guān)狀態(tài)維持C1電壓的穩(wěn)定。開關(guān)狀態(tài)的選擇方法見(jiàn)表3，其中ΔU=UC?E。當(dāng)ΔU 為正時(shí)，選擇對(duì)C1放電的開關(guān)狀態(tài)，反之選擇對(duì)C1充電的開關(guān)狀態(tài)，如果不存在這樣的狀態(tài)，則選擇對(duì)C1的電壓沒(méi)有影響的開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)被分為G1和G2兩組以供選擇。根據(jù)這樣簡(jiǎn)單的方法，就可以維持鉗位電容電壓的穩(wěn)定。
表3 開關(guān)狀態(tài)的選擇 Tab.3 Selection of the switching states
對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，新拓?fù)淇梢圆捎脙?nèi)環(huán)輔助鉗位的方法來(lái)穩(wěn)定母線電容電壓。該方法的提出和具體的分析在文獻(xiàn)[19]中有詳細(xì)的敘述，其母線供電結(jié)構(gòu)如圖16 所示。因?yàn)樾峦負(fù)渲心妇€的中點(diǎn)不再有電流輸出，所以相比文獻(xiàn)[19]中的二極管鉗位型五電平結(jié)構(gòu)，不需要去控制內(nèi)環(huán)的中點(diǎn)電位，控制更加簡(jiǎn)單。以母線電容電壓為控制目標(biāo)，構(gòu)造最優(yōu)函數(shù)來(lái)選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，可以控制母線電容電壓的穩(wěn)定。同時(shí)還需要考慮控制每相鉗位電容的電壓，選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。
圖16 內(nèi)環(huán)輔助鉗位結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.16 Inner-loop auxiliary clamped structure
6 新拓?fù)涞姆抡嫜芯?/h2>
在新拓?fù)涞姆抡嬷?，采用的每?jí)電容的大小為4700μF，每級(jí)電壓為500V，負(fù)載電流為10A（rms），調(diào)制系數(shù)0.8。圖17 給出了開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)為0.9 時(shí)刻的輸出電壓和電流。圖18 為開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1 時(shí)單相結(jié)構(gòu)鉗位電容電壓的仿真結(jié)果?？梢钥吹酵ㄟ^(guò)前面所述的控制方法，鉗位電容的電壓能夠得到很好的控制。三相系統(tǒng)各級(jí)母線電壓和各相鉗位電容電壓的仿真結(jié)果如圖19 所示，開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1。
圖17 開關(guān)頻率1kHz，功率因數(shù)0.9 時(shí) 單相運(yùn)行仿真結(jié)果 Fig.17 Simulation results of single phase leg （f=1kHz,PF=0.9）
圖18 單相變換器鉗位電容電壓仿真結(jié)果 Fig.18 Simulation results of single phase leg （voltage of the clamping capacitor）
圖19 三相變換器母線電壓和鉗位 電容電壓仿真結(jié)果 Fig.19 Simulation results of three phase converter
從仿真波形可以看到，采用內(nèi)環(huán)輔助鉗位的方法，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在保持鉗位電容電壓穩(wěn)定的同時(shí)，也能很好地控制母線各級(jí)電容的電壓。
7 結(jié)論
本文從多電平基本拓?fù)淙胧?，探討了多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從產(chǎn)生以來(lái)的發(fā)展過(guò)程，并重點(diǎn)分析了通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最終得到所有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)浜?jiǎn)化（退化）組合而來(lái)的結(jié)論，并且提出了通用多電平拓?fù)浜?jiǎn)化的規(guī)律。根據(jù)通用拓?fù)浜?jiǎn)化規(guī)律，本文提出了兩種新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在輸出相同電平數(shù)下，所用的開關(guān)器件數(shù)量最少。本文還對(duì)新拓?fù)涞墓ぷ髟砗涂刂品椒ㄟM(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)新拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)和電流通路的研究，給出了控制單相變換器的鉗位電容電壓穩(wěn)定和三相變換器的母線各級(jí)電壓穩(wěn)定的方法。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了所提出的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法的正確性和可行性。
[1] Bhagwat P,Stefanovic V R.Generalized structure of a multilevel PWM inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1983,19(6):761-766.
[2] Nabae A,Takahashi I,Akagi H.A new neutral- point-clamped PWM inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1981,17(5):518-523.
[3] Baker R H.Bridge converter circuit:United States,4270163[P].1979.
[4] Meynard T A,Foch H,Forest F,et al.Multicell converters:derived topologies[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49(5):978-987.
[5] Y Xiaoming,Barbi I.Fundamentals of a new diode clamping multilevel inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(4):711-718.
[6] L Jih Sheng,P Fangzheng.Multilevel converters-a new breed of power converters[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1996,32(3):509-517.
[7] K Young Seok,S Beom Seok,H Dong Seok.A novel structure of multi-level high voltage source inverter[C].EPE '93,1993:132-137.
[8] Takafumi Maruyama,Kumano M.Method of controlling an inverter:United States,5155675[P].1990.
[9] Meynard T A,Foch H.Multi-level conversion:high voltage choppers and voltage-source inverters[C].PESC '92,1992:397-403.
[10] Meynard T A,Foch H,Thomas P,et al.Multicell converters:basic concepts and industry appli- cations[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49(5):955-964.
[11] Bruckner T,Bemet S.Loss balancing in three-level voltage source inverters applying active NPC switches[C].PESC'01,2001:1135-1140.
[12] Bruckner T,Bemet S,Guldner H.The active NPC converter and its loss-balancing control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(3):855-868.
[13] Floricau D,Gateau G,Dumitrescu M,et al.A new stacked NPC converter:3L-topology and control[C].EPE'07,2007.
[14] Gateau G,Meynard T A,Foch H.Stacked multicell converter (SMC):properties and design[C].PESC '01,2001:1583-1588.
[15] Barbosa P,Steimer P,Meysenc L,et al.Active neutral-point-clamped multilevel converters[C].PESC '05,2005:2296-2301.
[16] Haederli C,Ladoux P,Meynard T,et al.Neutral point control in multilevel converters applying novel modulation schemes[C].PESC '06,2006:1-8.
[17] Peng Fangzheng.A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,2001,37(2):611-618.
[18] Baker R H,Bannister L H.Electric power converter:United States,3867643[P].1974.
[19] 高躍.二極管鉗位型多電平逆變器電壓平衡控制的穩(wěn)定域研究[D].北京:清華大學(xué),2007.
猜你喜歡
小獼猴智力畫刊(2023年4期)2023-04-23 08:49:58
哲學(xué)評(píng)論(2021年2期)2021-08-22 01:53:34
中華詩(shī)詞(2019年7期)2019-11-25 01:43:04
模具制造(2019年3期)2019-06-06 02:10:54
中學(xué)生數(shù)理化·高一版(2018年1期)2018-02-10 05:20:03
影視與戲劇評(píng)論(2016年0期)2016-11-23 05:26:01
七彩語(yǔ)文·寫字與書法(2016年7期)2016-07-28 21:40:22
七彩語(yǔ)文·寫字與書法(2016年6期)2016-07-15 19:36:34
人間(2015年21期)2015-03-11 15:23:21
現(xiàn)代企業(yè)(2015年9期)2015-02-28 18:56:50
