吳海波，王曉明

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

在本世紀(jì)初，工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)電源設(shè)備提出了更高的要求，已經(jīng)達(dá)到了兆瓦級(jí)別。通常情況下設(shè)備的直流電源來(lái)自于電網(wǎng)，但是目前很難將單個(gè)的半導(dǎo)體設(shè)備與各個(gè)級(jí)別的電網(wǎng)直接連接。在這種背景下，學(xué)者們提出了一系列多電平變換器拓?fù)鋪?lái)解決這個(gè)問(wèn)題。發(fā)展至今，由于多電平變換器在高電壓牽引設(shè)備控制、可再生能源、UPS電源等應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)，很快得到了廣泛應(yīng)用。目前，多電平變換器按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要分為以下三類:(1)中點(diǎn)鉗位型變換器(以下簡(jiǎn)稱NPC);(2)飛跨電容型變換器(以下簡(jiǎn)稱FC);(3)級(jí)聯(lián)型H橋型變換器(以下簡(jiǎn)稱CHB)。

通過(guò)近幾年不斷地研究，發(fā)現(xiàn)多電平變換器的優(yōu)勢(shì)主要在于［1］:(1)能夠減少輸出電壓中的諧波和獲得更低的;(2)減少輸入電流諧波;(3)能夠減小產(chǎn)生的共模電壓，降低電機(jī)的軸向壓力，使用復(fù)雜的控制方法可以徹底的消除共模電壓;(4)提高輸出功率，降低開(kāi)關(guān)頻率。

1 多電平變換器的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.1 多電平變換器在工業(yè)界的應(yīng)用

多電平變換器經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的各個(gè)方面。

NPC型多電平變換器輸出電壓等級(jí)達(dá)到了2.3 kV～4.16 kV，有的甚至達(dá)到了6 kV，常見(jiàn)于電壓源變換器(以下簡(jiǎn)稱 VSC)［2］和 PEBB(Power Electric Building Block)等［2－3］。這樣，NPC 式多電平變換器可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備，應(yīng)用于傳送機(jī)、泵、風(fēng)扇，機(jī)床等，為石油天然氣、冶金、電力、采礦、水處理，海洋和化學(xué)行業(yè)提供解決方案［1，4，5］。背靠背式的結(jié)構(gòu)則可以用于能源可再生環(huán)境下，比如采礦業(yè)［6］，還可以應(yīng)用于和電網(wǎng)直接連接的可再生能源－風(fēng)能［7－8］。

FC型多電平變換器可應(yīng)用于高帶寬高開(kāi)關(guān)頻率裝置，比如牽引驅(qū)動(dòng)［9］，常見(jiàn)于電力機(jī)車及城市軌道交通等領(lǐng)域。

CHB型多電平變換器具有更高的輸出電壓和功率(13.8 kV、30 MVA)，更因其具有模塊化可擴(kuò)展功能和更高的穩(wěn)定性，通常大量應(yīng)用于高功率輸出和對(duì)功率質(zhì)量要求比較高的設(shè)備。同時(shí)應(yīng)用于有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置［10］、電動(dòng)車/混合動(dòng)力車［11－12］、光伏發(fā)電變換器［13－15］、不間斷電源［16］和磁共振成像［17］。多電平技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖如圖1 所示［1］。

圖1 多電平技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖

1.2 多電平變換器在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嚴(yán)重的環(huán)境污染和日益緊迫的全球石油資源危機(jī)等問(wèn)題，使世界各國(guó)不得不尋求排放低、使用新能源的新型交通工具。新能源汽車因?yàn)槠湮廴拘?、噪聲小、?jié)約能源，結(jié)構(gòu)、控制和維護(hù)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。其中的電動(dòng)汽車從動(dòng)力技術(shù)上來(lái)講主要包括純電動(dòng)汽車(以下簡(jiǎn)稱EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (以下簡(jiǎn)稱HEV)和燃料電動(dòng)汽車(以下簡(jiǎn)稱FCV)。

在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)是其動(dòng)力系統(tǒng)的核心單元，牽引電機(jī)的控制技術(shù)是電動(dòng)汽車核心技術(shù)之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最主要的系統(tǒng)單元，直接影響其運(yùn)行性能的好壞，它要具有一些特殊性:要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率質(zhì)量比大，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固;要求驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具備強(qiáng)的復(fù)雜的適應(yīng)能力;控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上要求屏蔽和隔離等。通過(guò)幾十年的努力，牽引電機(jī)控制技術(shù)在多個(gè)研究領(lǐng)域取得了發(fā)展［18－19］。

由于多電平變換器在工業(yè)設(shè)備各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，學(xué)者們希望在電動(dòng)車/混合動(dòng)力車的牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中引入多電平變換器，以期發(fā)揮其在輸出電壓質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)，提高能量轉(zhuǎn)換效率，改善輸出電流的控制，從而獲得更舒適、安全的駕駛感覺(jué)。

目前針對(duì)多電平變換器在EV/HEV領(lǐng)域的應(yīng)用的研究團(tuán)隊(duì)，有以下幾個(gè):

Juan Dixon團(tuán)隊(duì)來(lái)自智利PUC大學(xué)電動(dòng)車實(shí)驗(yàn)室，研究了級(jí)聯(lián)式多電平變換器輸出電壓諧波問(wèn)題，致力于使用環(huán)形變壓器解決電動(dòng)車環(huán)境中的單一直流電源隔離成多個(gè)獨(dú)立電源來(lái)給級(jí)聯(lián)型變換器供電的問(wèn)題，同時(shí)致力于級(jí)聯(lián)型變換器調(diào)制控制技術(shù)的研究，模型仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真研究［20－22］。

Leon M.Tolbert團(tuán)隊(duì)來(lái)自美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)，提出了背靠背式中點(diǎn)箝位型多電平變換器在混合動(dòng)力車中的應(yīng)用架構(gòu)，級(jí)聯(lián)型三電平變換器應(yīng)用于EV/HEV的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)牽引系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析研究［23－28］。

還有法國(guó)、伊朗、印度和墨西哥等地的學(xué)者在EV/HEV牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)［29］、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的研究［29－30］、級(jí)聯(lián)型變換器輸出電壓諧波分析［31］、模型仿真研究［32］和電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的參數(shù)測(cè)量［33］等。

由上述可見(jiàn)，在多電平變換器應(yīng)用于EV/HEV領(lǐng)域，各國(guó)學(xué)者作了比較深入的研究，對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)、輸出諧波抑制、模型仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真等方面提出了各自的見(jiàn)解。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)于系統(tǒng)性能的不斷完善的要求的增加，必將引起各國(guó)學(xué)者更多的研究興趣，引發(fā)更多的研究熱點(diǎn)。

2 EV/HEV用多電平變換器的研究

多電平變換器在EV/HEV的應(yīng)用類型，常見(jiàn)的為NPC型和CHB型，給EV/HEV帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在于［28］:

(1)在基頻開(kāi)關(guān)頻率下能夠產(chǎn)生更接近正弦的電壓波形。

(2)基本消除電磁干擾和共模電壓。

(3)使EV駕駛更加舒適安全，更大程度上實(shí)現(xiàn)線控。

由于CHB型變換器不容易實(shí)現(xiàn)背靠背式的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于混合動(dòng)力車這種充放電交替運(yùn)行的系統(tǒng)而言不是一個(gè)很好的選擇，因此CHB型多電平變換器多用于純電動(dòng)車，而混合動(dòng)力車則多選擇容易實(shí)現(xiàn)背靠背結(jié)構(gòu)的NPC多電平變換器［28］。CHB型變換器也可以工作在整流模式，應(yīng)用于并行式混合動(dòng)力車的充電環(huán)節(jié)［34］。

使用多電平變換器作為EV/HEV的牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，在設(shè)計(jì)上基本包括以下幾個(gè)部分:穩(wěn)定的直流電源(由電池組供給)、電源配給環(huán)節(jié)(CHB型為DC電源和一定數(shù)量的獨(dú)立電源，NPC型為直流側(cè)穩(wěn)壓電容)、多電平變換器和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。其基本架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多電平變換器在EV牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)圖

下面分別以CHB型和NPC型多電平變換器在EV/HEV中的設(shè)計(jì)為例，介紹目前基本的研究情況。

2.1 CHB型多電平變換器在EV/HEV中的應(yīng)用研究

2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CHB型多電平變換器在EV/HEV牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的基本架構(gòu)如圖3所示。

圖3 CHB型多電平變換器的基本架構(gòu)

在兩個(gè)系統(tǒng)中，此多電平變換器既可以逆變模式工作于EV/HEV的驅(qū)動(dòng)模式下，也可以整流模式輔助發(fā)電機(jī)或外界的充電裝置對(duì)電池組充電。

對(duì)于如何給CHB型多電平變換器中的H橋上的單元供電，目前提出了混合電源供電法和環(huán)形變壓器供電法兩種解決辦法。

在混合電源供電法中，可使用電池組、超級(jí)電容或燃料電池來(lái)作為獨(dú)立電源給H橋電路供電［23，26，31］。CHB 型五電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

在圖4中的H橋上，使用了超級(jí)電容供電?？梢酝ㄟ^(guò)改變H橋?qū)ㄏ嘟堑拇笮?lái)控制電容的充放電時(shí)間，保證充電量大于等于放電量。通過(guò)調(diào)節(jié)通時(shí)間還可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的放大，達(dá)到boost電路的效果［23，26］。

導(dǎo)在高頻環(huán)(HFL)供電法［20－22］中，使用通有高頻方波的環(huán)形變壓器所產(chǎn)生的多個(gè)獨(dú)立電源給H橋電路供電。這種供電裝置由一個(gè)高頻方波發(fā)生器和一個(gè)環(huán)形變壓器組成，僅靠一個(gè)直流電源供電，尤其適用于EV/HEV中一個(gè)整體的電池組供電的情況，如圖5所示。

圖4 CHB型五電平變換器

圖5 基于高頻環(huán)供電法的CHB型多電平變換器的結(jié)構(gòu)圖

這種方法的缺點(diǎn)是需要大約20%的電能來(lái)支持方波發(fā)生器工作，因此大大降低了系統(tǒng)整體的效率，同時(shí)這種裝置的體積也偏大。

2.1.2 控制策略

目前眾多的多電平調(diào)制控制方法大體可以分為狀態(tài)空間矢量領(lǐng)域類(操作根據(jù)基于電壓矢量)和時(shí)間領(lǐng)域類(操作根據(jù)基于電壓標(biāo)量)［1］兩類。同時(shí)，不同的調(diào)控方法也可以按照開(kāi)關(guān)頻率的大小分為三類:低開(kāi)關(guān)頻率、中開(kāi)關(guān)頻率和高開(kāi)關(guān)頻率。其中低開(kāi)關(guān)頻率的方法適用于高功率設(shè)備，可以減少開(kāi)關(guān)損耗。而動(dòng)力范圍變化比較大的設(shè)備則易選擇輸出功率質(zhì)量比較好、波段比較高的高開(kāi)關(guān)頻率方法。

CHB型多電平變換器在EV/HEV牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的控制方法分成兩大類:基頻開(kāi)關(guān)控制和高頻開(kāi)關(guān)PWM控制(包括載波PWM、特定諧波消除 PWM 和空間矢量 PWM)［23，26］。其中，基頻控制可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)電壓的boost輸出［23，26］。當(dāng)CHB型多電平變換器的H橋采用電容供電時(shí)，改變橋臂的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制電容的充放電平衡也是研究的重點(diǎn)［34］。

2.2 NPC型多電平逆變器在EV/HEV中的應(yīng)用研究

2.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC型多電平變換器在EV/HEV牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的基本架構(gòu)如圖6所示。

圖6 NPC型多電平變換器的拓?fù)浼軜?gòu)

NPC型多電平變換器在中級(jí)電壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于電壓源變換器(VSC)［2］等方面。在EV/HEV系統(tǒng)中，NPC型多電平變換器主要以背靠背式的架構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)模式下工作在逆變狀態(tài)，在制動(dòng)模式下工作在整流狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)能量的回收利用［28］。

2.2.2 控制策略

針對(duì)NPC型多電平變換器的控制方法基本可以分為三大類:包括載波PWM、特定諧波消除PWM和空間矢量PWM，同時(shí)還有線性控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、預(yù)測(cè)控制［2］等。

由于NPC型多電平變換器本身的特殊結(jié)構(gòu)，直流側(cè)電容電壓平衡問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)，在EV/HEV系統(tǒng)中，中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題同樣值得關(guān)注［33］。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述的內(nèi)容可以看到，CHB型和NPC型多電平變換器完全適合用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作條件，在EV/HEV牽引電機(jī)控制系統(tǒng)中引入多電平技術(shù)，可以發(fā)揮其本身的長(zhǎng)處，給EV/HEV帶來(lái)傳統(tǒng)的二電平變換器所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì):

(1)多電平變換器的設(shè)計(jì)完全適合驅(qū)動(dòng)大額定功率電機(jī)，傳統(tǒng)的230 V和460 V的電機(jī)也可以應(yīng)用在EV/HEV系統(tǒng)中。

(2)多電平變換器由于提升了輸出電壓，同時(shí)把開(kāi)關(guān)頻率降到最低，極大提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

(3)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上可以使用電壓低的開(kāi)關(guān)器件。

(4)輸出電壓和電流波形更加接近正弦波，抑制了輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減少了系統(tǒng)噪聲，提高了駕駛的舒適性。

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