鮑建宇 鮑衛(wèi)兵 李玉玲

1(浙江大學寧波理工學院 寧波 315100)

2(浙江工業(yè)大學之江學院 杭州 310024)

3(浙江大學電氣工程學院 杭州 310027)

1 引 言

多電平逆變器具有輸出功率大、器件開關頻率低、等效開關頻率高、輸出諧波小、動態(tài)響應快、傳輸頻帶寬、電磁兼容性好等特點。按照直流側(cè)供電電源方式不同，多電平逆變器可分為電壓型和電流型兩種基本拓撲。目前，多電平電壓型逆變器(Voltage-Source Inverter，VSI)[1-3]經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，在拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、諧波特性、控制性能和直流電壓平衡等方面都已取得了豐碩的研究成果，并繼續(xù)成為研究的熱點。相對于多電平 VSI，多電平電流型逆變器(Current-Source Inverter，CSI)也具有自身的特點。例如，CSI 用于電機驅(qū)動具有動態(tài)響應快、回饋制動方便等特點，CSI 用來作為感應加熱電源時工作更穩(wěn)定、應用更加普遍等。但是，回顧近幾年有關多電平 CSI[4-6]的研究工作，與多電平VSI 的研究成果相比，兩者還存在不少差距，尤其是在三相電路拓撲構(gòu)造和 PWM 調(diào)制策略的靈活運用等方面。

構(gòu)造結(jié)構(gòu)合理的多電平 CSI 拓撲，特別是三相拓撲，是多電平 CSI 研究工作的前提與基礎。對于三相多電平 CSI 拓撲，由于三相電流之間存在相互耦合，因此不能在單相多電平 CSI 拓撲基礎上直接通過橋臂擴展的方法進行構(gòu)造。另外，由于三相逆變器對應的拓撲圖是非平面的，根據(jù)圖論的觀點，也不能在三相多電平 VSI 拓撲基礎上直接運用對偶變換來構(gòu)造三相多電平 CSI 拓撲。因此，目前的研究成果基本還局限于利用多個逆變器單元的組合來構(gòu)造三相多電平拓撲。Xiong 等[7]提出了一種三相分相式 5 電平 CSI 拓撲，但其需要引入中性線并且中性線上要流過負載電流，故其實用性受到限制。鮑建宇等[8]和熊宇等[9]所提出的三相直接式多電平 CSI 拓撲，實質(zhì)上還是兩組逆變單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用的是特定開關組合方式下的階梯波調(diào)制方法，雖然控制比較簡單，但并沒有真正實現(xiàn) PWM 調(diào)制。Bai等[10]提出了一類通用型三相多電平 CSI 拓撲，將多組逆變單元通過分流電感進行并聯(lián)連接，調(diào)制策略基本局限于載波相移 SPWM 技術(shù)，隨著組合單元數(shù)的增加均流控制也將變得越復雜。綜上所述，探索與構(gòu)造一種三相多電平 CSI 拓撲，使其既無需中性線就可直接帶三相負載，又能靈活采用各種 PWM 調(diào)制策略，是本文研究工作的重點與難點。

本文試圖通過剖析三相二電平 VSI 的電路特點，利用電路等效思想，系統(tǒng)地歸納與總結(jié)了三相二電平 VSI 拓撲圖的平面化處理方法。在此基礎上，將三相逆變器拓撲圖的平面化處理方法擴展應用于三相多電平 VSI 拓撲。選擇三相飛跨電容箝位多電平 VSI 作為原始拓撲，采用打點法進行對偶變換，構(gòu)造了一種不需中性線的三相直接式 5 電平 CSI 拓撲，在該拓撲基礎上可以方便地擴展出 7 電平、9 電平甚至更高電平數(shù)的逆變器。最后，在 SIMULINK 仿真環(huán)境下，采用多載波 SPWM[11]調(diào)制技術(shù)，對該類多電平 CSI 拓撲的可行性與合理性進行了仿真驗證。

2 二電平 VSI 拓撲圖的平面化方法

2.1 增加一個輔助橋臂的方法

不難看出，4 橋臂三相電壓型逆變器所對應的拓撲圖是平面的，因此可以直接運用打點法[13]來進行電路的對偶變換。對偶變換后的三相電流型逆變器拓撲如圖 1(b)所示。為了直觀地分析兩種逆變器之間的對偶關系，表 1 分別列出了 8 種開關狀態(tài)所對應的電壓矢量和電流矢量?？梢钥闯?，當輸出相同的電壓矢量和電流矢量時，兩者所對應的開關狀態(tài)正好是互補的，這說明兩種逆變器在電氣關系上也是完全對偶的。

圖1 增加輔助橋臂的平面化方法Fig. 1. Planarity by adding an extra bridge leg

表1 開關狀態(tài)間的對偶關系Table 1 . Dual relationship of switching states

2.2 增加一個等值獨立電壓源的方法

在三相 6 開關電壓型逆變器中，再增加一個等值獨立電壓源 Vdc2，將第三個橋臂移出并通過S5連接到該等值獨立電壓源上，三相負載按三角形方式連接，適當整理后得到了另一種等效電路，如圖 2(a)所示。很明顯該拓撲所對應的圖也是平面的，因此也可以直接運用打點法來進行對偶變換，變換后所得到的對偶拓撲如圖 2(b)所示。

圖2 增加獨立電壓源的平面化方法Fig. 2. Planarity by adding an independent voltage source

表2 開關狀態(tài)間的對偶關系Table 2 . Dual relationship of switching states

表2 分別列出了 8 種開關狀態(tài)所對應的輸出電壓矢量和輸出電流矢量。當輸出相同的電壓矢量和電流矢量時，兩種逆變器所對應的開關導通狀態(tài)正好互補，說明兩種逆變器之間也存在著完全的對偶關系。

3 多電平 VSI 拓撲圖的平面化方法

如要運用對偶變換，則需對三相多電平 VSI的拓撲圖進行平面化處理。用于三相二電平 VSI拓撲圖的平面化方法同樣適用于三相多電平 VSI拓撲。

在三相多電平 VSI 拓撲中，假如采用增加一個輔助橋臂的方法，由于箝位電容或箝位二極管與三相負載的引出連接線之間仍舊存在相互交叉，無法實現(xiàn)原拓撲圖的平面化，因此該種方法不適用于三相多電平 VSI。

對于第 2 種方法，即增加一個等值獨立電壓源的方法，在二極管箝位多電平 VSI 中，由于箝位二極管與分壓電容之間存在相互交叉，即使增加一個等值獨立電壓源還是無法實現(xiàn)平面化。只有在三相飛跨電容箝位型多電平 VSI 中，通過增加一個獨立電壓源所得到的等效電路的拓撲圖是平面的，因此可以將三相飛跨電容箝位多電平VSI 作為原始拓撲，通過對偶變換來推導三相多電平 CSI 拓撲。

以三相飛跨電容箝位電壓型 5 電平逆變器為例，將逆變器的第三個橋臂獨立出來，并連接到新增加的一個等值獨立電壓源上，適當調(diào)整橋臂的位置，并將三相負載連接成三角形方式，整理后就得到了如圖 3 所示的一種帶雙電壓源的三相飛跨電容箝位電壓型 5 電平逆變器拓撲。顯然，該拓撲所對應的圖是平面的，因此可以直接運用打點法來推導其對偶拓撲。

圖3 雙電壓源的三相 5 電平 VSI 拓撲Fig. 3. The three-phase 5-level VSI with two voltage sources

4 構(gòu)造三相多電平 CSI 拓撲

這樣，只要畫出圖 3 所示 5 電平逆變器所對應的拓撲圖，直接采用打點法，就可進行電路的對偶變換。此處省略電路對偶變換的推導過程，經(jīng)過適當整理得到了如圖 4 所示的一種三相電流型 5 電平逆變器拓撲。該類三相電流型 5 電平逆變器拓撲主要由 2 個獨立電流源、3 個分流電感以及 12 個開關器件和 12 個快恢復二極管組成；三相負載呈星型連接方式而無需中性線。

對該三相 5 電平 CSI 拓撲每一相橋臂的電路結(jié)構(gòu)進行分析，不難發(fā)現(xiàn)分流電感與開關器件的連接方式以及分流原理都與單相 8 開關電流型 5電平逆變器[4]相類似。因此，如要獲得更高電平數(shù)的三相逆變器拓撲變器拓撲，只要按照單相電流型多電平逆變器的拓撲擴展方法，對每相橋臂上的基本分流單元分別進行擴展即可。擴展后的三相電流型 7 電平逆變器拓撲如圖 5 所示，該三相逆變器拓撲主要由 2 個獨立電流源、6 個分流電感、以及 18 個開關器件和 18 個快恢復二極管組成。

5 工作原理分析

5.1 5 電平電流產(chǎn)生機理

以圖 4 所示的三相 5 電平 CSI 拓撲為例，假設分流電感 La上流過的電流為 Idc，由于與分流電感連接在同一端點的兩個開關分別工作在互補狀態(tài)，可以得到 ia1輸出 3 電平電流的工作方式：

(1)Sa1、Sa2導通，ia1＝＋2Idc；

(2)Sa1、Sa3或 Sa2、Sa4導通，ia1＝＋Idc；

(3)Sa3、Sa4導通，ia1＝0；

同理，可以得到 ib1的 3 電平電流產(chǎn)生方式：

(1)Sb1、Sb2導通，ib1＝＋2Idc；

(2)Sb1、Sb3或 Sb2、Sb4導通，ib1＝＋Idc；

(3)Sb3、Sb4導通，ib1＝ 0；

圖4 雙電流源的三相 5 電平 CSI 拓撲Fig. 4. The three-phase 5-level CSI with two current sources

圖5 雙電流源的三相 7 電平 CSI 拓撲Fig. 5. The three-phase 7-level CSI with two current sources

由圖 4 可知，a 相的輸出總電流 ia＝ia1－ib1，由于 ia1和 ib1都為 3 電平電流，兩者相減后就可獲得 5 電平的輸出電流，即 a 相輸出總電流ia為 5 電平電流。同理，可以推導出 b、c 兩相輸出電流 ib、ic的 5 電平產(chǎn)生方式。其實，5 電平電流的產(chǎn)生機理與三相電壓型多電平逆變器中5 電平電壓的產(chǎn)生方式完全一致，即輸出的相電壓為 3 電平，而相電壓之差就產(chǎn)生了 5 電平的線電壓。

5.2 PWM 調(diào)制策略的應用

由于該類三相電流型多電平拓撲是從三相電壓型多電平逆變器通過對偶變換而得到，因此所有適用于三相電壓型多電平逆變器的 PWM 調(diào)制策略都可以在該類拓撲中應用。

以采用最常用的多載波 SPWM 技術(shù)為例，由于只需控制 3 電平電流的產(chǎn)生方式，則一共需要兩組三角載波。此時 APOD-PWM 和 PODPWM 的載波排列方式完全相同，因此只需研究PD-PWM 和 POD-PWM 這兩種調(diào)制方案即可。為節(jié)省篇幅，本文僅以 PD-PWM 為例進行分析，其原理示意圖如圖 6 所示。圖中，Wa、Wb和 Wc為三相調(diào)制波，WC1和 WC2為三角載波。根據(jù) 5 電平電流產(chǎn)生機理，表 3 列出了當 ia1輸出 3 電平電流時，PD-PWM 技術(shù)所對應的開關狀態(tài)譯碼關系。同理，可以列出其他兩相的開關狀態(tài)譯碼關系。

圖6 三電平 PD-PWM 原理示意圖Fig. 6. The schematic diagram for 3-level PD-PWM

表3 PD-PWM 技術(shù)的開關狀態(tài)譯碼表Table 3 . Switching-states decoding for PD-PWM

圖7 三相 5 電平 CSI 仿真分析Fig. 7. Simulation results of the three-phase 5-level CSI

6 仿真驗證

為驗證該類多電平 CSI 拓撲結(jié)構(gòu)的合理性以及 PWM 調(diào)制策略的可行性，本文采用MATLAB/SIMULINK 軟件對圖 4 所示的三相 5電平 CSI 系統(tǒng)進行了仿真研究。調(diào)制方法采用PD-PWM，取電流源 2Idc＝100 A，調(diào)制比 ma＝0.9，三角載波頻率 fc＝1050 Hz，負載由一個 4 Ω電阻和一個 5 mH 的電感串聯(lián)而成，濾波電容為50 μF。仿真試驗結(jié)果如圖 7 所示。

圖8 電流 ia 諧波頻譜圖Fig. 8. Harmonic spectrum of ia

在圖 7(a)中，電流 ia1、ib1分別為用于合成 a相輸出總電流的支路電流，且都為 3 電平波形。電流 ia1與 ib1之差正好是總輸出電流 ia，其為 5電平波形，如圖 7(b)所示，仿真結(jié)果正好驗證了5.1 節(jié)所描述的 5 電平電流產(chǎn)生機理。圖 7(c)分別示出了濾波前后的 a 相電流波形，其中 ia0為濾波后的波形，已基本接近于正弦。

圖8 給出了 a 相 5 電平輸出電流波形的諧波頻譜，不含載波諧波分量，諧波主要以邊帶諧波為主，與理論分析結(jié)果[11]基本吻合。

7 結(jié) 論

目前，構(gòu)建三相電流型多電平逆變器拓撲的主要方法還是通過組合或拼湊多個電流型逆變器單元，方法缺少規(guī)律性；逆變器的調(diào)制策略也基本局限于載波相移 SPWM 技術(shù)。本文通過靈活運用電路對偶變換方法，提出了一種新型直接式三相電流型多電平逆變器拓撲。所采用的對偶變換方法，可以延伸用于構(gòu)造其他三相逆變器拓撲，解決了三相逆變器拓撲構(gòu)造難的問題。提出的三相電流型多電平拓撲在電氣關系上與三相電壓型飛跨電容箝位多電平拓撲完全對偶，所有適用于三相電壓型多電平拓撲的 PWM 調(diào)制策略都可以在該類拓撲中應用，實現(xiàn)了真正意義上的電流型多電平技術(shù)。

[1]李永東, 肖曦, 高躍. 大容量多電平變換器 [M]. 北京: 科學出版社, 2005.

[2]Rodriguez J, Lai JS, Peng FZ. Multilevel inverters:a survey of topologies, controls and applications [J].IEEE Transactions on Industrial Eletronics, 2002,49(4): 724-738.

[3]陳阿蓮, 鄧焰, 何湘寧. 一種具有冗余功能的多電平變換器拓撲 [J]. 中國電機工程學報, 2003,23(9): 34-38.

[4]Antunes FLM, Braga HAC, Barbi I. Appication of a generalized current multilevel cell to current-source inverters [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(1): 31-38.

[5]Kwak S, Toliyat HA. Multilevel converter topology using two types of current-source inverters [J].IEEE Transactons on Industry Applications, 2006,42(6): 1558-1564.

[6]白志紅, 張仲超. 單相電流型多電平逆變器組合拓撲及其 SPWM 調(diào)制策略研究 [J]. 電工技術(shù)學報, 2007, 22(11): 80-84.

[7]Xiong Y, Li YL, Yang X, et al. A new threephase five-level current-source inverter [C]//IEEE Conference on Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005: 424-427.

[8]鮑建宇, 李玉玲, 白志紅, 等. 一種三相五電平電流型逆變器拓撲及其 PWM 控制方法的研究 [J].中國電機工程學報, 2006, 26(9): 71-75.

[9]熊宇, 胡長生, 陳丹江, 等. 一類新型三相直接式電流型多電平逆變器拓撲的研究 [J]. 中國電機工程學報, 2004, 24(1): 163-167.

[10]Bai ZH, Zhang ZC, Yao Z. A generalized threephase multilevel current source inverter with carrier phase-shifted SPWM [C]// IEEE Conference on Power Electronics Specialists , 2007: 2055-2060.

[11]McGrath BP, Holmes DG. Multicarrier PWM strategies for multilevel inverters [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(4):858-867.

[12]Bao JY, Bai ZH, Wang QS, et al. A new threephase 5-level current-source inverter [J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 2006, 7(12):1973-1978.

[13]Freeland SD. Techniques for the practical application of duality to power circuits [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1992, 7(2):374-384.