吳浩偉，蔡久青，汪文濤，孔祥偉

(武漢第二船舶設(shè)計研究院，湖北 武漢 430064)

0 引 言

動力系統(tǒng)的發(fā)展和變革，一直是艦船工業(yè)不斷向前發(fā)展的源動力。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和先進電機技術(shù)的不斷成熟，全電力推進和綜合電力系統(tǒng)技術(shù)已成為世界各國艦船研究的熱點和發(fā)展方向[1]。

隨著英國45 型驅(qū)逐艦、美國DDG1000 驅(qū)逐艦等一批標志性的新型海軍艦船下水服役，宣告了海軍艦船動力系統(tǒng)的發(fā)展進入了全電力推進的嶄新時代。船舶全電力推進系統(tǒng)功率步入幾十兆瓦級，主干電網(wǎng)電壓也提升至4～10 kV，艦船電力系統(tǒng)和艦船推進系統(tǒng)合二為一形成綜合電力系統(tǒng)，電力電子變流器從傳統(tǒng)推進電機的變頻器，向艦船日常電網(wǎng)交流主電源等更廣泛的領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用[2-3]。

與變流器向大容量、高電壓快速發(fā)展的趨勢相矛盾的是，電力電子開關(guān)器件技術(shù)水平的提升相對緩慢。與此同時，隨著電壓越來越高、容量越來越大，變流器開關(guān)過程中的電磁噪聲與開關(guān)熱損耗問題也日益突出和嚴重。單純依靠開關(guān)器件的發(fā)展推動變流器容量和性能提升的發(fā)展路徑難以為繼，必須探尋適用于高電壓、大容量、低開關(guān)噪聲的新型電力變換拓撲。

二極管箝位型（Netrual Point Clamped，NPC）三電平逆變拓撲是日本學(xué)者A.Nabae 等在1980 年的IAS 年會上提出的[4]，該電路在中壓大功率電氣傳動場合得到了廣泛應(yīng)用，具有以下明顯的優(yōu)勢：

1）單個器件承受的電應(yīng)力是直流母線電壓的一半，可以使用低壓開關(guān)器件實現(xiàn)高電壓等級的輸出；

2）單個功率器件開關(guān)動作對應(yīng)輸出電平的變化量小，輸出電壓的dv/dt 低，電磁擾動下降，有利于降低整機電磁噪聲水平；

3）三電平電路輸出諧波分量少，對于同樣的濾波參數(shù),每個開關(guān)器件的工作頻率可進一步減小，減小了損耗，提高了效率；

4）三電平電路每個橋臂的開關(guān)管數(shù)量更多，發(fā)生橋臂直通嚴重故障的概率相對更小。

圖1 NPC 三電平典型拓撲電路

圖2 ABB ACS2000 系列產(chǎn)品拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 2 ABB ACS2000 series products and topologies

總體而言，NPC 型三電平逆變器在高壓大容量和高性能之間實現(xiàn)了近乎完美的結(jié)合，成為中壓大功率變流器研究和應(yīng)用的熱點。

1 中壓大功率逆變器領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，以三電平為代表的多電平變換器由于提升了系統(tǒng)電壓等級，增加了輸出電平數(shù)，提高了輸出電能質(zhì)量，降低了開關(guān)損耗，因此，如ABB、西門子等國際知名電氣設(shè)備廠商，都在這一領(lǐng)域中投入力量，積極開展設(shè)計研發(fā)工作。

當前常見的中壓變流器對比情況如表1 所示。從表中可以看到二極管箝位型三電平變流拓撲（3-level NPC，3L-NPC）以及其擴展電路，成為主流的技術(shù)方案，是目前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的中壓變流拓撲方案。

對當前的主流中壓變流器技術(shù)方案進一步歸納分析，可以總結(jié)以下幾個特點：

1）在6 kV 以下的系統(tǒng)中主要采用的拓撲結(jié)構(gòu)為二極管箝位型三電平變流拓撲，如A B B 公司的PCS6000 系列產(chǎn)品，較大容量變換器通常采用IGCT 器件，容量較小時通常采用I G B T 器件。A B B 的ACS2000 則以3L-NPC 拓撲為基礎(chǔ)，從三電平向五電平演化，進一步提升多電平逆變電路的變換性能。

表1 中壓大功率變流器一覽Tab. 1 Overview of middle-voltage high-power inverters

圖3 主流中壓變流器拓撲方案對比圖Fig. 3 Topolgies Comprasion of mainstream inverters

2）在6 kV 以上主要采用的拓撲結(jié)構(gòu)為H 橋級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)（Cascaded H-Bridge，CHB），采用兩電平H 橋的級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)電壓范圍十分廣泛，并且可以達到更高的功率等級。

3）3L-NPC 拓撲與H 橋級聯(lián)多電平拓撲的混合應(yīng)用目前大部分采用的是五電平中性點箝位級聯(lián)（5LNPC-CHB）拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲是將2 個3L-NPC 單元級聯(lián)組成一相橋臂，并且應(yīng)用的電壓等級主要是6 kV，圖6 所示為應(yīng)用該拓撲的YASKAWA 公司的MV1000系列機型。將NPC 級聯(lián)單元數(shù)進一步拓展，電壓應(yīng)用等級可提高到了11 kV，該類型拓撲目前的功率等級可達到幾十兆瓦，主要應(yīng)用于高壓大功率場合。

4）CHB 與NPC 相比需要更多的開關(guān)器件，以及移相變壓器，增加了系統(tǒng)的成本，然而通過利用多個低壓IGBT 組成的變換單元級聯(lián)可以達到更多的電平數(shù)，降低每個變換單元的開關(guān)頻率，因此可能實現(xiàn)無濾波器并網(wǎng)，同時通常僅僅需要強制風冷散熱系統(tǒng)就可以滿足系統(tǒng)散熱需求。

5）利用NPC 或者多電平拓撲與IGBT 串聯(lián)技術(shù)相結(jié)合可以達到更高的電壓等級和更大的容量，并且系統(tǒng)拓撲和控制簡單，具有更高的可靠性，實現(xiàn)更高的功率密度，降低系統(tǒng)成本。

圖3 為目前主流中壓大功率變流器所采用的拓撲技術(shù)與電壓等級以及容量等級的關(guān)系。從圖中可以看到，雖然ML-CHB 拓撲結(jié)構(gòu)適用的范圍很廣，但在具體應(yīng)用上，3L-NPC 拓撲依然是更多機型的實際選擇。

3L-NPC 拓撲具有結(jié)構(gòu)和控制簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點。雖然受到功率器件電壓等級的限制，該拓撲應(yīng)用的電壓水平不能很高，但完全可以滿足數(shù)十MW 級電力推進需要，并適應(yīng)DC4 kV～6 kV 的工作電壓。ML-CHB 拓撲結(jié)構(gòu)由于其模塊化級聯(lián)的特點，很容易將電壓等級提升至11 kV，容量達到百兆瓦級，然而該類拓撲通常需要大量的移相變壓器、直流電容和半導(dǎo)體器件，因此設(shè)備的體積重量體較大，通常而言更適合于對安裝布置限制約束小的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域或者大型艦船。

總體而言，3L-NPC 變換拓撲是艦船中壓大容量變流器的最佳選擇，也是邁向大功率、高性能電力變換領(lǐng)域最重要的一塊基石。

2 三電平變流電路拓撲的研究現(xiàn)狀

目前，以三電平變流器主要拓撲主要分為中性點箝位型變換電路（NPC）、飛跨電容型變換電路（Flying Capacitor，F(xiàn)C）、H 橋級聯(lián)式三電平變換電路（CHB）以及他們之間的混合結(jié)構(gòu)[5-6]。圖4 分別顯示了3 種基本三電平變換電路的拓撲。

對于最為常見的3L-NPC 拓撲而言，在常規(guī)的NPC 電路的基礎(chǔ)上，目前主要發(fā)展出有源箝位型NPC 拓撲和開關(guān)箝位型拓撲2 種改進類型。

圖4 三種基本三電平電路拓撲Fig. 4 Three basic three-level topologies

有源箝位型NPC 在常規(guī)NPC 的基礎(chǔ)上利用全控開關(guān)器件代替箝位二極管，從而在變換器輸出中點電位時可以調(diào)節(jié)電流在功率器件中的分布，可以很好解決器件損耗分布不均勻的問題。開關(guān)箝位型拓撲是利用一個雙向開關(guān)進行中點箝位，如圖5 所示。

圖5 開關(guān)箝位型改進的NPC 拓撲Fig. 5 An advanced switch-clamped NPC topology

和有源箝位型NPC 一樣可以保證損耗在器件中的均勻分布，并且容易拓展到多電平，器件數(shù)目隨電平數(shù)線性增長。

飛跨電容型三電平拓撲靠跨接在串聯(lián)開關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進行箝位，從而去除二極管箝位型電路中大量的箝位二極管。飛跨電容變換器和NPC 基本原理相同，結(jié)構(gòu)和控制簡單，所使用的器件數(shù)量最少，也能形成具有模塊化的結(jié)構(gòu)。飛跨電容多電平拓撲的主要問題是隨著電平數(shù)增加，電容數(shù)量增加，并且每個電容電壓需要初始化。當開關(guān)頻率降低時，為了維持電容電壓穩(wěn)定通常還需要更大的電容，因此不適宜擴展到更大容量。因此該類拓撲目前實驗研究較多，在實際的工程應(yīng)用中較少采用。

級聯(lián)三電平逆變器的基本思想是將2 個具有獨立直流電源的兩電平變換器進行級聯(lián)，其輸出電壓串聯(lián)起來，合成得到三電平電壓輸出波形。這一類型拓撲的特點在于很容易向五電平、七電平等更高階電平的變換拓撲演進。

級聯(lián)拓撲有2 種主要類型，一種是H 橋單元的CHB 級聯(lián)，另一種是模塊化半橋單元的級聯(lián)（Modular Multilevel Converter，MMC）。CHB 是將N 個H 橋單元級聯(lián)組成多電平變換器的一相橋臂，每個H 橋單元有一個獨立的直流源。該拓撲采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊使用相同的拓撲、控制和調(diào)制，通過級聯(lián)更多的模塊，很容易形成高電平數(shù)改善電能質(zhì)量。通過簡單的級聯(lián)H 橋單元可以很容易達到中壓應(yīng)用的需求，而每個單元的開關(guān)器件僅需要使用低壓的IGBT 器件。當某個級聯(lián)單元故障時，可以通過冗余設(shè)計和故障旁路機制切除故障單元，保證整個系統(tǒng)的持續(xù)運行。

除了上述三大類拓撲以及其改進拓撲外，還有許多學(xué)者提出了將上述三類拓撲進行混合，組成新的混合多電平拓撲[7]，這些混合拓撲依然是在上述三類拓撲的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最常見的混合拓撲是將NPC 或者FC 進行級聯(lián)構(gòu)成NPC/FC 的級聯(lián)多電平拓撲。這類拓撲可以在使用較少獨立直流源的情況下使電平數(shù)得到進一步拓展，從而改善輸出電能質(zhì)量。

NPC 或FC 的級聯(lián)拓撲主要問題是所使用的器件數(shù)目相應(yīng)增加，在控制中還需要兼顧NPC/FC 和級聯(lián)拓撲的相關(guān)特殊問題，因此使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制進一步復(fù)雜，可靠性相對降低。

3 三電平變流器調(diào)制和控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

三電平拓撲中具有多達12 個半導(dǎo)體開關(guān)器件和27 種開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)器件控制的復(fù)雜度和自由度相比于兩電平拓撲而言大幅增長。因此，三電平拓撲研究中的一大關(guān)鍵是調(diào)制策略問題。

三電平逆變器的調(diào)制方案主要有三大類[7]：基于載波的PWM 調(diào)制、空間矢量調(diào)制（SVM）和諧波消除（SHE）調(diào)制。圖6 顯示了常見三電平調(diào)制技術(shù)的分類情況。

圖6 三電平調(diào)制技術(shù)分類Fig. 6 Classification of three-level modulation

載波PWM 調(diào)制又可以分為載波電平移位調(diào)制以及載波移相調(diào)制。PWM 調(diào)制方案簡單，易于實現(xiàn)，并且通過簡單的變化可以方便的拓展到各種多電平拓撲應(yīng)用中。

三電平變換電路的空間矢量調(diào)制最大的特點是冗余矢量的使用，通過對冗余矢量的特別處理，可以解決NPC 中點電壓平衡問題、器件損耗分布不均勻問題以及FC 單元中電容電壓穩(wěn)定等問題。吳斌歸納總結(jié)出三電平SVPWM 控制方式中經(jīng)典的分區(qū)規(guī)則和矢量選擇表，很好地解決了矢量選擇、開關(guān)次數(shù)最少、中點電壓控制等問題[8]，但這些規(guī)則很難推廣到5 電平甚至更多電平的應(yīng)用場合。

諧波消除SHE 調(diào)制是一種低頻的調(diào)制方案，其優(yōu)點是在很低開關(guān)頻率下，通過優(yōu)化開關(guān)角，可以消除一些主要的低次諧波，并且隨著電平數(shù)增多，可消除的低次諧波也增多。

實際上，基于載波的PWM 調(diào)制和空間矢量調(diào)制在數(shù)學(xué)本質(zhì)上是一致的[9-10]，空間矢量調(diào)制各種控制方法，原則上可以在載波PMW 調(diào)制通過零序分量注入的方式實現(xiàn)。因此，在工程開發(fā)設(shè)計上建議注重采用通用性更好的載波PMW 調(diào)制方式。

4 三電平變流器應(yīng)用中的主要問題

4.1 中點電壓平衡控制

對于3L_NPC 拓撲而言，雖然其結(jié)構(gòu)簡單、變換性能優(yōu)良，但存在著直流側(cè)電容電壓的平衡問題。目前，三電平逆變電源直流側(cè)電容電壓平衡的控制措施主要有以下3 種：

1）直流側(cè)2 個電容采用獨立的直流電源[11]。比如，直流電源可以通過多繞組變壓器和功率管整流得到，但只適用于輸入為交流的場合，并且需要增加等容量的變壓器，造成設(shè)備重量和體積大、成本高。

2）采用輔助的硬件或電路平衡直流側(cè)電容電壓[12]。通過獨立電路實現(xiàn)的電容電壓平衡控制方法，需要附加硬件電路和控制算法，增加了逆變電源軟硬件設(shè)計的復(fù)雜程度。

3）在三電平控制策略中考慮中點平衡控制算法[13]。從三電平調(diào)制的角度可以分析得到各開關(guān)狀態(tài)和負載電流對中點電壓平衡的影響，通過優(yōu)化選擇冗余小矢量和分配其作用時間，使中點電位電壓平衡。

4.2 輸出短路快速限流與保護

當三電平變流器應(yīng)用于艦船交流電力系統(tǒng)，作為全船的交流電源運行，將面臨其輸出短路快速限流與安全保護問題。

短路限流運行是三電平變流器作為電網(wǎng)主電源運行時，為實現(xiàn)交流系統(tǒng)選擇性保護策略所需滿足的特殊要求[14]。針對這一特殊問題，文獻[15]提出了軟件與硬件電流環(huán)相配合的短路限流方法，分析了并聯(lián)情況下的短路限流和退出策略，提出通過增加一路同步信號解決并聯(lián)逆變電源退環(huán)不一致的問題。對于艦船電力系統(tǒng)中的中壓大功率變流器而言，其短路限流值往往接近達到目前商用IGBT 器件的極限，其短路限流的運行狀態(tài)比常規(guī)工業(yè)應(yīng)用更為惡劣，對限流控制策略的要求也更高，難度更大。

此外，3L_NPC 拓撲中橋臂內(nèi)管的開關(guān)器件，由于箝位二極管結(jié)電容、分布參數(shù)和驅(qū)動延時不一致等因素的影響，在關(guān)斷過程中并不能保證動態(tài)過程的均壓，內(nèi)管器件會承受更高的電壓應(yīng)力。因此，在出現(xiàn)嚴重過流故障需要立即封鎖開關(guān)器件時，可能會造成橋臂內(nèi)管的過壓擊穿。對于這一問題，在設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用時，要從緩沖電路、分布參數(shù)控制、開關(guān)延時匹配等多方面加以有效控制，才能保證三電平變流器在工程應(yīng)用中的可靠運行。

5 結(jié) 語

面向全電力推進的艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)，電壓等級和系統(tǒng)容量均大幅提升，三電平變流器以其單個器件承受電壓低、等效開關(guān)頻率高、輸出諧波小等優(yōu)勢，成為艦船中壓直流電力系統(tǒng)中各類大功率變流器的優(yōu)選拓撲方案。

其中，3L_NPC 變流拓撲具有結(jié)構(gòu)和控制簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，是眾多三電平拓撲結(jié)構(gòu)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一。雖然受到當前功率器件電壓等級的限制，但該拓撲方案可以滿足DC 4～6 kV 水平下，中壓直流全電力推進綜合電力系統(tǒng)的各項應(yīng)用需求。

在實際工程設(shè)計中，三電平中壓變換器還應(yīng)注意中點電位控制、短路快速限流以及橋臂內(nèi)外管動態(tài)電壓應(yīng)力不均等特殊問題，以保證在艦船電力系統(tǒng)中的安全可靠運行。