多电平变换器拓扑结构和控制方法研究

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1、多电平变换器拓扑结构和控制方法研究

2、第1图1二极管箝位式5电平逆变电路Fig.1Threephasesfivelevelsdiodeneutralpointclampedconverter但是，二极管箝位式多电平变频器也有如下缺点。1）虽然开关器件被箝位在Vdc/(M－1)电压上，但是二极管却需要不同倍数的Vdc/(M－1)反向耐压。如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，如图2(a)所示，其数目为(M－1)(M－2)/2，当M很大时，增加了实际系统的实现难度。2）当逆变器只传输无功功率时，电容器在半个周期内由相等的充电和放

3、电来平衡电容电压。但是当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。上述的二极管箝位式多电平逆变电路中的二极管承受电压不均匀，若按照最大值选择则造成浪费，如果多管串联又会产生均压问题。因此，在1999年XiaomingYuan提出了一种新的结构[3]，如图2(b)所示。它的器件个数和开关控制的方法和原来的结构完全相同，只有二极管的放置位置不同。该结构不但将开关管的电位箝位在单个电容电压，而且箝位二极管也被箝位在单个电容电压以内，从而解决了箝位二极管承受电压不均的问题。500)this.style.ouseg(

4、this)">（a）二极管串联箝位（b）二极管自箝位(a)Seriesdiodesclampedconverter（b）Diodesselfclampedconverter图2二极管箝位的新结构Fig.2Nepedconvertor2.1.2电容悬浮式多电平逆变电路在1992年，T.A.Meynard和H.Foch提出了如图3所示结构。它的特点是箝位二极管被箝位电容所代替，直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位式逆变器相似。M电平逆变器可输出M电平相电压，(2M－1)电平的线电压。500)this.style.ouseg(this)">

5、图3电容悬浮式5电平逆变电路Fig.3Threephasesfivelevelscapacitanceneutralpointclampedconverter这种结构相对于二极管箝位式逆变器的优点是：1）在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性；2）由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡；3）可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。但是，这种拓扑也有缺点：1）对于这种结构，M电平的逆变器每个桥臂就需要(M－1)(M－2)/2个电容，再加上直流电源的M－1个电容，大量的电容使得系统

6、成本高且封装不易；2）控制方法非常复杂，实现起来很困难；3）存在电容的电压不平衡问题。2.1.3电容电压自平衡式逆变器这种结构是2000年由PengFangzheng首次提出的[4]，是以电容箝位的半桥结构为基本单元组成的。多级电路是由基本单元按金字塔结构形成的。图4为5电平的电容电压自平衡式逆变器。在图4中，开关器件Sp1，Sp2，Sp3，Sp4，Sn1，Sn2，Sn3，Sn4和二极管Dp1，Dp2，Dp3，Dp4，Dn1，Dn2，Dn3，Dn4用来在输出端输出所需电平，其他开关器件、二极管和电容用于电平箝位以实现单元的自动均压。500

7、)this.style.ouseg(this)">图4电容电压自平衡式5电平逆变器单相电路Fig.4Fivelevelsselfvoltagebalancingconverter这种结构与以上所述的二极管箝位式和电容箝位式结构比较有以下优点：1）实现了电容电压的自动箝位，不需要复杂的电容电压平衡控制算法；2）将此结构的输出端和输入端交换，可以用相同电路实现功率的双向流动，所以，这种结构应用范围广泛，可以实现DC/DC，DC/AC，AC/DC的功率转换。该结构的缺点：1）当电平增加时，所需要的电容和功率开关数目都会增加许多，使得系统的成本

8、和体积增大；2）由于使用了大量的功率开关和箝位电容，使得电路在工作时的开关损耗增大；3）随着电路级数的增加，由于功率开关的通态压降引起的每级电压降落将越来越明显。2.2具有独立直流电源的级联式多电平逆变器以上使用无源元器件箝位的多电平逆变器拓扑都是采用半桥结构，下面分析的功率单元串级逆变电路[5]和混合单元的串级逆变电路，其基本单元都是基于全桥结构的。级联式多电平逆变器拓扑结构是将进行了相对位移的复合H桥逆变器模型串联起来，通过合成输出多电平电压波形。2.2.1功率单元串联逆变电路以基本单元为基础，根据系统对输出电压、电平数的要求可决定串

9、联的单元数。每相串联的单元数为M，则输出相电压波形所含电平数为2M＋1，输出线电压波形所含电平数为4M＋1。图5是Y型连接的三相七电平串级电路结构。500)this.style.ouseg(t