一種改進(jìn)的級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)?/h1>

電子工程師?來源：不詳?作者：不詳? 2006-04-21 00:06 ? 次閱讀 ? 個評論

一種改進(jìn)的級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)?/font>

陳阿蓮，何湘寧，趙榮祥

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

??? 摘? 要：該文提出了一種改進(jìn)的級聯(lián)型多電平變換器，它可以由任意個H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。其中的H-橋可以是兩電平，也可以是二極管箝位型或電容箝位型的任意電平，不同單元采用不同的獨(dú)立直流電壓源。相對于傳統(tǒng)的級聯(lián)型拓?fù)?，在得到相同輸出電平的情況下，新拓?fù)淇梢允褂幂^少數(shù)量的開關(guān)器件和較少數(shù)量的獨(dú)立電壓源，從而簡化電路，降低成本。該文以兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯(lián)構(gòu)成的拓?fù)錇槔M(jìn)行了分析研究和仿真驗(yàn)證。
????? 關(guān)鍵詞：級聯(lián)型多電平變換器；H-橋；混合

1? 引言
?????? 在多電平變換器的三種基本拓?fù)渲?，級?lián)型拓?fù)湎鄬τ诙O管箝位型和飛跨電容型五電平變換器來說，具有需要最少數(shù)量的器件、不需要大量的箝位二極管和飛跨電容、易于模塊化和易于采用軟開關(guān)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是較適合于電網(wǎng)接口的變換器^[1]。圖1是傳統(tǒng)的級聯(lián)型三電平變換器單臂電路，它由2個兩電平H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。

??? 為了增加輸出電壓的電平數(shù)和提高波形質(zhì)量，越來越多的學(xué)者提出了改進(jìn)的級聯(lián)型拓?fù)洹Ｎ腫2]對不同單元采用不同耐壓和功率等級的功率器件并對每個H-橋單元使用不同的直流電壓，從而用少量的級聯(lián)單元實(shí)現(xiàn)盡可能多的電平數(shù)，降低了系統(tǒng)成本。這一改進(jìn)拓?fù)浔环Q之為混合型多電平變換器。文[3]將由任意電平的二極管箝位型H-橋單元相串聯(lián)所構(gòu)成的拓?fù)浞Q為“通用級聯(lián)型變換器拓?fù)洹?。而本文認(rèn)為該“通用”存在很大的局限性，它不能包括所有以飛跨電容型作為基本單元的級聯(lián)型拓?fù)?。本文采用基本單元的概念和基于基本單元并串?lián)組合生成任意多電平變換器的思想^[4]，對由兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯(lián)構(gòu)成的拓?fù)溥M(jìn)行了分析和仿真，并得出一定的結(jié)論。
2? 2-H/3-H級聯(lián)型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)及工作原理
?????? 2-H/3-H級聯(lián)型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由1個兩電平H-橋單元和1個飛跨電容型三電平H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)2個單元的直流電壓按照最大擴(kuò)展原則來確定時，可獲得最大電平數(shù)的輸出。最大擴(kuò)展原則如下所述^[5]：對于由m個單元級聯(lián)構(gòu)成的多電平變換器，若每個單元能輸出的最大電平數(shù)為n_j（j=1，2，…，m），那么當(dāng)各個單元的直流電壓按式(1)設(shè)置時，可得到最大電平數(shù)的輸出n，如式(2)

???? 當(dāng)2個單元均為2-H橋時，級聯(lián)構(gòu)成的拓?fù)浼礊閳D1所示的傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這2個單元輸出的最大電平數(shù)均為3。利用最大擴(kuò)展原則，當(dāng)V_dc2/V_dc1=1/3時，可得到最大電平數(shù)的輸出n=3×3=9。在混合多電平變換器（結(jié)構(gòu)同圖1）研究的基礎(chǔ)上，為了得到更大電平數(shù)的輸出，最近有些文獻(xiàn)^[6,7]把混合多電平變換器各個單元的直流電壓比由1:2:2²:…:2^N改為1:3:3²:…:3^N。這只是針對該特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給出的結(jié)論，可看作是利用最大擴(kuò)展原則的一個特例。而利用最大擴(kuò)展原則確定各個單元的直流電壓比，可以很容易得到最大電平數(shù)的輸出。

??? 在圖2的拓?fù)渲校?-H單元能輸出5個電平，即n₁=5，2-H單元能輸出3個電平，即n₂=3，當(dāng)2單元的直流電壓比V_dc2/V_dc1=1/6時,可得到n=5×3=15電平的最大電平數(shù)輸出。若2-H單元和3-H單元的直流電壓分別為E和6E，則2-H單元輸出E、0、-E 3個電平，3-H單元輸出6E、3E、0、-3E、-6E 5個電平，2單元的輸出疊加，可得到15電平的輸出。表1列出了該拓?fù)?5個輸出電平及2個單元分別的輸出。

??? 特別是，對于V_o的某些電平，要求V_o1、V_o2輸出正負(fù)相反的電平，這樣會產(chǎn)生電流回灌，使直流側(cè)電壓上升過高而得不到期望的輸出。為了解決此問題，可以對2單元使用由全控器件構(gòu)成的有源整流，如圖3所示。圖中使用單相整流器可以節(jié)省器件，簡化控制。通過采用電流、電壓雙環(huán)控制的方法^[8]，可以保證級聯(lián)型逆變器的輸入電壓恒定。另外，有源整流器既可以作為有源濾波器消除諧波，提高功率因數(shù)；又可以作為有功控制器，將部分功率回饋到電網(wǎng)。圖3是一種具有能量再生能力的變換器系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)能量在電網(wǎng)和負(fù)載之間的雙向流動，特別適合用于大功率的再生負(fù)載。

??? 表2給出了在輸出15電平的情況下，該改進(jìn)的級聯(lián)型拓?fù)渑c傳統(tǒng)的幾種多電平拓?fù)渌柙?shù)的比較。

??? 從表中可以看出，二極管箝位型需要大量的箝位二極管，飛跨電容型需要大量的飛跨電容，傳統(tǒng)級聯(lián)型需要大量的獨(dú)立電壓源，并且這三種拓?fù)涠夹枰獢?shù)量較多的開關(guān)器件。2-H/3-H級聯(lián)型拓?fù)湫枰钌贁?shù)量的元件，如果構(gòu)成三相系統(tǒng)，這種優(yōu)越性會更明顯。
3? 2-H/3-H級聯(lián)型拓?fù)涞恼{(diào)制方法
?????? 一種拓?fù)浔仨氁ㄟ^合適的調(diào)制方法，才能得到期望的輸出電平。圖2所示拓?fù)淇刹捎没旌险{(diào)制^[9]的調(diào)制方法。對于該拓?fù)?，除了要得到期望的輸出電平，還必須要考慮3-H單元箝位電容的電壓平衡。在此，對3-H單元在低頻下采用相移PWM^[10]，以利用飛跨電容型電路的開關(guān)狀態(tài)冗余特點(diǎn)來保證電容電壓平衡；而對2-H單元在高頻下采用單極性PWM。其中，2-H單元的調(diào)制信號由3-H單元的參考信號減去其輸出而得到，載波信號為高頻三角波。這樣，總的輸出電壓就由2個單元的輸出疊加得到，總的諧波也是2個單元的輸出諧波之和。2個單元的載波和調(diào)制信號如圖4所示。

4? 仿真驗(yàn)證
?????? 用2-H/3-H級聯(lián)型拓?fù)涞膯伪蹣?gòu)成1個單相半橋逆變電路，2單元的直流電壓比取為1:6，采用前面所述的混合調(diào)制方法進(jìn)行了仿真研究。其中3-H單元的載波頻率取為50Hz，2-H單元的載波頻率取為3kHz，負(fù)載由100W的電阻、50.1H的電感串聯(lián)構(gòu)成。圖5為2單元分別的輸出及總的相電壓、相電流輸出波形，圖6為相應(yīng)的頻譜。可以看出，3-H單元輸出5個電平，2-H單元輸出3個電平，2個單元的輸出疊加得到總的相電壓，輸出為15個電平。并且，總的相電壓的頻譜為2個單元輸出電壓頻譜之和，仿真結(jié)果與分析一致。此時的相電壓和相電流的THD值分別為15.02% 和6.96%，而傳統(tǒng)的級聯(lián)型拓?fù)湓诓捎孟嘁芇WM，載波頻率也取為3kHz下輸出相同電平時，電壓和相電流的THD值分別為31.85%和11.27%。

5? 結(jié)論
??? 本文提出的改進(jìn)級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)?，在得到相同電平?shù)輸出的情況下，比傳統(tǒng)級聯(lián)型拓?fù)湫枰^少數(shù)量的H-橋單元。因此，會節(jié)省大量的開關(guān)器件和獨(dú)立電壓源，從而簡化電路，降低成本。并且，通過采用合適的調(diào)制方法，輸出電壓的諧波含量會大大小于傳統(tǒng)級聯(lián)型拓?fù)涞闹C波含量。本文以2-H/3-H級聯(lián)拓?fù)錇槔M(jìn)行了分析和仿真，更多的拓?fù)淇梢杂扇我鈧€任意電平的任何類型的H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。3個相同的單相電路通過Y或Δ連接可以方便地構(gòu)成三相系統(tǒng)。

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