王琛琛 李永東

(1.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2.清華大學電力系統(tǒng)國家重點實驗室 北京 100084)

1 引言

多電平變換器從產(chǎn)生至今已經(jīng)有近三十年的發(fā)展歷史，其間產(chǎn)生了大量的拓撲結(jié)構(gòu)。研究多電平拓撲的目的是為了實現(xiàn)多電平輸出，使變換器能夠應(yīng)用于更高電壓等級的場合，提高輸出電壓的諧波性能。研究各種拓撲的特點，分析并明晰各種拓撲之間的聯(lián)系和區(qū)別，對于進一步研究拓撲具有重要意義。本文首先對多電平變換器拓撲的發(fā)展做了一個回顧和討論，整理了多電平變換器發(fā)展演變的思路，分析了多電平拓撲之間的聯(lián)系，提出了通用多電平拓撲簡化為其他拓撲的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出兩種新的多電平拓撲結(jié)構(gòu)，并對其工作原理和控制策略進行了仿真研究。

2 基本拓撲

2.1 三極單元變換器

實現(xiàn)多電平的最簡單直接的方法就是構(gòu)造一個多級直流電壓源串聯(lián)，且每級都有可控的獨立輸出通路，如圖1a 所示。這樣的思想早在文獻[1]中就已經(jīng)被提出來。但是受當時開關(guān)器件發(fā)展水平的限制，文章中采用反并聯(lián)的晶閘管來實現(xiàn)這個開關(guān)的功能，晶閘管不能關(guān)斷的缺點造成了不同等級電壓通路之間的換流過程極其復雜，大大增加了控制的難度。

類似這種思想，文獻[2]給出了一個最初的三電平結(jié)構(gòu)，如圖1b 所示，由二極管和三極管組成的兩

圖1 多級電壓源串聯(lián)思想構(gòu)成多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.1 Schematic of multilevel converter structure

個單向回路構(gòu)成了0 電平的輸出通路，實現(xiàn)了三電平的電壓輸出。隨著電力電子器件的發(fā)展，考慮到各開關(guān)管承受壓降的統(tǒng)一性，最終得到比較實用的拓撲如圖2a 所示，被稱為層疊換流單元（stacked commutation cells）或者三極單元（three-pole cells）。其可以采用如圖2b 所示的導通策略，使得最外側(cè)支路的兩個管子中一個管子在半個周期中處于頻繁開關(guān)狀態(tài)，另一個管子每個基波周期只開關(guān)一次，可以大大減小損耗，同時也可以避免串聯(lián)器件同時開通和關(guān)斷帶來的均壓問題。

圖2 三極單元變換器結(jié)構(gòu)及導通規(guī)律 Fig.2 Schematic of three-pole cell structure

2.2 二極管鉗位型多電平變換器

與此同時，另外一種結(jié)構(gòu)中點鉗位型（Neutral- Point-Clamped，NPC）也被提出來[2-3]，這也是現(xiàn)在使用最為廣泛的一種三電平結(jié)構(gòu)。NPC 可以看成是三極單元的一種特殊的實現(xiàn)方式[4]，三極單元中實現(xiàn)雙向電流通路功能的支路被如圖3a 所示的兩個內(nèi)部開關(guān)管和兩個鉗位二極管（VDN1，VDN2）構(gòu)成的兩個電流單向支路所代替，節(jié)省了開關(guān)器件，簡化了結(jié)構(gòu)。

NPC 的多電平形式就是二極管鉗位型多電平變換器（diode clamped multilevel converter）。圖3b、圖3c 給出了五電平情況下的兩種拓撲形式。

二極管鉗位型多電平結(jié)構(gòu)有固有的缺點[5-6]：

（1）為了保證鉗位二極管承受相同的反向電壓E，鉗位二極管的數(shù)目將按照電平數(shù)的二次方快速增加。

圖3 二極管鉗位型多電平變換器結(jié)構(gòu) Fig.3 Diode-clamped multilevel converter structure

（2）如果采用單一直流電源供電，母線上各個電容的電壓很難控制平衡。

（3）內(nèi)外管的開關(guān)應(yīng)力（switching stress）或者說損耗存在不平衡。

（4）鉗位二極管只能保證最外面的開關(guān)管被 可靠鉗位，而內(nèi)部的開關(guān)管并沒有被直接鉗位[5]。

2.3 電容鉗位型多電平變換器

文獻[7]利用增加的鉗位電容構(gòu)成了混合鉗位拓撲（見圖4a），有利于解決NPC 拓撲中內(nèi)管不能可靠鉗位以及直流母線電容平衡的問題。利用電容作為鉗位器件給多電平拓撲提供了一個新的思路。單純采用電容鉗位的思想最早出現(xiàn)在文獻[8]中（見圖 4b）。在此基礎(chǔ)上，Meynard[4,9-10]將其拓展到多電平領(lǐng)域，稱為電容鉗位型多電平變換器（flying capacitor multilevel converter），也稱為Multicell 或者Imbricated cells。

圖4 混合鉗位型和電容鉗位型變換器 Fig.4 Diode-capacitor and capacitor clamped structure

電容鉗位型多電平的鉗位電容除了具有鉗位作用以外，其本身所具有的電壓輸出能力也增加了變換器輸出某一電平的開關(guān)狀態(tài)。電容鉗位型變換器不存在母線電容電壓不平衡、開關(guān)管之間開關(guān)應(yīng)力不同以及耐壓不平衡的問題。但是隨著電平數(shù)增加，鉗位電容的數(shù)量大大增加，增加了系統(tǒng)的成本和體積。另外在應(yīng)用中，電容的故障率要遠遠高于半導體器件的故障率，鉗位電容的引入影響了整個系統(tǒng)的壽命和可靠性。

2.4 有源中點鉗位型變換器

為了進一步解決NPC 中非直接鉗位和開關(guān)應(yīng)力不同的問題，文獻[11-12]提出了有源中點鉗位型變換器（Active NPC，ANPC），如圖5a 所示。ANPC結(jié)構(gòu)采用帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管來代替鉗位二極管，多用了兩個開關(guān)管。而在實際采用IGBT 的NPC系統(tǒng)中，出于器件特性一致的考慮，一般用IGBT中寄生的反并聯(lián)二極管來做鉗位二極管。ANPC 結(jié)構(gòu)利用了原先閑置的IGBT 開關(guān)管和反并聯(lián)二極管一起保證可靠的鉗位。另外，ANPC 增加的兩個開關(guān)管可以增加零電平時刻的電流通路，選擇合適的電流通路可以把原來內(nèi)管上的損耗一定程度分散到鉗位開關(guān)管上。文獻[11-12]經(jīng)過分析得到，采用ANPC 的結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的NPC 提高20%的系統(tǒng)容量或者85%的開關(guān)頻率，這對于實際應(yīng)用很有價值。文獻[13]結(jié)合了NPC 和三極單元，也給出了一種新的三電平結(jié)構(gòu)，稱為Stacked NPC，如圖5b 所示。它通過增加電流通路，也能夠有效地平衡各管之間的損耗。

圖5 有源中點鉗位和堆疊中點鉗位三電平變換器 Fig.5 Active NPC and stacked NPC converter

3 衍生拓撲

上面給出的四種基本拓撲，除了根據(jù)自身的特點往更高電平拓展之外，還可以通過適當?shù)慕M合和變形，構(gòu)成新的拓撲。

3.1 層疊式多單元變換器

層疊式多單元變換器（ Stacked Multicell Converter，SMC）可以認為是Multicell 和P-pole cell兩種多電平拓撲思想結(jié)合的產(chǎn)物[4]。圖 6 是一個SMC 的結(jié)構(gòu)圖[14]。在輸出相同電平數(shù)的情況下，SMC 能在不損失Multicell 動靜態(tài)性能的同時大大減少鉗位電容的數(shù)量。

圖6 3×2 層疊式變換器拓撲 Fig.6 3×2 stacked multicell converter

對于這樣一個n×p 的層疊式多單元變換器（n代表單元數(shù)，p 代表堆疊數(shù)），可以看成是p 個n 單元的Multicell 層疊而成，也可以看成n 個p-pole cell 連接得到。圖7a 所示是一個SMC 結(jié)構(gòu)的擴展，可以看成是多個三極單元通過電容串聯(lián)而成。另外NPC 作為三極單元的一種特殊方式，也可以作為最后一級接到SMC 拓撲當中，如圖7b 所示。

圖7 層疊式變換器拓撲的擴展 Fig.7 Extension of the SMC

3.2 有源中點鉗位型多電平變換器

和NPC 類似，ANPC 結(jié)構(gòu)也很容易直接推廣到多電平。不過如果把ANPC 和Multicell 結(jié)合就可以得到新的拓撲結(jié)構(gòu)—有源中點鉗位型多電平變換器（ANPC multilevel converter）[15]。圖8a 所示就是這樣一個 ANPC 的五電平結(jié)構(gòu)，其中三個單元（圖中點劃線框所示）都可以看成是電容鉗位的三電平結(jié)構(gòu)，然后按照ANPC 的結(jié)構(gòu)組合起來構(gòu)成一個五電平的新拓撲。進一步省去電容還可以得到如圖8b 和圖8c 的兩種結(jié)構(gòu)[15-16]。圖8a 中斷開處可以按照電容鉗位型的方式繼續(xù)擴展到更高電平。需要注意的是，ANPC 和SMC 都只能實現(xiàn)奇數(shù)電平的輸出。

圖8 有源中點鉗位型多電平變換器 Fig.8 ANPC multilevel converter

3.3 通用多電平拓撲結(jié)構(gòu)

從之前給出的拓撲圖注意到，不同的拓撲結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)一定數(shù)目的電平輸出，其在外側(cè)的主開關(guān)管的分布是一致的，主要的區(qū)別在于鉗位器件的不同。二極管、可控開關(guān)管以及電容都可以單獨或者組合之后被選擇作為輔助器件。

文獻[17]提出了一種通用多電平拓撲結(jié)構(gòu)。在這個拓撲中，二極管、可控開關(guān)管和電容這三種鉗位器件同時被使用，可以認為是最復雜同時也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。如圖9 是一個五電平的通用拓撲結(jié)構(gòu)。通用多電平拓撲采用了大量的鉗位開關(guān)管、二極管和電容，通過特定開關(guān)模式可以實現(xiàn)電容電壓的自平衡。

圖9 五電平通用多電平拓撲 Fig.9 5-level generalized multilevel converter

4 通用拓撲和其他拓撲之間的關(guān)系

通用拓撲同時使用了三種鉗位器件，可以認為是其他拓撲的一種高度概括。前面所述的基本拓撲及衍生拓撲都可以通過一定的簡化從通用拓撲中得到。以圖9 所示的五電平通用拓撲為例，如果保留鉗位二極管和電容，省去所有的鉗位開關(guān)管，通用拓撲就簡化成混合鉗位型拓撲；在此基礎(chǔ)上如果省掉所有的鉗位電容或者二極管，則退化成二極管鉗位型或者電容鉗位型拓撲，如圖10 所示。

圖10 通用拓撲簡化為混合、二極管和 電容鉗位型拓撲 Fig.10 Diode-clamped and flying capacitor-clamped topologies deduced from the generalized topology

除此之外還發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)暮喕?，通用拓撲還可以退化為SMC 和ANPC 等結(jié)構(gòu)。如圖11a 所示，五電平的通用拓撲經(jīng)過簡化可以退化為一個2×2 的SMC 結(jié)構(gòu)，只是在最后一級采用的是NPC結(jié)構(gòu)?？紤]到NPC 是三極單元的一種變形，因此并不影響理解通用拓撲和SMC 之間的聯(lián)系。同樣的，如圖 11b 所示，通用拓撲經(jīng)過簡化也可以退化成ANPC 的結(jié)構(gòu)。

圖11 通用拓撲簡化為層疊型和ANPC 型拓撲 Fig.11 SMC and ANPC topologies deduced from the generalized topology

現(xiàn)只給出了五電平的例子，其他電平的情況可以類似得到。可以看出，現(xiàn)有的多電平拓撲和通用拓撲之間存在著緊密的聯(lián)系，通用拓撲通過適當?shù)暮喕梢酝嘶蛇@些常用的拓撲結(jié)構(gòu)。圖12 以圖表的形式對這些關(guān)系做了一個總結(jié)。

圖12 通用拓撲和已有拓撲之間的關(guān)系 Fig.12 Relationship between the existing topologies

那么在通用拓撲的簡化過程中，有哪些需要遵守的規(guī)律呢？總結(jié)出以下幾點：

（1）兩側(cè)主開關(guān)管必須全部保留。

（2）鉗位開關(guān)管、二極管和電容要對稱地從兩側(cè)成對省略。簡化后拓撲具有很好的對稱性，且可擴展。

（3）如果要使簡化后拓撲具有完整輸出所有 電平的能力，通用拓撲中對應(yīng)每個電平的多個電流雙向通路至少有一個被保留。

（4）出于實際應(yīng)用的考慮，鉗位電容要越少越好，尤其是盡可能地去掉靠近直流母線側(cè)的鉗位電容。

（5）為了保證能夠有效地控制每個鉗位電容 電壓穩(wěn)定，在輸出特定電平、特定電流情況下，存在對鉗位電容電壓沒有影響或者影響相反的開關(guān)狀態(tài)。

不難得到，前文所述的從通用拓撲退化到各種已有拓撲的過程都遵循了這些規(guī)律。這不但對理解拓撲之間的關(guān)系有重要作用，對于通過簡化通用拓撲、提出新的拓撲結(jié)構(gòu)也有很重要的指導意義。

進一步的，通用多電平拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡化可以得到如圖13 的結(jié)構(gòu)，這就是所熟知的H 橋級聯(lián)型拓撲。這個結(jié)構(gòu)早在20 世紀70 年代中就已經(jīng)被提出[18]，后來結(jié)合了PWM 的控制策略得到了廣泛使用?？梢钥吹剑瑘D13 右邊所示的兩個H 橋級聯(lián)一樣能夠輸出五電平。不同的是，級聯(lián)結(jié)構(gòu)是每級獨立供電，而不像前面所敘述的眾多拓撲結(jié)構(gòu)是通過母線統(tǒng)一供電的。雖然級聯(lián)型拓撲和前面所述的眾多拓撲的構(gòu)造思想有很大差別，但是對于H 橋級聯(lián)型拓撲以及其他的級聯(lián)型拓撲，例如三電平級聯(lián)，或者是混合級聯(lián)結(jié)構(gòu)都可以從通用拓撲中找到其痕跡。

圖13 通用拓撲和H 橋拓撲之間的關(guān)系 Fig.13 Relationship between H-bridge and generalized topology

5 新型多電平變換器拓撲

本文遵循前面歸納出來的通用拓撲簡化過程中的規(guī)律，提出了如圖14 所示的兩種新的多電平拓撲結(jié)構(gòu)?？梢钥吹竭@兩種新拓撲都能夠?qū)崿F(xiàn)五電平的輸出，而且結(jié)構(gòu)相似，運行原理也基本相同。相比較而言，圖14b 所示的拓撲結(jié)構(gòu)更加清晰簡單，因此后續(xù)具體的分析和討論將會圍繞該拓撲展開，圖14a 所示拓撲的相關(guān)分析可以類比得到。另外，圖14b 所示拓撲在圖15a 所示的斷點處繼續(xù)擴展可以得到更高電平，例如圖15b 就給出了一個七電平的例子。

圖14 兩種新拓撲結(jié)構(gòu) Fig.14 Two novel multilevel topologies

圖15 新拓撲結(jié)構(gòu)的擴展 Fig.15 Extension of the novel topology

為了和現(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)比較，表1 以五電平為例，對各種拓撲結(jié)構(gòu)所用的器件數(shù)目進行了統(tǒng)計。從這個表中可以比較各種拓撲所需的開關(guān)管、二極管以及鉗位電容的數(shù)目?？梢钥吹?，本文所提出的新拓撲和簡化后的ANPC 從使用器件數(shù)目上來看具有很大的優(yōu)勢，其中圖14b 拓撲的所需器件最少。以圖14b 所示的新拓撲結(jié)構(gòu)為例，對新拓撲的工作原理進行分析。所有可能的開關(guān)狀態(tài)見表2，對應(yīng)了0～4E 共五個輸出電平。

表1 多電平拓撲所用器件數(shù)目比較 Tab.1 Devices required in different topologies

表2 新拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài) Tab.2 Switching states of the novel topology

該拓撲能夠正常工作的一個核心問題是鉗位電容C1電壓的控制。表2 總結(jié)了在不同電流情況下，各開關(guān)狀態(tài)對電容C1電壓的影響。例如當電流為正的時 候，V5和V7對C1充 電，V2和V4使C1放電，其他開關(guān)狀態(tài)不影響C1的電壓。根據(jù)這樣的關(guān)系，按照C1的電壓偏移情況和相電流的正負，可以選擇合適的開關(guān)狀態(tài)維持C1電壓的穩(wěn)定。開關(guān)狀態(tài)的選擇方法見表3，其中ΔU=UC?E。當ΔU 為正時，選擇對C1放電的開關(guān)狀態(tài)，反之選擇對C1充電的開關(guān)狀態(tài)，如果不存在這樣的狀態(tài)，則選擇對C1的電壓沒有影響的開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)被分為G1和G2兩組以供選擇。根據(jù)這樣簡單的方法，就可以維持鉗位電容電壓的穩(wěn)定。

表3 開關(guān)狀態(tài)的選擇 Tab.3 Selection of the switching states

對于三相對稱系統(tǒng)，新拓撲可以采用內(nèi)環(huán)輔助鉗位的方法來穩(wěn)定母線電容電壓。該方法的提出和具體的分析在文獻[19]中有詳細的敘述，其母線供電結(jié)構(gòu)如圖16 所示。因為新拓撲中母線的中點不再有電流輸出，所以相比文獻[19]中的二極管鉗位型五電平結(jié)構(gòu)，不需要去控制內(nèi)環(huán)的中點電位，控制更加簡單。以母線電容電壓為控制目標，構(gòu)造最優(yōu)函數(shù)來選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，可以控制母線電容電壓的穩(wěn)定。同時還需要考慮控制每相鉗位電容的電壓，選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。

圖16 內(nèi)環(huán)輔助鉗位結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.16 Inner-loop auxiliary clamped structure

6 新拓撲的仿真研究

在新拓撲的仿真中，采用的每級電容的大小為4700μF，每級電壓為500V，負載電流為10A（rms），調(diào)制系數(shù)0.8。圖17 給出了開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)為0.9 時刻的輸出電壓和電流。圖18 為開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1 時單相結(jié)構(gòu)鉗位電容電壓的仿真結(jié)果?？梢钥吹酵ㄟ^前面所述的控制方法，鉗位電容的電壓能夠得到很好的控制。三相系統(tǒng)各級母線電壓和各相鉗位電容電壓的仿真結(jié)果如圖19 所示，開關(guān)頻率為1kHz，功率因數(shù)分別為0.9 和0.1。

圖17 開關(guān)頻率1kHz，功率因數(shù)0.9 時 單相運行仿真結(jié)果 Fig.17 Simulation results of single phase leg （f=1kHz,PF=0.9）

圖18 單相變換器鉗位電容電壓仿真結(jié)果 Fig.18 Simulation results of single phase leg （voltage of the clamping capacitor）

圖19 三相變換器母線電壓和鉗位 電容電壓仿真結(jié)果 Fig.19 Simulation results of three phase converter

從仿真波形可以看到，采用內(nèi)環(huán)輔助鉗位的方法，新拓撲結(jié)構(gòu)在保持鉗位電容電壓穩(wěn)定的同時，也能很好地控制母線各級電容的電壓。

7 結(jié)論

本文從多電平基本拓撲入手，探討了多電平拓撲結(jié)構(gòu)從產(chǎn)生以來的發(fā)展過程，并重點分析了通用拓撲結(jié)構(gòu)和其他多電平拓撲結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最終得到所有的多電平拓撲結(jié)構(gòu)都可以從通用拓撲簡化（退化）組合而來的結(jié)論，并且提出了通用多電平拓撲簡化的規(guī)律。根據(jù)通用拓撲簡化規(guī)律，本文提出了兩種新的多電平拓撲結(jié)構(gòu)，在輸出相同電平數(shù)下，所用的開關(guān)器件數(shù)量最少。本文還對新拓撲的工作原理和控制方法進行了研究。通過對新拓撲的開關(guān)狀態(tài)和電流通路的研究，給出了控制單相變換器的鉗位電容電壓穩(wěn)定和三相變換器的母線各級電壓穩(wěn)定的方法。仿真結(jié)果也驗證了所提出的多電平拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法的正確性和可行性。

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