呂 飛 ，朱家林 ，吉 哲 ，余鳳豪

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多電平電力變換器主電路拓?fù)浞治雠c調(diào)制仿真

呂 飛1，朱家林2，吉 哲1，余鳳豪1

（1.海軍蚌埠士官學(xué)校機電系，安徽蚌埠 233012；2.海軍92763部隊裝備部，遼寧大連 116041）

大容量是電力電子技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，多電平變換技術(shù)是實現(xiàn)高電壓大容量的關(guān)鍵，多電平變換裝置主電路拓?fù)涫茄芯恐攸c。文章詳細(xì)分析了多電平變換裝置的幾種具體主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，分析研究了級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）仿真分析。

多電平變換器 主電路拓?fù)?開關(guān)狀態(tài) 載波組調(diào)制

0 前言

電力電子技術(shù)的誕生和發(fā)展使人類對電能的利用方式發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。電力電子的發(fā)展要求電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質(zhì)量越來越好、可靠性越來越高[1]。大容量是電力電子技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，實現(xiàn)大容量的途徑有高電壓、大電流，實際中高電壓大容量普遍應(yīng)用，而多電平變換技術(shù)是實現(xiàn)高電壓大容量的關(guān)鍵。從多電平變換裝置概念的提出至今，己經(jīng)形成了多種基本拓?fù)浼耙幌盗懈倪M拓?fù)鋄2-5]。

本文詳細(xì)分析了多電平變換裝置的幾種具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，研究了級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波組調(diào)制仿真分析。

1 多電平變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 二極管箝位型多電平拓?fù)?/p>

二極管箝位多電平變換器(DCMI)最早A.Nabae提出[6]。如圖1(a)所示是二極管箝位型三電平變換器的單臂電路拓?fù)?。每相橋?個開關(guān)器件S1-S4串聯(lián)，每2個開關(guān)器件同時處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，其中(Sl，S3)、(S2，S4)為互補工作的開關(guān)對；Dl，D2為箝位二極管。

采用相同的原理擴展為更多電平的變換器。圖1(b)是單相橋臂五電平DCMI的拓?fù)?。DCMI的輸出電壓及其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如表1所列。當(dāng)電平數(shù)為奇數(shù)時，中性點N是實際存在的，而當(dāng)電平數(shù)為偶數(shù)時，中性點N是虛擬的，不能直接引出。

1.2 飛跨電容型多電平拓?fù)?/p>

飛跨電容型多電平(FCMI)拓?fù)渥钤缡怯蒆.Foch在PESC會議上提出[7]。圖2(a)所示是單相FCMI的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2(b)中S1-S8為功率開關(guān)管，C5-C10為箝位電容，每個電容都具有相同的電容值和電壓，Cl-C4為直流分壓電容。FCMI采用飛跨電容代替箝位二極管實現(xiàn)電壓箝位功能。由FCMI開關(guān)狀態(tài)及對應(yīng)輸出電壓關(guān)系可得，F(xiàn)CMI的電壓合成更為靈活，對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到。如輸出電壓E，對應(yīng)四種開關(guān)狀態(tài)組合；輸出電壓0，對應(yīng)六種開關(guān)狀態(tài)組合。這種開關(guān)狀態(tài)組合的冗余性，為飛跨電容電壓平衡提供了可能性和靈活性，同時，也為飛跨電容型多電平變換裝置的重構(gòu)提供了可能行。飛跨電容型與二極管箝位型相比較，去除了大量的箝位二極管，但同時引進了大量的可靠性較差、壽命較短的懸浮電容。

1.3 通用型多電平拓?fù)?/p>

F.Z.Peng提出了一種通用型的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究更加系統(tǒng)化[8]。

圖3為單相通用型多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，開關(guān)器件Sp1-Sp4和Sn1-Sn4為主開關(guān)管，用來實現(xiàn)期望的輸出電平；Sc1-Sc12為箝位開關(guān)，用來實現(xiàn)箝位功能?；パa的兩個開關(guān)(如Sp1與Sn1)，當(dāng)某一導(dǎo)通時，另一關(guān)斷。通用型多電平拓?fù)涞碾妷汉铣奢^為靈活，對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到，如0電壓輸出對應(yīng)6種開關(guān)狀態(tài)，即開關(guān)狀態(tài)組合存在冗余。

1.4 級聯(lián)型多電平拓?fù)?/p>

級聯(lián)型多電平變換器較早是由M.Marchesnoi在PESC會議上提出[9]，直到1997年，級聯(lián)型拓?fù)洳诺玫搅溯^為廣泛的應(yīng)用。圖4(a)為傳統(tǒng)的單相級聯(lián)五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個H橋級聯(lián)構(gòu)成。

級聯(lián)型與二極管箝位型、飛跨電容型相比不需要大量的箝位二極管與飛跨電容，而且通過對不同H橋單元采用不同的直流電壓，能得到比采用相同直流電壓多的輸出電平。如圖4(b)所示，相同的H橋單元數(shù)，采用1：2的直流電壓，能得到7電平輸出。

級聯(lián)多電平優(yōu)點：①采用相互獨立的直流電源，無須靜態(tài)和動態(tài)均壓。②具有模塊化的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部冗余可重構(gòu)。③對相同的電平數(shù)來說，級聯(lián)結(jié)構(gòu)所需的元器件數(shù)目最少。

缺點：需要多個獨立直流電源。

1.5 混合型多電平拓?fù)?/p>

圖5(a)所示的混合箝位型多電平是采用二極管和電容共同實現(xiàn)箝位的多電平拓?fù)?。該拓?fù)涞某霭l(fā)點是為了解決傳統(tǒng)二極管箝位型多電平拓?fù)渲?，直流端電容電壓的不平衡以及?nèi)部開關(guān)器件阻斷較高電壓等問題。該拓?fù)渲械娘w跨電容參與電壓合成。由于箝位二極管的存在，該拓?fù)浯嬖谳^多的電流通路。該拓?fù)淅弥虚g輸出電平的冗余開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)電容電壓平衡，但在純無功功率情況下，不能實現(xiàn)電容電壓平衡。

圖5(b)中，Sal-Sa4與Snl-Sn4為主開關(guān)管，用來實現(xiàn)期望的輸出電壓；Scl-Sc6為箝位開關(guān)器件，Dcl-Dc12為箝位二極管，C5-C7為輔助電容，它們共同實現(xiàn)箝位功能；保證直流側(cè)每個電容C1-C4的電壓平衡。

2 三相級聯(lián)多電平拓?fù)?/p>

2.1 三相級聯(lián)多電平可靠性

三相級聯(lián)型多電平變換裝置主電路如圖6所示。

圖6所示為三相級聯(lián)多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路，其中PCA1，…，PCA5，PCB1，…，PCB5， PCC1，…，PCC5都是級聯(lián)功率變換單元。

多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性由單元的可靠性和系統(tǒng)的可靠性（故障重構(gòu)能力）共同決定。即使單元的可靠性較高，如果系統(tǒng)的故障重構(gòu)能力差，系統(tǒng)地總體可靠性也很難保證。設(shè)系統(tǒng)共有單元模塊數(shù)為，單元模塊的可靠性為(0<<1)，若系統(tǒng)沒有重構(gòu)能力，則系統(tǒng)的可靠性為rm，若系統(tǒng)有允許一個模塊故障的重構(gòu)能力，則系統(tǒng)的可靠性為r+mr-1(1-)[10]。

圖6所示系統(tǒng)由15個單元組成，如果可靠性用百分比表示，當(dāng)系統(tǒng)不具備容錯能力時，即使單元可靠性為99%，系統(tǒng)的可靠性也只有86%。當(dāng)系統(tǒng)能容許一個單元故障時，系統(tǒng)的可靠性可以達到99%，比系統(tǒng)沒有容錯能力時提高了13%。

圖7所示為15單元系統(tǒng)分別具有0、1、2個單元模塊故障的重構(gòu)能力時，系統(tǒng)可靠性與單元可靠性的對應(yīng)關(guān)系。圖7中曲線間關(guān)系可見，單元可靠性相同時，系統(tǒng)的重構(gòu)能力越高則系統(tǒng)的可靠性越高。

2.2 三相級聯(lián)多電平載波組調(diào)制仿真

載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）一般用在級聯(lián)型多電平變換器其基本原理：構(gòu)成多電平變換器的各單元模塊均采用低開關(guān)頻率的單相SPWM，各單元模塊具有相同的幅度調(diào)制比（M）、頻率調(diào)制比（M），但各單元模塊的載波間存在一定的相位差，變換器的總輸出為各單元模塊輸出的線性疊加，由于相鄰三角載波之間有一個相移，這一相移使得所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使最終迭加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的(-1)倍(為級聯(lián)單元數(shù))。CPSPWM可在不提高開關(guān)頻率的情況下，大大減小輸出諧波。

采用MATLAB進行仿真，圖8為三相級聯(lián)11電平變換器CPSPWM仿真輸出的相電壓、線電壓以及調(diào)制信號的波形。其中，圖8(a)仿真參數(shù)：M=0.95,M=10, 圖8(b)仿真參數(shù)：a=1.1,M=10；頻率為50 Hz。

由仿真波形圖8所示，分析可得：①載波相移脈寬調(diào)制(CPSPWM)方法能實現(xiàn)多電平級聯(lián)的變換裝置的控制；②CPSPWM方法最大幅度調(diào)制比為1，當(dāng)M大于1時輸出電壓出現(xiàn)飽和。

3 結(jié)論

多電平變換技術(shù)是實現(xiàn)高電壓大容量的關(guān)鍵，而多電平變換裝置主電路拓?fù)涫茄芯恐攸c。本文通過分析多電平變換裝置的幾種具體主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，指出各型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，以級聯(lián)多電平為對象，研究了三相級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波組調(diào)制仿真分析驗證。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化改進及應(yīng)用，將是下一步的研究重點。

[1] 吳洪祥. 多電平變換器及其相關(guān)技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2002.

[2] 齊悅, 楊耕, 竇日軒. 基于多電平變換器的拓?fù)浞治鯷J]. 電機與控制學(xué)報, 2002, 6(1): 74-79.

[3] 王奎, 鄭澤東, 李永東. 一種新型的無變壓器級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)鋄J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(8): 1-6.

[4] 王琛琛, 李永東. 多電平變換器拓?fù)潢P(guān)系及新型拓?fù)鋄J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(1): 93-99.

[5] 胡鵬飛, 江道灼, 郭捷. 基于晶閘管換向的混合型多電平換流器[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(21): 102-107.

[6] Nabae A, Takahashi I. A new neutral point clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.

[7] Meynard T A, Foch H. Multilevel conversion: high voltage choppers and voltage source inverter[C]. PESC’1992, Aachen, 1992: 397-403.

[8] Peng F Z. A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J]. IEEE Transactions on industry Applications, 2001, 37(2): 611-618.

[9] Marchesoni M, Tenconni S. A nonconventional power converter for plasma stabilization[C]. IEEE PESC’1988, Atlanta, 1988: 122-129.

[10] 呂飛. 大容量電力電子變換裝置可重構(gòu)控制研究[D]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2008.

Analysis and Modulation Simulation on Main Circuit of Multilevel Converter Topology

Luv Fei1, Zhu Jialin2, Ji Zhe1, Yu Fenghao1

(1. Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China; 2. 92763 Naval Army , Dalian 116041, Liaoning,China)

TM46

A

1003-4862（2015）01-0065-04

2014-09-09

呂飛（1982-），男，講師，碩士學(xué)位。研究方向：電力電子與電力傳動。