李永東　徐杰彥　楊涵棣　程志江　石坤宏　許烈

摘 要：多電平變換器具有輸出諧波小、dv/dt小、器件電壓應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電力傳動等高壓大容量電能變換場合。該文對多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)，為構(gòu)造滿足不同應(yīng)用場合、不同特點(diǎn)的多電平變換器提供思路。文章首先從基本單元分析法出發(fā)，得出了多電平電路的具體實(shí)現(xiàn)方式，然后系統(tǒng)地介紹幾種典型多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，再分別從不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，回顧國內(nèi)外最新研究進(jìn)展，分析多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，并且指出多電平變換器在新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟開關(guān)技術(shù)上的重要發(fā)展方向，為多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了新思路。

關(guān)鍵詞：多電平變換器;高壓大容量;電能變換;基本單元分析法;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);軟開關(guān)

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.001

中圖分類號：TM 464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2020）09-0001-12

Overview and prospect of multilevel converter topology

LI Yong-dong1， XU Jie-yan2， YANG Han-di3， CHENG Zhi-jiang3， SHI Kun-hong3， XU Lie1

（1. Advanced Electric Power Transformation and Research Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China; 2.State Grid Integrated Energy Planning and D&R Institute， Beijing 100052， China; 3.Engineering Research Center of Ministry of Education for Renewable Energy Generation and Grid Connection Technology， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract：

The multilevel converter has advantages of small output harmonics， small dv/dt and small voltage stress of the device. It is widely used in power system， power transmission and other high voltage large capacity power conversion occasions. The multilevel topology structure were analyzed and summarized， and ideas for constructing multilevel converters that meet different applications and different characteristics were provided. The basic unit analysis method was proposed and the implementation of multilevel circuits was derived. The topology and working principle of several typical multilevel converters was systematically introduced. Different topologies were proposed，the latest research progress was reviewed at home and abroad，the development trend of multilevel topology was analyzed and the important development direction of the multilevel converter was pointed out in the new topology and soft switching technology， which provides a new idea for development of the multilevel topology.

Keywords：multilevel converter; high voltage large capacity; power conversion; basic element analysis; topology structure; soft switch

0 引 言

世界性的能源危機(jī)和環(huán)境問題，引起了世界各國對節(jié)能技術(shù)的廣泛關(guān)注，多電平變換器在電力傳動、新能源發(fā)電等高壓、大容量領(lǐng)域的應(yīng)用[1-5]，對于我國降低單位產(chǎn)值能耗具有重大意義[6]。另一方面，隨著非線性設(shè)備在電力系統(tǒng)中大量使用，交流電網(wǎng)中的無功和諧波污染日益嚴(yán)重，多電平逆變器具有輸出電能質(zhì)量好、輸出電壓高、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的有源濾波和無功補(bǔ)償中，可以有效地提高電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，保障電器設(shè)備和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

多電平變換器可以通過多個直流電源和電力電子器件經(jīng)過特定的拓?fù)渥儞Q，控制不同的直流電源串聯(lián)輸出，在變換電路不同開關(guān)狀態(tài)下，就可以在輸出端得到不同幅值的多電平輸出，相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)[7-10]：

1）單個開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力更小，可以實(shí)現(xiàn)更高等級的電壓輸出和功率輸出;

2）具有更小的dv/dt，更好的諧波性能，使逆變器產(chǎn)生的電磁干擾得到改善，同時(shí)減少了并網(wǎng)濾波器的體積，并且隨著電平數(shù)的擴(kuò)展，上述效果更為顯著;

3）功率開關(guān)管的開關(guān)損耗減少，系統(tǒng)效率提升;

4）采用模塊化設(shè)計(jì)的多電平變換器更方便維修，具有更好的容錯性能。

目前在所有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為3種[11-12]，即二極管箝位型（neutral point clamped，NPC）、飛跨電容型（flying capacitor，F(xiàn)C）和H橋級聯(lián)型（cascaded H-bridge，CHB）。這三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)[13]，但也存在相應(yīng)的不足，例如：二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)外管損耗不均[14]，飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電容電壓控制困難[15]等。為了克服這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的問題，一些新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被相繼提出，例如混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納總結(jié)有利于了解多電平變換器的發(fā)展趨勢，為提出新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)造條件。

因?yàn)橹苯覣C/AC多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一，電流源型多電平變換器應(yīng)用較少，本文主要研究電壓源型多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先通過基本單元分析法，總結(jié)多電平電路的電平獲取方法及其實(shí)現(xiàn)原理，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本單元及發(fā)展特點(diǎn)，為發(fā)現(xiàn)新的多電平基本單元和設(shè)計(jì)新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供新思路，并為多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在軟開關(guān)技術(shù)上的創(chuàng)新指明方向。

1 多電平基本單元結(jié)構(gòu)

1.1 基本單元結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)多電平的電路有很多，利用基本單元分析法[6]，從電路原理的角度出發(fā)，要得到多電平輸出電壓，應(yīng)具備以下兩個條件：

1）在輸入端具有基本的直流電平;

2）由有源和無源開關(guān)器件構(gòu)成的基本變換單元，通過不同的開關(guān)態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同的多電平輸出。

輸入端的基本直流電平，主要通過以下幾種方式獲得：

1）采用多個電容直接對直流母線進(jìn)行分壓，如圖1（a）所示;

2）采用懸浮電容，選擇開關(guān)器件的不同開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流母線電容和懸浮電容不同的級聯(lián)方式， 如圖1（b）所示;

3）采用多個獨(dú)立的直流電源， 如圖1（c）所示。

基本變換單元的結(jié)構(gòu)須滿足以下幾個基本特征：

1）基本變換單元必須可控并且具有有源器件，可以通過不同的開關(guān)狀態(tài)組合，合成要求的輸出電平;

2）基本變換單元能保證能量的雙向流通。

根據(jù)任何一個電力電子電路都是由任意開關(guān)器件與電壓源串聯(lián)，節(jié)點(diǎn)連接電流源的原則，以及上述多電平電路的電平獲取方法，可得出圖2（a）所示的電力電子電路基本單元結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到一種半橋基本單元。如圖2（b）所示，該基本單元結(jié)構(gòu)由電容、可控開關(guān)管和反并聯(lián)二極管構(gòu)成，開關(guān)管S1和S2工作在互補(bǔ)狀態(tài)，反并聯(lián)二極管為電流提供了雙向通路，在輸出端VO可以得到0和E兩種不同的電平。通過基本單元的級聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的多電平電路。

1.2 二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二極管箝位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]首先由Nabea A、Akagi等學(xué)者于20世紀(jì)80年代首次提出。如圖3（a）所示，三電平二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由2個電容C1、C2，4個開關(guān)管S1、S2、S3、S4和2個箝位二極管D1、D2組成，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本單元可由半橋基本單元，及其簡化的基本單元構(gòu)成，如圖3（b）所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)半橋基本單元的開關(guān)管S2、S3存在同時(shí)導(dǎo)通的情況，因箝位二極管把該基本單元的輸入直流電平箝位為0，不存在不同直流電平之間短路問題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用二極管對相應(yīng)開關(guān)管進(jìn)行電壓箝位，同時(shí)保證電流雙向流通。每次橋臂只需動作一對開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)多電平輸出。在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力一致，但對電平數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，存在箝位二極管承受的反壓不同，越靠近內(nèi)側(cè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越長，以及母線電容均壓的問題，難以適用于可靠性要求較高的場合。

文獻(xiàn)[17]對二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二極管連接方式進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了箝位二極管之間多級電壓箝位，解決了二極管受壓不均的問題。文獻(xiàn)[18] 提出一種T型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示，采用2個反串聯(lián)的開關(guān)管來代替原有的箝位二極管，實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)電壓箝位，相比于二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了箝位二極管的使用，但開關(guān)管的串聯(lián)會帶來靜態(tài)、動態(tài)均壓的問題。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[19]對T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，如圖4（b）所示，采用逆阻型開關(guān)器件并聯(lián)來代替雙向開關(guān)，減小損耗。

文獻(xiàn)[20]提出一種五電平H橋二極管箝位型（H-bridge NPC，HNPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。采用2個二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級聯(lián)，其結(jié)構(gòu)與H橋相似，提高了系統(tǒng)等效開關(guān)頻率，變換器輸出諧波畸變率更小，整體效率更高。

為解決傳統(tǒng)NPC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的器件損耗不均，受壓不均的問題，并且達(dá)到提高變換器容量的目的，文獻(xiàn)[21]首先提出有源中點(diǎn)箝位型（active neutral point clamped，ANPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在NPC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用開關(guān)管代替原來NPC的箝位二極管。如圖6為五電平ANPC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由2個母線電容、1個懸浮電容和多個開關(guān)管組成，懸浮電容電壓為母線電容電壓的一半。懸浮電容的引入，使變換器的冗余開關(guān)數(shù)量增多，在電容均壓上有更大優(yōu)勢，但也使得控制的復(fù)雜程度。

為進(jìn)一步減少功率器件，增加變換器輸出電平數(shù)，文獻(xiàn)[22] 對比分析五電平ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和CHB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合，提出一種混合級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示，采用H橋?qū)NPC變換器進(jìn)行電平反轉(zhuǎn)，使得變換器能輸出九電平，實(shí)現(xiàn)電平數(shù)的翻倍。文獻(xiàn)[23]在ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流母線端多引入了1個母線電容進(jìn)行分壓，為逆變器多引入了1個中性點(diǎn)，如圖7（b）所示。這種結(jié)構(gòu)通過最優(yōu)零序電壓注入法和載波移相調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)母線電容和懸浮電容的電壓均衡。

文獻(xiàn)[24]在ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種雙重化有源中點(diǎn)箝位型（duo active neutral point clamped，DANPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)在直流母線電容的另一側(cè)并聯(lián)低頻半橋基本單元，在相同的電平數(shù)下相比ANPC變換器減少了一半的高頻開關(guān)，并且降低電容的受壓等級。

文獻(xiàn)[25]總結(jié)了近幾年的混合型ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出一種七電平帶升壓的ANPC（7L-Boost-ANPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9所示。相比于傳統(tǒng)的多電平變換器，具有升壓結(jié)構(gòu)，對母線電壓要求更低，可以實(shí)現(xiàn)更多電平輸出，同時(shí)減少了開關(guān)管和電容的使用。

1.3 飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電容箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[26]由T.A.Myenadr和H.Foch于1992年P(guān)ESC會議上首次提出。如圖10所示，三電平電容箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比三電平二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用懸浮電容代替箝位二極管，其主要作用是把開關(guān)管的電壓限制在箝位電容上，通過不同的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多電平輸出。利用基本單元分析法，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由半橋基本單元和飛跨電容單元組成。對比于二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不存在二極管均壓問題，開關(guān)選擇更加靈活，電平數(shù)更易擴(kuò)展，對于n級的電容箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要n-1個直流分壓電容和（n-1）（n-2）/2個懸浮電容，在電平數(shù)較多的情況下，需要大量的懸浮電容，雖然可以控制不同的開關(guān)狀態(tài)對懸浮電容電壓進(jìn)行均衡，但主電路懸浮電容過多，合理地選擇開關(guān)狀態(tài)變得非常困難。

為解決飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電容電壓控制困難的問題，文獻(xiàn)[27]結(jié)合電容箝位型拓?fù)渑c二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了具有電容電壓自均衡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖11所示，在懸浮電容電壓低于直流母線電容電壓時(shí)，直流母線電容會對懸浮電容進(jìn)行充電，直到兩者之間電壓均衡，使中性點(diǎn)電壓波動更小。文獻(xiàn)[28]采用半橋單元級聯(lián)，提出一種電容電壓自均衡的通用型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖12所示，在每級中，相鄰開關(guān)管互鎖，只要有一個開關(guān)狀態(tài)確定，同級的剩余開關(guān)狀態(tài)也隨之確定，鄰級之間的電容通過并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電壓自均衡，但擴(kuò)展所需的開關(guān)管數(shù)量和電容數(shù)量隨電平數(shù)的增加成倍上升。

為提高變換器效率，降低成本，實(shí)現(xiàn)更多電平輸出，文獻(xiàn)[29]結(jié)合了傳統(tǒng)電容箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和半橋基本單元，提出一種六電平混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖13所示，并且指出在高功率因數(shù)的情況下，變換器整體效率會更高，但存在母線電容電壓和懸浮電容電壓的不一致，造成開關(guān)管承受電壓應(yīng)力不一致的問題。

為進(jìn)一步減少開關(guān)管、懸浮電容使用數(shù)量，提高系統(tǒng)效率，降低整體成本，文獻(xiàn)[30]提出了一種新型雙重化飛跨電容型（double flying capacitor，DFC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖14（a）所示。在傳統(tǒng)的電容箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上增加2個低頻開關(guān)，使開關(guān)管和懸浮電容數(shù)量減少了一半，輸出的電平數(shù)提高了一倍，THD顯著降低。文獻(xiàn)[31]把DFC當(dāng)作基本單元，通過DFC級聯(lián)對電平數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，并且提出相應(yīng)的調(diào)制方法，使流過電容電流的均方根值減少，懸浮電容電壓波動更小。文獻(xiàn)[32]以減少懸浮電容為目的，在DFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)一步改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)的雙重化飛跨電容型（improved double flying capacitor，IDFC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖14（b）所示。在原本的DFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，再引入1對低頻開關(guān)和1個直流電源，使開關(guān)管數(shù)量和懸浮電容數(shù)量再次減少近一倍，相對于FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了近4倍的開關(guān)管和懸浮電容，進(jìn)一步減少變換器的體積和成本。文獻(xiàn)[33]提出與IDFC相似的四重化飛跨電容型（quadruple flying capacitor，QFC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖14（c）所示。相較于IDFC，改變了低頻開關(guān)管的連接方式，減少了低頻開關(guān)管的箝位電容電壓。

1.4 H橋級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要大量的懸浮電容、箝位二極管，造成電容電壓均壓困難、器件受壓不均等問題。相對于前兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，H橋級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加適用于中、高壓場合。H橋級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)首先由P.Hammond等學(xué)者于1988年提出[34]。此結(jié)構(gòu)由單個H橋基本單元串聯(lián)組成，每個H橋基本單元擁有單獨(dú)的直流電壓源，不存在均壓問題。如圖15所示，H橋基本單元由2個半橋基本單元組成，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)-E，0，E三種電平的輸出。H橋級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于其他多電平變換器具有單元承受電壓應(yīng)力小、冗余開關(guān)狀態(tài)多、控制方式靈活、易于封裝、電平數(shù)容易擴(kuò)展等優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是需要多個獨(dú)立電源或者多繞組移相變壓器，體積大，成本高。

模塊化多電平變換器[35]（modular multilevel converter，MMC）于2003年被A. Lesnicar和R.Marquardt首先提出，采用電壓等級較低的開關(guān)管和電容并連構(gòu)成子模塊，再通過子模塊級聯(lián)組成。如圖16所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地解決電壓等級對開關(guān)管的限制問題;除此之外，模塊化設(shè)計(jì)使電平數(shù)的擴(kuò)展極其容易，具有優(yōu)良的輸出特性、較好的故障恢復(fù)能力。MMC的獨(dú)特優(yōu)勢，使其在中、高壓大容量領(lǐng)域中得到快速發(fā)展。文獻(xiàn)[36]在MMC拓?fù)渖弦氲?個橋臂與并網(wǎng)端中性點(diǎn)連接，對零序電壓進(jìn)行直接控制，實(shí)現(xiàn)三相橋臂功率的分配，使變換器擁有輸出電流平滑，功率損耗小，諧波性能好等優(yōu)點(diǎn)。

為了進(jìn)一步減少M(fèi)MC開關(guān)損耗，文獻(xiàn)[37] 提出一種帶橋臂切換的多電平變換器（alternate arm multilevel converter，AAMC），如圖17所示。在MMC的上、下橋臂分別串聯(lián)IGBT管，每半個周期控制上、下橋臂交替投入，實(shí)現(xiàn)橋臂軟開關(guān)，降低了損耗，同時(shí)使變換器具有直流阻斷能力。

為提高能源利用率，文獻(xiàn)[38]把電池儲能技術(shù)引入MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用電池組代替子模塊的電容，實(shí)現(xiàn)了直流端、交流端、電池組之間的能量相互流通，達(dá)到能源消納目的，但儲能電池會在使用過程中老化，并且容易受到溫度影響，造成電池之間容量衰退程度、內(nèi)阻老化程度不一致，限制了變換器的容量。

為近一步減少開關(guān)器件和電池的使用，提升變換器整體效率，降低成本，文獻(xiàn)[39]提出一種混合級聯(lián)型多電平變換器（hybrid cascaded multilevel converter，HCMC）。如圖18（a）所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由半橋基本單元和H橋基本單元級聯(lián)構(gòu)成，半橋基本單元產(chǎn)生正弦半波，H橋進(jìn)行基波反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)交流多電平輸出。相較于儲能型MMC變換器減少了近一半的開關(guān)管和儲能電池，并且H橋工作在基頻和軟開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗小。文獻(xiàn)[40]把三電平FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為基本單元替換MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半橋基本單元，并且提出了一種通用、簡化、低成本的調(diào)制算法，進(jìn)一步提高了變換器效率。文獻(xiàn)[41]采用同樣的方法，將FC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與H橋并聯(lián)作為基本單元，通過基本單元級聯(lián)，提出混合多單元變換器（hybrid multicell converter，HMC），具有HCMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的效果，如圖18（b）所示。

文獻(xiàn)[42]提出一種具有電容電壓自均衡功能的新型二極管箝位型模塊化多電平變換器（diode clamped modular multilevel converter，DCMMC），在相鄰子模塊間串聯(lián)低功率二極管和電感，實(shí)現(xiàn)相鄰子模塊電容電壓自排序，減少了控制的復(fù)雜度，如圖19所示。 在MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半橋基本單元的電容側(cè)，加入電感和箝位二極管，當(dāng)半橋基本單元的開關(guān)管Sn關(guān)閉并且電容Cn的電壓大于電容Cn-1的電壓時(shí)，電容Cn就會通過二極管給電容Cn-1充電，直到電容電壓平衡，實(shí)現(xiàn)電容電壓的自排序，使電容電壓均衡控制策略上得到簡化。

1.5 開關(guān)電容型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)首先由文獻(xiàn)[43]提出，具有輸出電壓靈活調(diào)節(jié)與電容電壓自平衡的優(yōu)點(diǎn)，如圖20所示。開關(guān)電容基本單元由2個電容C1、C2和3個開關(guān)管S1、S2、S3級聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管S1和S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電容C1和電容C2形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，基本單元模塊輸出電壓為2E; 當(dāng)開關(guān)管S1和S3導(dǎo)通，S2關(guān)斷，電容C1和電容C2形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，基本單元模塊輸出電壓為E，此時(shí)，電容C1和電容C2之間存在閉合回路，電壓高的電容會對電壓低的電容充電，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)電容電壓自均衡。

文獻(xiàn)[44]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，提出一種升壓型帶開關(guān)電容的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖21所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)九電平輸出，并且具有電容電壓自均衡效果，減少了元器件的使用，使變換器效率更高，成本更低。

為解決開關(guān)管受壓不均的問題，文獻(xiàn)[45]對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整了開關(guān)器件位置，使開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力一致，提高了變換器可靠性，如圖22所示。文獻(xiàn)[46]對開關(guān)電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展，簡化了開關(guān)電容基本單元，通過基本單元級聯(lián)，再并聯(lián)H橋，實(shí)現(xiàn)基波反轉(zhuǎn)，減少了開關(guān)管的使用，實(shí)現(xiàn)更多電平輸出，如圖23所示。文獻(xiàn)[47]把開關(guān)電容基本單元通過電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了所有電容電壓的自均衡，解決了級聯(lián)存在的電容均壓問題，如圖24所示。

1.6 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工業(yè)中的應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用中，使用較多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為NPC、FC、CHB，其中NPC和FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能采用模塊化結(jié)構(gòu)，單個開關(guān)管承受電壓等級高，常用IGBT或IGCT作為開關(guān)器件，而CHB型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用模塊化級聯(lián)的方式，單個子模塊承受電壓應(yīng)力較低，常采用MOFET，SiC，IGBT作為開關(guān)器件。這3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在工業(yè)上應(yīng)用較少，大部分停留在實(shí)驗(yàn)階段。

NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用于背靠背結(jié)構(gòu)，使用器件少，但電平數(shù)較多時(shí)，中性點(diǎn)電位平衡困難，不易擴(kuò)展，普遍適用于低中壓、小容量場合;以此衍生的ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制策略更加復(fù)雜，大多用于小容量場合;FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)制策略豐富、輸出電能質(zhì)量高，但維持懸浮電容電壓平衡時(shí)，需要較高的開關(guān)頻率， 耗損較大，控制策略復(fù)雜，適用于小容量場合，工業(yè)應(yīng)用較少;CHB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電平數(shù)易擴(kuò)展，模塊化程度高，需要開關(guān)器件少，通過子模塊級聯(lián)可實(shí)現(xiàn)更高的電壓和容量，常用于中高壓、大容量場合。

現(xiàn)在多電平變換器生產(chǎn)商主要為：ABB、Siemens、GE等。表1為NPC、FC、CHB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其衍生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工業(yè)上的應(yīng)用;表2為各個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出五電平時(shí)，使用的元器件數(shù)量及控制復(fù)雜程度。

2 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展方向

2.1 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用基本單元分析法可以透過復(fù)雜的表面看本質(zhì)，有利于發(fā)現(xiàn)新的基本單元結(jié)構(gòu)，提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)質(zhì)上，大部分多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是由基本單元的級聯(lián)構(gòu)成，例如：MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通用型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，通過替換或增加不同的基本單元可以得到不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11]采用開關(guān)電容基本單元代替ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的飛跨電容基本單元，如圖25所示，得到新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保留了開關(guān)電容基本單元的電容電壓自均衡特點(diǎn)，同時(shí)增加了變換器的輸出電平數(shù)，減少了控制的復(fù)雜度。

通過替換不同的基本單元或者增加新的基本單元，能簡單、快捷地獲得新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且不同的基本單元具有不同的輸出特點(diǎn)和控制特點(diǎn)，可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，構(gòu)建滿足不同場合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 軟開關(guān)技術(shù)

多電平變換器隨著電平數(shù)的增加，使用的開關(guān)管也會隨之增加，開關(guān)損耗成為不可避免的問題，采用軟開關(guān)技術(shù)可以提升變換器的整體效率，降低損耗，是多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向。文獻(xiàn)[48]給出了2種開關(guān)電容諧振單元，分別為開關(guān)電容諧振單元和開關(guān)電感諧振單元，如圖26所示，指出可以運(yùn)用諧振單元的對偶性特性進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。一般諧振單元多用于DC/DC變換電路，并且在開關(guān)電容型諧振單元中較為常見，在多電平變換器上的應(yīng)用有待普及。

文獻(xiàn)[49]提出一種基于軟開關(guān)技術(shù)的模塊化多電平變換器，如圖27所示，可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，并且對輸出端多電平電壓波形影響較小。文獻(xiàn)[50]提出一種帶開關(guān)電容諧振單元的四電平降壓型軟開關(guān)DC/DC變換器，如圖28所示，所有的開關(guān)管和二極管都可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，提高了變換器整體效率。

3 結(jié) 論

1）本文的基本單元分析法是獲取基本單元的具體方法，可分別從多電平電路原理、電平獲取方式、多電平電路特征，得到具有不同特性的基本單元，構(gòu)建滿足不同場合、不同需求的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2）分別從4種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，總結(jié)了常見的幾種基本單元結(jié)構(gòu)，并指出了國內(nèi)外多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸出的電平數(shù)量、器件使用數(shù)量、器件受壓等級等方面的發(fā)展趨勢。

3）多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在軟開關(guān)上的新思路，分別從DC/DC變換器和多電平變換器兩方面進(jìn)行舉例說明，為新拓?fù)涞难芯刻峁┝朔较颉?/p>

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（編輯：劉素菊）

收稿日期： 2020-04-17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51677106）;國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目（SGJNSJ00JZJS1900080）

作者簡介：李永東（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦咝阅?、大容量交流電機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用，交流電機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，高壓大容量變換器及其在節(jié)能、高鐵牽引和船舶推進(jìn)、多電飛機(jī)中的應(yīng)用等;

徐杰彥（1973—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理及綜合能源服務(wù);

楊涵棣（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嚯娖阶儞Q器、電力電子設(shè)備及其控制;

程志江（1977—），男，副教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)及儲能控制系統(tǒng);

石坤宏（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線能量傳輸、電力電子設(shè)備及其控制;

許 烈（1980—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

通信作者：楊涵棣