關(guān)鍵詞：三電平；單元串聯(lián)多電平；應(yīng)用

    About multi-level high-voltage converter topology of the two TANG Xing Long LIU Hui Kang XIONG Wen SUN Kai（Wuhan University of Science and Technology College of Information Science and Engineering,Wuhan Hubei 430081）Abstract: With high voltage inverter, since its birth in the energy-saving and environmental protection reflects the high value, it also caused a lot of academics for research. In this paper, the multi-level high-voltage converter topology of the two main structure and principles for analysis.Key words: Level 3; Series multi-level unit; Application

1  前言

    對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)，我們?nèi)绻捎脗鹘y(tǒng)的三相六拍的結(jié)構(gòu)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，由于電壓過(guò)高，加上電力電子器件開(kāi)關(guān)速度的提高，這樣開(kāi)關(guān)器件輸出的 值就會(huì)很大。由于電動(dòng)機(jī)的繞組的中性點(diǎn)是不接地的，電動(dòng)機(jī)每繞組對(duì)地存在分布電容，輸出電壓的變化相當(dāng)于電容兩端電壓的變化，即對(duì)電容的頻繁充放電，充放電對(duì)電動(dòng)機(jī)定子繞組的絕緣將造成沖擊，而且 越大，沖擊也越大。電壓輸出端的電壓諧波很容易引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱而造成電機(jī)的損壞，再加上由于電力電子器件本身制造的原因很難達(dá)到我所需要的6KV或10KV的高壓所以就必須對(duì)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

    多電平變換器最早引起研究者的興趣是在1980年的IEEEIAS年會(huì)上，日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Naba。等人提出了中性點(diǎn)鉗位型（Neutral Point Clamped-NPC）的三電平電路結(jié)構(gòu)[1]?；舅枷胧峭ㄟ^(guò)一定的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得多級(jí)階梯波形輸出來(lái)等效正弦波。由于多電平變換器對(duì)功率逆變器件和控制電路要求都很高，最初并未受到太多關(guān)注。直到90年代，隨著GTO, IGBT的成熟應(yīng)用和IGCT, IEGT等新型全控型器件的先后出現(xiàn)，以及以DSP為核心的高性能數(shù)字控制技術(shù)的普及，多電平變換器的研究和應(yīng)用才有了迅猛發(fā)展。目前已提出多種多電平電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)主開(kāi)關(guān)器件的電壓鉗位方式，可將其分為二極管鉗位型（Diode Clamped，又稱中性點(diǎn)鉗位型NPC）、電容鉗位型（Capacitor Clamped）和單元級(jí)聯(lián)型（Cascaded Multicell）三類[2]。

2  三電平變頻器及其派生的方案

    2.1  三電平變頻器的工作原理

    圖1所示是三電平逆變器單相的逆變部分的結(jié)構(gòu)圖 ，圖中S1～S4是逆變器件的器件，逆變器件可以是GTO、IGBT或IGCT管。V1～V4是逆變器件的續(xù)流二極管，V5和V6是鉗位二極管，為了平衡的電路，所有的二極管在選用時(shí)必須有相同的功率和相同的耐壓等級(jí)。而電容Ed的作用是濾去整流電壓所產(chǎn)的諧波使得到的直流電壓相對(duì)比較穩(wěn)定，C點(diǎn)是中心點(diǎn)，是基點(diǎn)的參考電壓。

    通過(guò)對(duì)S1～S4功率逆變器件的開(kāi)通和關(guān)斷的控制，即可以輸出三種不同的電平，當(dāng)S1、S2開(kāi)通時(shí)輸出+Ed的電壓，當(dāng)S2、S3開(kāi)通時(shí)輸出的電壓為0，當(dāng)S3、S4開(kāi)通時(shí)則輸出-Ed的電壓，由原理圖可知在輸出端能夠輸出三種不同的電壓，所以把這種變頻器叫做三電平變頻器。對(duì)S1～S4的開(kāi)通時(shí)間進(jìn)行控制則能近似的輸出需要的正弦可調(diào)的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，即SPWM調(diào)制變頻方式。我們可以建立如表1所示的工作狀態(tài)表。

    表1 各開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)

    根據(jù)以上的原理，我們用12只全控的逆變器件加箝位二極管就可以組成三相的三電平電壓型變頻器。如下圖2所示為三相三電平變頻器的原理結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)橛泄餐幕c(diǎn)所以又稱為中心點(diǎn)箝位變頻器。

    根據(jù)逆變器單相逆變器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)可知逆變器共有P、O、N三種穩(wěn)定的工作狀態(tài)?，F(xiàn)在我們對(duì)逆變器件按單脈沖延時(shí)α角觸發(fā)來(lái)對(duì)逆變器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行控制進(jìn)行輸出電壓濾形的研究，若變頻器對(duì)三相Y形阻性負(fù)載供電，圖3是單相輸出的電壓形式，圖4是負(fù)載的連接圖。

    若假定負(fù)載的中點(diǎn)為O＇，電源逆變箝位中心點(diǎn)為O則可以用負(fù)載的相電壓U_AO＇如下的公式表示出：

    公式中表示O＇與箝位中點(diǎn)的O的電位差。為了保證逆變器件的觸發(fā)導(dǎo)通，我們這里設(shè)定觸發(fā)的延遲角為：， 即。A、B、C三相的觸發(fā)控制角相差120°，即。則我們可知三相端口各自的輸出電壓，表2.5是它們?cè)诓煌瑫r(shí)刻的輸出的電壓表。

    表2 一周期內(nèi)三相三電平輸出端的各相電壓

    根據(jù)表2和式（1）列出A相一個(gè)周期內(nèi)的電壓區(qū)間式子則有：

    以上所求的為A相在上半個(gè)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)的輸出電壓，下半個(gè)周期內(nèi)輸出的電壓大小絕對(duì)值相等，只是電壓的方向剛好相反，依次為0、-2/3E_d、-E_d、4/3E_d、-E_d、-2/3E_d、，三相電各個(gè)輸出中，B相，C相分別滯后A相2TT/3和4TT/3。B相的輸出電壓也是每∏/3就發(fā)生一次變化。根所上面所求的U_AO＇和U_BO＇就可以得到輸出端兩相之間的線電壓U_AB，如表3所示。

   表3 線電壓的輸出電壓表

    根據(jù)表3我們可以畫(huà)出A、B兩相之間的電壓輸出波形圖：

    由波形圖5我們可以看出，輸出的線電壓的波形相似于正弦波形，但在接入電機(jī)前必須進(jìn)行電抗器和電容進(jìn)行濾波才能達(dá)到電機(jī)輸入電壓的控制要求，由于直接輸出端的電壓諧波比較大，所以三電平變頻器必須有合理的濾波電路才能再對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)的控制。通對(duì)單脈沖的控制我們可以看出，如果對(duì)三電平變頻方式進(jìn)行SPWM方式變頻控制則輸出的電壓波形將進(jìn)一步逼近正弦波。當(dāng)然其濾波還是很大，必須接于較大的電抗器或者電容來(lái)減少諧波后對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制以免諧波的影響而損壞電機(jī)。

     2.2  三電平變頻的派生方案
  
   （1）二極管鉗位型多電平

    在1983年的IAS年會(huì)上，A.Bhagwat等人進(jìn)一步將三電平推廣到任意多電平結(jié)構(gòu)。[3]如圖6所示為采用二極管鉗位結(jié)構(gòu)的五電平變頻器，其原理與三電平變頻器大同小異，只是輸出電壓的臺(tái)階數(shù)更多、波形更好，在相同器件耐壓下，可輸出更高的交流電壓，適合做成更高電壓等級(jí)的變頻器，但器件的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增加了。

    二極管鉗位式五電平變頻器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及輸出電壓如下表所示：

表4 二極管鉗位式五電平變頻器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及輸出電壓

    通過(guò)分析可知。二極管鉗位型多電平電路的主要特點(diǎn)是：

    ①采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)的全控器件進(jìn)行鉗位來(lái)解決器件的均壓?jiǎn)栴}。M電平電路每相橋臂需全控型器件2（M-1）個(gè)。需要使用大量鉗位二極管，使七電平以上的NPC電路失去了實(shí)用價(jià)值。

    ②直流側(cè)采用電容分壓形成多級(jí)電平，不需要結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的曲折聯(lián)結(jié)變壓器。M電平電路需M-1個(gè)分壓電容，在控制上需解決電容電壓不平衡問(wèn)題。

    ③ 每相橋臂開(kāi)關(guān)管的工作頻率不同，中間開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外側(cè)開(kāi)關(guān)管，負(fù)荷較重。這樣很容易造成總是燒壞中間的開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)器件的控制復(fù)雜，使得七電平以上的在實(shí)際應(yīng)用很難進(jìn)行控制。

   （2）電容鉗位型多電平

    電容鉗位的飛跨電容型（Flying Capacitors）多電平電路是由T.A.Meynard等人在1992年的PESC年會(huì)上提出的[4]。電容鉗位型五電平電路如圖7所示。飛跨電容型多電平電路的主要特點(diǎn)是：

    ① 采用跨接在開(kāi)關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進(jìn)行鉗位，M電平電路每相橋臂需（M-1）（ M-2）/2個(gè)鉗位電容，直流側(cè)分壓電容與二極管鉗位型電路相同。

    ② 開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇比二極管鉗位型電路具有更大的靈活性，有利于平衡開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間和電容電壓。

    ③ 由于直流濾波電容體積大、成本高、使用壽命較短，其實(shí)用價(jià)值不如二極管鉗位型電路。

    近年來(lái)又有幾種基于上述兩種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)電路被提出，其中具有代表性的是F. Z. Peng等人在IEEE IAS2000會(huì)議上提出的鉗位型多電平電路的統(tǒng)一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5] ，圖8為其單相電路圖。二極管鉗位型和電容鉗位型電路都可以從這一電路拓?fù)渫茖?dǎo)得出，并且該電路可以實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的自動(dòng)平衡。

    2.3  單元串聯(lián)多電平高壓變頻器

    為了增加電平數(shù)以提高輸出電壓等級(jí)，進(jìn)一步減小高次諧波含量，M.Marchesoni等人在1988年的PESC年會(huì)上提出了H橋級(jí)聯(lián)的多電平逆變電路。如圖9是單元串聯(lián)七電平的電路圖。

    單元級(jí)聯(lián)多電平變頻器采用若干個(gè)低壓功率單元串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，這種電路的結(jié)構(gòu)和方法很容易實(shí)現(xiàn)向更多電平數(shù)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更高電壓的輸出。單元級(jí)聯(lián)多電平的主要特點(diǎn)是：

    ①每相由N個(gè)H單元級(jí)聯(lián)而成，逆變電路輸出相電壓電平數(shù)M=2N+1，由于各個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)相同，易于模塊化設(shè)計(jì)和封裝；當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障，可將其旁路，而其余功率單元可繼續(xù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行的可靠性。

    ②直流側(cè)全采用獨(dú)立電源供電，不需要鉗位器件，不存在電壓均衡問(wèn)題。若直流電由三相不可控整流電路供電時(shí)，整流側(cè)需多繞組曲折聯(lián)結(jié)變壓器（移相變壓器），增大了裝置體積，但采用多重化整流減小了輸入側(cè)電流諧波。

    ③按某一定特定規(guī)律分別對(duì)每一個(gè)功率單元進(jìn)行控制，各功率單元波形疊加即可得到多電平輸出，控制方法比鉗位型電路對(duì)各橋臂的整體控制簡(jiǎn)單，并且易于擴(kuò)展更高的電壓輸出。

    盡管功率單元級(jí)聯(lián)多電平高壓變頻器需要大量的隔離直流電，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)還是具較高的性能，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中有也較多采用該種結(jié)構(gòu)。從90年代初開(kāi)始，多電平逆變器在高壓、大功率方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在減小電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功方面有著良好的應(yīng)用前景。多電平逆變器不僅可以降低開(kāi)關(guān)器件的電壓額定值，而且大大改善了逆變器的輸出波形，降低了輸出電壓的諧波畸變率。

3  多電平變頻器的應(yīng)用

    經(jīng)過(guò)多年的研究，多電平逆變器的主電路拓?fù)湓诶碚撋弦呀?jīng)基本完備。在各種拓?fù)渲?，已能獲得實(shí)際應(yīng)用的是二極管嵌位式三電平逆變器和等電壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)式逆變器。二極管嵌位式三電平逆變器的代表產(chǎn)品有：ABB公司的ACSI00系列高壓變頻器和GE公司的INNOVATION系列高壓變頻器，它們都是基于IGCT的三電平電路構(gòu)成，但電壓最高只能應(yīng)用于4KV的電壓等級(jí)，并且高次諧波含量仍然較大。級(jí)聯(lián)式逆變器的代表產(chǎn)品為美國(guó)羅賓康公司的完美無(wú)諧波高壓變頻器。北京利德華福公司的Harsvert-A系列高壓變頻器，使用的功率開(kāi)關(guān)器件是IGBT，最高可以應(yīng)用于lOKV電壓等級(jí)。在電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域也已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用，ALSTOM公司于2000年研制了世界上首臺(tái)基于級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)的士75Mvar STATCOM，用于提高英國(guó)北部向南部送電的傳輸功率。我國(guó)清華大學(xué)和上海電力公司正在合作研制基于IGCT級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)的士50Mvar STATCOM。多電平逆變器在大功率電源、大功率電力有源濾彼等方面的研究工作也了已經(jīng)展開(kāi)。

4  小結(jié)

    本文對(duì)現(xiàn)有高壓逆變中應(yīng)用較多的幾中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的分析，并指出這幾種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用上的特點(diǎn)。多電平高壓變頻器具有調(diào)速精度高，功率因素高，完美無(wú)諧波且節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)，值得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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    [3] 單慶曉,李永東,判孟春.級(jí)聯(lián)型逆變器的新進(jìn)展.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004（2）1-9
    [4] 吳洪祥,何湘寧.級(jí)聯(lián)型多電平變換器PWM控制方法的仿真研究,中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21（4）:42.4
    [5] 丁凱,鄒云萍,張賢,等.級(jí)聯(lián)多電平逆變器研究,電力電子技術(shù),2002,36（2）:26-28