串聯(lián)堆積式多電平變換器運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：在比較分析三種多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)其中串聯(lián)堆積式多電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出它固有自平衡、自穩(wěn)定以及低開關(guān)電壓應(yīng)力的運(yùn)行特性，因而將會(huì)廣泛地應(yīng)用于高壓變換器中。

關(guān)鍵詞：多電平；變換器；高壓

1? 前言

??? 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電能變換裝置的要求越來越高。近年來，多電平技術(shù)在電力電子的應(yīng)用中得到了廣泛的重視。它可以用于整流、逆變以及直流斬波等多種能量變換電路中。歸納起來，多電平主要有以下幾方面特點(diǎn)：

??? 1)在整流或逆變電路中，采用多電平技術(shù)可以使輸入或輸出電流近似正弦波，大大減小了諧波污染，提高了功率因數(shù)；

??? 2)多電平的引入可以使開關(guān)器件的電壓額定值成倍減低，使低壓開關(guān)管能夠應(yīng)用于高壓場(chǎng)合中；

??? 3)箝位多電平技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)均衡分壓，并且限制dv/dt，抑制電磁干擾影響；

??? 4)在DC/DC變換中可以將準(zhǔn)諧振軟開關(guān)與多電平技術(shù)相結(jié)合，減小開關(guān)損耗，提高效率；

??? 5)多電平技術(shù)使變換器模塊化成為可能，提高額定容量，增加冗余。

??? 基于以上特點(diǎn)，多電平技術(shù)未來將會(huì)在電力電子技術(shù)的發(fā)展中起到重要作用。以下將在比較研究串級(jí)式多電平(cascade multi-level)、箝位二極管式多電平(diode clamp multi-level)和串聯(lián)堆積式多電(series-stacked multi-level)三種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制方式基礎(chǔ)上，對(duì)串聯(lián)堆積式多電平變換器工作特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2? 三種多電平變換器分析比較

2.1? 串級(jí)式多電平變換器

??? 串級(jí)式多電平變換器如圖1所示，是將多個(gè)功率變換器模塊串聯(lián)后直接給負(fù)載供電。

??? 從圖1可見，串級(jí)式多電平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，串聯(lián)的每個(gè)功率變換器僅向負(fù)載提供一部分電壓，從而即提高了輸出電壓等級(jí)，并且可以使變換器產(chǎn)生多級(jí)電平輸出。在控制過程中，它不需要對(duì)各模塊內(nèi)部進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，而由主輸出閉環(huán)控制器對(duì)模塊工作進(jìn)行監(jiān)控。

圖1? 串級(jí)式多電平變換器

??? 該電路拓?fù)涞囊粋€(gè)重要特點(diǎn)是它需要多級(jí)隔離母線，因而適用于如蓄電池等輸入隔離的電源場(chǎng)合，一般用于低頻（電源基頻）變換中。

2.2? 箝位二極管式多電平變換器

??? 圖2為一典型的箝位二極管式多電平變換器拓?fù)?。箝位二極管式多電平變換器是直接在高壓直流電源側(cè)并聯(lián)多級(jí)串聯(lián)電容及箝位二極管來減小功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

圖2? 箝位二極管式五電平變換器拓?fù)?/font>

??? 該種變換器非常適合于三相功率因數(shù)校正電路，因?yàn)檫@時(shí)電路直流側(cè)Vdc的電壓一般為750～800V，甚至達(dá)到1000V。這就要求大幅度地提高PFC后級(jí)直流變換器電壓額定值，成本大幅度地上升。串級(jí)式多電平變換器拓?fù)渚涂筛鶕?jù)已有的開關(guān)器件，成倍地減小開關(guān)電壓應(yīng)力，例如原來必須采用1000V開關(guān)器件的，現(xiàn)在三電平變換器拓?fù)浜笾豁?00V開關(guān)管就足夠了，降低了成本，滿足了實(shí)際需要。因此目前，在中高電壓大功率DC/DC變換器中，主要采用三電平變換器拓?fù)洹?

??? 但該種變換器在高于三電平時(shí)，電路拓?fù)浼翱刂戚^復(fù)雜。

2.3? 串聯(lián)堆積式多電平變換器

??? 串聯(lián)堆積式多電平變換器如圖3所示，它可以看做串級(jí)式多電平變換器和箝位二極管式多電平變換器的組合，即利用后者直流高壓電源側(cè)并聯(lián)多級(jí)串聯(lián)電容降低各輸入變換器電壓應(yīng)力，又利用前者多個(gè)功率變換器模塊串聯(lián)來產(chǎn)生多級(jí)電平輸出，因而兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，所不同之處在于它的各變換器模塊之間需通過變壓器耦合后再對(duì)負(fù)載供電。

圖3? 串聯(lián)堆積多電平變換器

??? 此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用了分散邏輯控制方法^[1]。與多級(jí)串級(jí)式多電平變換器相比，無須利用多光纖來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)以及為減少各模塊之間的共模電壓干擾對(duì)被測(cè)各模塊的電壓和電流進(jìn)行隔離。在分散控制中，僅需一條光纖傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)，每一模塊可以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電壓和電流，減小了模塊之間的共模電壓干擾。因此提高了系統(tǒng)的可靠性。

3? 串聯(lián)堆積式多電平變換器實(shí)驗(yàn)研究

??? 實(shí)驗(yàn)電路是一臺(tái)單相串聯(lián)堆積式三電平逆變器，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)電路主要參數(shù)如表1所列。

表1? 實(shí)驗(yàn)電路主要參數(shù)