一種改進的級聯(lián)型多電平變換器拓撲

陳阿蓮，何湘寧，趙榮祥

（浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

??? 摘? 要：該文提出了一種改進的級聯(lián)型多電平變換器，它可以由任意個H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。其中的H-橋可以是兩電平，也可以是二極管箝位型或電容箝位型的任意電平，不同單元采用不同的獨立直流電壓源。相對于傳統(tǒng)的級聯(lián)型拓撲，在得到相同輸出電平的情況下，新拓撲可以使用較少數(shù)量的開關(guān)器件和較少數(shù)量的獨立電壓源，從而簡化電路，降低成本。該文以兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯(lián)構(gòu)成的拓撲為例進行了分析研究和仿真驗證。
????? 關(guān)鍵詞：級聯(lián)型多電平變換器；H-橋；混合

1? 引言
?????? 在多電平變換器的三種基本拓撲中，級聯(lián)型拓撲相對于二極管箝位型和飛跨電容型五電平變換器來說，具有需要最少數(shù)量的器件、不需要大量的箝位二極管和飛跨電容、易于模塊化和易于采用軟開關(guān)技術(shù)等優(yōu)點，被認為是較適合于電網(wǎng)接口的變換器^[1]。圖1是傳統(tǒng)的級聯(lián)型三電平變換器單臂電路，它由2個兩電平H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。

??? 為了增加輸出電壓的電平數(shù)和提高波形質(zhì)量，越來越多的學者提出了改進的級聯(lián)型拓撲。文[2]對不同單元采用不同耐壓和功率等級的功率器件并對每個H-橋單元使用不同的直流電壓，從而用少量的級聯(lián)單元實現(xiàn)盡可能多的電平數(shù)，降低了系統(tǒng)成本。這一改進拓撲被稱之為混合型多電平變換器。文[3]將由任意電平的二極管箝位型H-橋單元相串聯(lián)所構(gòu)成的拓撲稱為“通用級聯(lián)型變換器拓撲”。而本文認為該“通用”存在很大的局限性，它不能包括所有以飛跨電容型作為基本單元的級聯(lián)型拓撲。本文采用基本單元的概念和基于基本單元并串聯(lián)組合生成任意多電平變換器的思想^[4]，對由兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯(lián)構(gòu)成的拓撲進行了分析和仿真，并得出一定的結(jié)論。
2? 2-H/3-H級聯(lián)型拓撲的結(jié)構(gòu)及工作原理
?????? 2-H/3-H級聯(lián)型拓撲的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由1個兩電平H-橋單元和1個飛跨電容型三電平H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。當2個單元的直流電壓按照最大擴展原則來確定時，可獲得最大電平數(shù)的輸出。最大擴展原則如下所述^[5]：對于由m個單元級聯(lián)構(gòu)成的多電平變換器，若每個單元能輸出的最大電平數(shù)為n_j（j=1，2，…，m），那么當各個單元的直流電壓按式(1)設(shè)置時，可得到最大電平數(shù)的輸出n，如式(2)

???? 當2個單元均為2-H橋時，級聯(lián)構(gòu)成的拓撲即為圖1所示的傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)。這2個單元輸出的最大電平數(shù)均為3。利用最大擴展原則，當V_dc2/V_dc1=1/3時，可得到最大電平數(shù)的輸出n=3×3=9。在混合多電平變換器（結(jié)構(gòu)同圖1）研究的基礎(chǔ)上，為了得到更大電平數(shù)的輸出，最近有些文獻^[6,7]把混合多電平變換器各個單元的直流電壓比由1:2:2²:…:2^N改為1:3:3²:…:3^N。這只是針對該特定的拓撲結(jié)構(gòu)給出的結(jié)論，可看作是利用最大擴展原則的一個特例。而利用最大擴展原則確定各個單元的直流電壓比，可以很容易得到最大電平數(shù)的輸出。

??? 在圖2的拓撲中，3-H單元能輸出5個電平，即n₁=5，2-H單元能輸出3個電平，即n₂=3，當2單元的直流電壓比V_dc2/V_dc1=1/6時,可得到n=5×3=15電平的最大電平數(shù)輸出。若2-H單元和3-H單元的直流電壓分別為E和6E，則2-H單元輸出E、0、-E 3個電平，3-H單元輸出6E、3E、0、-3E、-6E 5個電平，2單元的輸出疊加，可得到15電平的輸出。表1列出了該拓撲15個輸出電平及2個單元分別的輸出。

??? 特別是，對于V_o的某些電平，要求V_o1、V_o2輸出正負相反的電平，這樣會產(chǎn)生電流回灌，使直流側(cè)電壓上升過高而得不到期望的輸出。為了解決此問題，可以對2單元使用由全控器件構(gòu)成的有源整流，如圖3所示。圖中使用單相整流器可以節(jié)省器件，簡化控制。通過采用電流、電壓雙環(huán)控制的方法^[8]，可以保證級聯(lián)型逆變器的輸入電壓恒定。另外，有源整流器既可以作為有源濾波器消除諧波，提高功率因數(shù)；又可以作為有功控制器，將部分功率回饋到電網(wǎng)。圖3是一種具有能量再生能力的變換器系統(tǒng)，它能實現(xiàn)能量在電網(wǎng)和負載之間的雙向流動，特別適合用于大功率的再生負載。

??? 表2給出了在輸出15電平的情況下，該改進的級聯(lián)型拓撲與傳統(tǒng)的幾種多電平拓撲所需元件數(shù)的比較。

??? 從表中可以看出，二極管箝位型需要大量的箝位二極管，飛跨電容型需要大量的飛跨電容，傳統(tǒng)級聯(lián)型需要大量的獨立電壓源，并且這三種拓撲都需要數(shù)量較多的開關(guān)器件。2-H/3-H級聯(lián)型拓撲需要最少數(shù)量的元件，如果構(gòu)成三相系統(tǒng)，這種優(yōu)越性會更明顯。
3? 2-H/3-H級聯(lián)型拓撲的調(diào)制方法
?????? 一種拓撲必須要通過合適的調(diào)制方法，才能得到期望的輸出電平。圖2所示拓撲可采用混合調(diào)制^[9]的調(diào)制方法。對于該拓撲，除了要得到期望的輸出電平，還必須要考慮3-H單元箝位電容的電壓平衡。在此，對3-H單元在低頻下采用相移PWM^[10]，以利用飛跨電容型電路的開關(guān)狀態(tài)冗余特點來保證電容電壓平衡；而對2-H單元在高頻下采用單極性PWM。其中，2-H單元的調(diào)制信號由3-H單元的參考信號減去其輸出而得到，載波信號為高頻三角波。這樣，總的輸出電壓就由2個單元的輸出疊加得到，總的諧波也是2個單元的輸出諧波之和。2個單元的載波和調(diào)制信號如圖4所示。

4? 仿真驗證
?????? 用2-H/3-H級聯(lián)型拓撲的單臂構(gòu)成1個單相半橋逆變電路，2單元的直流電壓比取為1:6，采用前面所述的混合調(diào)制方法進行了仿真研究。其中3-H單元的載波頻率取為50Hz，2-H單元的載波頻率取為3kHz，負載由100W的電阻、50.1H的電感串聯(lián)構(gòu)成。圖5為2單元分別的輸出及總的相電壓、相電流輸出波形，圖6為相應的頻譜?？梢钥闯?，3-H單元輸出5個電平，2-H單元輸出3個電平，2個單元的輸出疊加得到總的相電壓，輸出為15個電平。并且，總的相電壓的頻譜為2個單元輸出電壓頻譜之和，仿真結(jié)果與分析一致。此時的相電壓和相電流的THD值分別為15.02% 和6.96%，而傳統(tǒng)的級聯(lián)型拓撲在采用相移PWM，載波頻率也取為3kHz下輸出相同電平時，電壓和相電流的THD值分別為31.85%和11.27%。

5? 結(jié)論
??? 本文提出的改進級聯(lián)型多電平變換器拓撲，在得到相同電平數(shù)輸出的情況下，比傳統(tǒng)級聯(lián)型拓撲需要較少數(shù)量的H-橋單元。因此，會節(jié)省大量的開關(guān)器件和獨立電壓源，從而簡化電路，降低成本。并且，通過采用合適的調(diào)制方法，輸出電壓的諧波含量會大大小于傳統(tǒng)級聯(lián)型拓撲的諧波含量。本文以2-H/3-H級聯(lián)拓撲為例進行了分析和仿真，更多的拓撲可以由任意個任意電平的任何類型的H-橋單元級聯(lián)構(gòu)成。3個相同的單相電路通過Y或Δ連接可以方便地構(gòu)成三相系統(tǒng)。

參考文獻

[1]? Lai Jinsheng，Peng Fengzheng．Multilevel converters——a new breed of converters [J]．IEEE Trans. on Industry Applications，1996， 32(3)：509-517．
[2]? Manjrekar M D，Steimer P K，Lipo T A．Hybrid multilevel power conversion system: A competitive solution for high power applications [J]．IEEE Trans. on Industry Applications，2000，36(3)：834-841．
[3]? Corzine Keith，F(xiàn)amiliant Yakov．A new cascaded multilevel H-bridge drive [J]．IEEE Trans. on Power Electronics．2002，17(1)：125-131．
[4]? 吳洪洋（Wu Hongyang）．多電平變換器及其相關(guān)技術(shù)研究（Multilevel conversion techniques and control methods）[D]．浙江：浙江大學（Zhejiang：Zhejiang University），2001．
[5]? Covzine K A，Sudhoff S D．High state count power converters: an alternative direction in power electronics technology [C]．Aerospace Power Systems Conference，1998：124-135．
[6]? 齊悅，楊耕（Qi Yue，Yang Geng）．基于多電平變換逆變電路的拓撲分析（The topology analysis of the multilevel inverter）[J]．電機與控制學報（Electric machines and control），2002，6(1)：74-79．
[7]? Rech C，Pinheiro H，Grunding H A，et al．Analysis and comparison of hybrid multilevel voltage source inverters [A]．IEEE Proceeding of PESC [C]．2002：491-496．
[8]? Rodriguez J，Moran L，Pontt J，et al．High-voltage multilevel converter with rege-neration capability[J]．IEEE Trans. on Industrial Electronics，2002，49(4)：839-845．
[9]? McGrath B P，Holmes D G，Manjrekar M，et al．An improved modulation strategry for a hybrid multilevel inverter[A]．IEEE Proceeding of IAS[C]．2000：2086-2093．
[10]???吳洪洋，何湘寧（Wu Hongyang，He Xiangning）．級聯(lián)型多電平變換器PWM控制方法的仿真研究（Research on PWM control of a cascade multilevel converter）[J]．中國電機工程學報（proceedings of the CSEE），2001，21(8)：42-46．