不同电压比的混合多电平逆变器拓扑和控制策略分析

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1、《冶金自动化》2004年增刊不同电压比的混合多电平逆变器拓扑和控制策略分析江友华，曹以龙，龚幼民(上海大学自动化系，上海200072)[摘要]多电平变换器是近年来高压、大功率应用领域的一个研究热点，其相应的PWM控制方法是一个重要的研究方向。本文针对级联型多重化需要很多独立的直流电压源的缺点，提出一种按照最大延伸定理来分配不同电压比的控制方式，可以在不增加直流电压源的情况下，增加输出电平数量，从而提高波形质量，减少谐波。最后通过仿真加以验证和分析。[关键词]多电平逆变器；移相SPWM技术；拓扑0引言近年来，在高压大功率应用场合，

2、特别是在电力系统、冶金自动化等领域，一种新型的多电平变换器受到越来越多的关注。从目前所见到的各种主电路拓扑结构来看，最终可归结为3种基本的拓扑结构：①二极管箝位(Diode—clamp)；②飞跨电容(Flying—capacitor)；③具有独立直流电源的级联逆变器(Cascaded--inverterswithseparateDCsources)。其中第3种拓扑结构发展前景比较大，在国外被称为“完美无谐波”变换器。因为这种拓扑结构具有以下优点：①使用串联的方法可以将耐压低、开关频率也不高的功率器件直接应用到高压大功率场合；②由

3、于电路基于单元串联结构，每个单元的控制逻辑都是独立的，从而解决了中点钳位逆变电路在电平数增加时，开关逻辑越来越复杂的问题；③由于各单元互相隔离，串级电路结构不存在静、动态均压问题。然而串级电路结构的缺点也比较明显，即电路的每个基本单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。虽然使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼此隔离，从而解决单元串联时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数增加，串级电路单元使用的直流电源数也将大量增加，从而使系统变的复杂。本文在现有的多电平级联型逆变器基础上给出了一种新的控制策略，即按照参考文献E1]中所

4、述的最大延伸定理，在不同的H桥中使用不同的电压，这样就可以不增加直流电源数，而增加输出电压电平数和提高电源质量。1主电路拓扑结构图1是常用的多重化拓扑结构。这种结构可以根据所需要的功率和电压的要求来决定H桥单元的串联个数。图中每一相由p个独立直流电源的H桥单元构成。如果每个单元直流电压取相同值(如‰一UK一砜刚i一1，2，⋯夕)，则相电压可以用下面公式来表示：一％一∑ki(1)式中，z为电压相序，分别表示口，b，c；为变换器中点。由图1可以看出，单元的电压等级和串联数量决定变频器的输出电压，单元的额定电流决定了变频器的输出电流。

5、由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是整个功率单元串联，因此不存在器件串联引起的均压问题。但由于串联的功率单元较多，所以对功率单元本身可靠性要求很高。2控制策略图1中各个独立直流电源都取相同的电压值，但是如果按照最大延伸定理[1~23来选取电压值，即各个直流电源不是取相同值，而是按照式(2)来选取，主电路拓扑做相应的变换，其输出电平数量就可以得[收稿日期]2003—12一03I[修改稿收到日期]2004一01一05[基金项目]上海市搏士建设基金(k07)[作者简介]江友华(1974一)，男，江西南城人，博士研究生，

6、研究方向为电力电子与电力传动。480《冶金自动化))2004年增刊图1H桥多重化拓扑结构到增加，因此波形质量在原有基础上可以进一步得到提高。"一1‰(i--1)一j詈南U耐，卢1，2，⋯，P(2)’‘t＼，‘l—l1，啦为第i号单元H桥电平数量，一般可以产生+Vd。、0、一U三个电平。z为电压相序。图2为级联型二重化混合多电平拓扑结构。其中图2左桥功率开关元件为IGCT或者G1、O，图2右桥功率开关元件为IGBT。由于IGCT和GTO等功率器件耐压值高，但是开关频率低，IGBT具有高开关频率，高开关频率时可以降低谐波，可是IGB

7、T的容量远小于IGCT和GTO等高压大功率器件，因此采用这种不同电压比的控制策略可以发挥这两类器件的长处[3]。在耐压高的IGCT或GTO单元上施加两倍或三倍于IGBT单元的电压，则可以在输出端得到更多的电平输出。因为如果每个直流电压都取相同值(Vacn—Vac泣一E)，那么变换器只输出5个电平[4]，但假如按照式(2)关系取电压值(Ucxl一3Ucx2—3E)，则可以得到9个电平。图2不同电压比的级联型多电平混合主电路拓扑既然直流电压比可以设定为1：2或1：3，那么是否还可以设定为1：4或者更高来增加输出波形中的电平数呢?事实

8、上如果将电压比设为1：4或更高时，不仅不能增加输出波形中的电平数，而且还会有超过1K(单位电平)的跳变，这样造成的dv／dt变大，电磁干扰增加，这也是在实际中不希望看到的‘3

9、。另外GT0的电压等级虽然比较高，但也是有限度的，所以不能设置为任意的电压比，这一点可