多電平電力變換器主電路拓撲分析與調制仿真

呂 飛 ，朱家林 ，吉 哲 ，余鳳豪

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多電平電力變換器主電路拓撲分析與調制仿真

呂 飛1，朱家林2，吉 哲1，余鳳豪1

（1.海軍蚌埠士官學校機電系，安徽蚌埠 233012；2.海軍92763部隊裝備部，遼寧大連 116041）

大容量是電力電子技術未來的主要發(fā)展方向，多電平變換技術是實現(xiàn)高電壓大容量的關鍵，多電平變換裝置主電路拓撲是研究重點。文章詳細分析了多電平變換裝置的幾種具體主電路拓撲結構，指出了幾種拓撲結構的優(yōu)缺點，分析研究了級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波相移脈寬調制（CPSPWM）仿真分析。

多電平變換器 主電路拓撲 開關狀態(tài) 載波組調制

0 前言

電力電子技術的誕生和發(fā)展使人類對電能的利用方式發(fā)生了革命性的轉變。電力電子的發(fā)展要求電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質量越來越好、可靠性越來越高[1]。大容量是電力電子技術未來的主要發(fā)展方向，實現(xiàn)大容量的途徑有高電壓、大電流，實際中高電壓大容量普遍應用，而多電平變換技術是實現(xiàn)高電壓大容量的關鍵。從多電平變換裝置概念的提出至今，己經形成了多種基本拓撲及一系列改進拓撲[2-5]。

本文詳細分析了多電平變換裝置的幾種具體拓撲結構，指出了幾種拓撲結構的優(yōu)缺點，研究了級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波組調制仿真分析。

1 多電平變換器主電路拓撲結構

1.1 二極管箝位型多電平拓撲

二極管箝位多電平變換器(DCMI)最早A.Nabae提出[6]。如圖1(a)所示是二極管箝位型三電平變換器的單臂電路拓撲。每相橋臂4個開關器件S1-S4串聯(lián)，每2個開關器件同時處于導通或關斷狀態(tài)，其中(Sl，S3)、(S2，S4)為互補工作的開關對；Dl，D2為箝位二極管。

采用相同的原理擴展為更多電平的變換器。圖1(b)是單相橋臂五電平DCMI的拓撲。DCMI的輸出電壓及其對應的開關狀態(tài)如表1所列。當電平數為奇數時，中性點N是實際存在的，而當電平數為偶數時，中性點N是虛擬的，不能直接引出。

1.2 飛跨電容型多電平拓撲

飛跨電容型多電平(FCMI)拓撲最早是由H.Foch在PESC會議上提出[7]。圖2(a)所示是單相FCMI的典型拓撲結構，圖2(b)中S1-S8為功率開關管，C5-C10為箝位電容，每個電容都具有相同的電容值和電壓，Cl-C4為直流分壓電容。FCMI采用飛跨電容代替箝位二極管實現(xiàn)電壓箝位功能。由FCMI開關狀態(tài)及對應輸出電壓關系可得，F(xiàn)CMI的電壓合成更為靈活，對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關狀態(tài)組合得到。如輸出電壓E，對應四種開關狀態(tài)組合；輸出電壓0，對應六種開關狀態(tài)組合。這種開關狀態(tài)組合的冗余性，為飛跨電容電壓平衡提供了可能性和靈活性，同時，也為飛跨電容型多電平變換裝置的重構提供了可能行。飛跨電容型與二極管箝位型相比較，去除了大量的箝位二極管，但同時引進了大量的可靠性較差、壽命較短的懸浮電容。

1.3 通用型多電平拓撲

F.Z.Peng提出了一種通用型的多電平變換器拓撲結構，使多電平變換器拓撲結構的研究更加系統(tǒng)化[8]。

圖3為單相通用型多電平變換器拓撲結構。在該電路中，開關器件Sp1-Sp4和Sn1-Sn4為主開關管，用來實現(xiàn)期望的輸出電平；Sc1-Sc12為箝位開關，用來實現(xiàn)箝位功能?；パa的兩個開關(如Sp1與Sn1)，當某一導通時，另一關斷。通用型多電平拓撲的電壓合成較為靈活，對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關狀態(tài)組合得到，如0電壓輸出對應6種開關狀態(tài)，即開關狀態(tài)組合存在冗余。

1.4 級聯(lián)型多電平拓撲

級聯(lián)型多電平變換器較早是由M.Marchesnoi在PESC會議上提出[9]，直到1997年，級聯(lián)型拓撲才得到了較為廣泛的應用。圖4(a)為傳統(tǒng)的單相級聯(lián)五電平拓撲結構，由兩個H橋級聯(lián)構成。

級聯(lián)型與二極管箝位型、飛跨電容型相比不需要大量的箝位二極管與飛跨電容，而且通過對不同H橋單元采用不同的直流電壓，能得到比采用相同直流電壓多的輸出電平。如圖4(b)所示，相同的H橋單元數，采用1：2的直流電壓，能得到7電平輸出。

級聯(lián)多電平優(yōu)點：①采用相互獨立的直流電源，無須靜態(tài)和動態(tài)均壓。②具有模塊化的結構，內部冗余可重構。③對相同的電平數來說，級聯(lián)結構所需的元器件數目最少。

缺點：需要多個獨立直流電源。

1.5 混合型多電平拓撲

圖5(a)所示的混合箝位型多電平是采用二極管和電容共同實現(xiàn)箝位的多電平拓撲。該拓撲的出發(fā)點是為了解決傳統(tǒng)二極管箝位型多電平拓撲中，直流端電容電壓的不平衡以及內部開關器件阻斷較高電壓等問題。該拓撲中的飛跨電容參與電壓合成。由于箝位二極管的存在，該拓撲存在較多的電流通路。該拓撲利用中間輸出電平的冗余開關狀態(tài)來實現(xiàn)電容電壓平衡，但在純無功功率情況下，不能實現(xiàn)電容電壓平衡。

圖5(b)中，Sal-Sa4與Snl-Sn4為主開關管，用來實現(xiàn)期望的輸出電壓；Scl-Sc6為箝位開關器件，Dcl-Dc12為箝位二極管，C5-C7為輔助電容，它們共同實現(xiàn)箝位功能；保證直流側每個電容C1-C4的電壓平衡。

2 三相級聯(lián)多電平拓撲

2.1 三相級聯(lián)多電平可靠性

三相級聯(lián)型多電平變換裝置主電路如圖6所示。

圖6所示為三相級聯(lián)多電平變頻調速系統(tǒng)的主電路，其中PCA1，…，PCA5，PCB1，…，PCB5， PCC1，…，PCC5都是級聯(lián)功率變換單元。

多電平變頻調速系統(tǒng)的可靠性由單元的可靠性和系統(tǒng)的可靠性（故障重構能力）共同決定。即使單元的可靠性較高，如果系統(tǒng)的故障重構能力差，系統(tǒng)地總體可靠性也很難保證。設系統(tǒng)共有單元模塊數為，單元模塊的可靠性為(0<<1)，若系統(tǒng)沒有重構能力，則系統(tǒng)的可靠性為rm，若系統(tǒng)有允許一個模塊故障的重構能力，則系統(tǒng)的可靠性為r+mr-1(1-)[10]。

圖6所示系統(tǒng)由15個單元組成，如果可靠性用百分比表示，當系統(tǒng)不具備容錯能力時，即使單元可靠性為99%，系統(tǒng)的可靠性也只有86%。當系統(tǒng)能容許一個單元故障時，系統(tǒng)的可靠性可以達到99%，比系統(tǒng)沒有容錯能力時提高了13%。

圖7所示為15單元系統(tǒng)分別具有0、1、2個單元模塊故障的重構能力時，系統(tǒng)可靠性與單元可靠性的對應關系。圖7中曲線間關系可見，單元可靠性相同時，系統(tǒng)的重構能力越高則系統(tǒng)的可靠性越高。

2.2 三相級聯(lián)多電平載波組調制仿真

載波相移脈寬調制（CPSPWM）一般用在級聯(lián)型多電平變換器其基本原理：構成多電平變換器的各單元模塊均采用低開關頻率的單相SPWM，各單元模塊具有相同的幅度調制比（M）、頻率調制比（M），但各單元模塊的載波間存在一定的相位差，變換器的總輸出為各單元模塊輸出的線性疊加，由于相鄰三角載波之間有一個相移，這一相移使得所產生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使最終迭加輸出的SPWM波形等效開關頻率提高到原來的(-1)倍(為級聯(lián)單元數)。CPSPWM可在不提高開關頻率的情況下，大大減小輸出諧波。

采用MATLAB進行仿真，圖8為三相級聯(lián)11電平變換器CPSPWM仿真輸出的相電壓、線電壓以及調制信號的波形。其中，圖8(a)仿真參數：M=0.95,M=10, 圖8(b)仿真參數：a=1.1,M=10；頻率為50 Hz。

由仿真波形圖8所示，分析可得：①載波相移脈寬調制(CPSPWM)方法能實現(xiàn)多電平級聯(lián)的變換裝置的控制；②CPSPWM方法最大幅度調制比為1，當M大于1時輸出電壓出現(xiàn)飽和。

3 結論

多電平變換技術是實現(xiàn)高電壓大容量的關鍵，而多電平變換裝置主電路拓撲是研究重點。本文通過分析多電平變換裝置的幾種具體主電路拓撲結構，指出各型拓撲結構的優(yōu)缺點，以級聯(lián)多電平為對象，研究了三相級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯(lián)11電平變換裝置進行了載波組調制仿真分析驗證。多電平拓撲結構優(yōu)化改進及應用，將是下一步的研究重點。

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Analysis and Modulation Simulation on Main Circuit of Multilevel Converter Topology

Luv Fei1, Zhu Jialin2, Ji Zhe1, Yu Fenghao1

(1. Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China; 2. 92763 Naval Army , Dalian 116041, Liaoning,China)

TM46

A

1003-4862（2015）01-0065-04

2014-09-09

呂飛（1982-），男，講師，碩士學位。研究方向：電力電子與電力傳動。