（电力电子与电力传动专业论文）新型多电平逆变器组合拓扑结构和多电平逆变器的容错技术.pdf

浙江人学博士学位论义 摘婴 的构成方式进行了系统化的研究。基于该研究思路，把级联型拓扑的构成方式统 一在基本构成单元的范畴之内。除了得到已有的拓扑外，还得到一砦由不同器件、 不同h 一桥单元、不同直流电压源组合构成的混合开关组合和混合桥臂级联拓 扑。跨电容型拓扑相对于二极管筘位型拓扑来说，由于存在大量的冗余开关状 态，所以电容电压的平衡较容易实现。本文对基于飞跨电容全桥单元混合桥臂级 联的拓扑进行了详细的研究，包括直流电压比的设置、调制方法、实验验证等。 另外，还对用飞跨电容型三电平电路作为主变换器的单相三相混合桥臂级联拓 扑和基于负载端级联的混合开关组合多电平拓扑进行了结构和应用场合的比较， 为它们在实际应用中的结构选择提供了一个指导原则。 多电平变换器由于结构和控制的复杂性，器件发生故障的可能性增加，电路 运行的可靠性降低。另方面，多电平变换器结构的复杂性，又使电路具有容错 功能成为可能。本文提出了多电平逆变器新的容错策略。在分析了开关器件发生 故障时对电路运行影响的基础上，研究了通用型和飞跨电容型两种多电平逆变器 拓扑的容错实现。对于通用型拓扑，通过利用拓扑存在的冗余开关状态来实现容 锚控制，对于飞跨电容型拓扑，通过利用拓扑存在的冗余结构来实现容错控制。 与现有的多电平容错实现方法相比较，这两种拓扑在容错状态下都能维持原来的 电压电平数。其基本思想是通过硬、软件重构来获得系统在非正常工作条件或环 境下的期望输出，为高 口j 靠件多l 乜平变换器的设训提供了新的方法。 本文对所提出的拓扑进行了大量的仿真，并在实验室搭建了一台多电平功率 变换器的通用实验装置。我们分别对五电平混合籀位单臂电路、五电平组合电容 型单臂电路、两电平一飞跨电容三电平混合桥臂级联电路以及具有容错功能的五 电平通用拓扑进行了实验研究。丰富、详实的仿真及实验研究结果验证了本文理 论研究的正确性。 关键词：多电平逆变器，拓扑，混合筘位，冗余，容错 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v eb e c o m ear e s e a r c h h o t s p o t i n h i g h v o l t a g e a n d h i g h - p o w e ra p p l i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h e i rl o w v o l t a g e s t r e s so np o w e rs w i t c h e s ，l o wh a r m o n i ca n de m lo u t p u t h o w e v e r , t h ee x i s t i n g m u l t i l e v e lt o p o l o g i e sw i l lb er e s t r i c t e di ns o m ea p p l i c a t i o n sf o rt h e i rd i s a d v a n t a g e s a l s o ，w i t ht h ei n c r e a s eo f l e v e ln u m b e r s ，t h em u l t i l e v e lt o p o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o d w i l lb ec o m p l i c a t e d ，w h i c hw i l ld e c r e a s et h ec o n v e r t e r sr e l i a b i l i t y b a s e do nt h e a b o v et w op o i n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fm u l t i l e v e lt o p o l o g i e s a n df a u l t - t o l e r a n td e s i g n t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lm u l t i l e v e lc o n v e a e r s ，t h ec o n c e p t o f h y b r i dc l a m p e di sp r o p o s e da n ds o m en o v e lt o p o l o g i e sa r ep r o d u c e df r o mt h i s c o n c e p t an o v e lt o p o l o g yc l a m p e db ya c t i v ea n dp a s s i v ed e v i c e si s r e s e a r c h e di n d e t a i l i nt h i st o p o l o g y ，t h ed cl i n kc a p a c i t o rv o l t a g e sc a nb eb a l a n c e dw i t h o u t a d d i t i o n a lc i r c u i t r yo rs e p a r a t e dd c v o l t a g es o u r c e s ，r e g a r d l e s so f l o a dc h a r a c t e r i s t i c s i tc a l lb eu s e di nr e a la n dr e a c t i v ep o w e rc o n v e r s i o na p p l i c a t i o n s t h et o p o l o g y s t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds e l f - v o l t a g eb a l a n c i n ga b i l i t y a r ea n a l y z e d t h e v a l i d i t yi sc o n f i r m e db ys i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sb a s e do naf i v e l e v e l i n v e r t e r a l s o ，t h ef u n c t i o n so f d i f f e r e n tc l a m p i n gd e v i c e sa r ec o m p a r e d t h ec o n c e p to f h y b r i d c l a m p e dp r o v i d e san e w c l u ef o rc o n s t r u c t i n gm o r em u l t i l e v e lc o n v e r t e rt o p o l o g i e s i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ei san e wd i r e c t i o nf o rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r st oc o n s t r u c t n o v e lt o p o l o g i e sp r o d u c i n gh i g h e rq u a l i t yw a v e f o r m sw i t hf e w e rd e v i c e s t w ot y p e s o fm u l t i l e v e lc o n v e r t e r t o p o l o g i e s a r e p r o p o s e d f o rt h i s d i r e c t i o n ，a n d t h e i r c o n s t r u c t i n gr u l e sa n dp r i n c i p l e sa r er e s e a r c h e d o n ei st h ec o m b i n e dd i o d ec l a m p e d a n dc o m b i n e d f l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e lt o p o l o g i e s , w h i c h a r ed e r i v e db yc o m b i n i n g t r a d i t i o n a ld i o d ec l a m p e da n df l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e lt o p o l o g i e sw i t ht w o 。l e v e l b r i d g el e g s a n o t h e r i san e wc a p a c i t o rv o l t a g ec o m b i n a t i o ns c h e m ef o rf 1 ) 7 i n g c a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e r s ，w h i c hc o n s i d e r sat r a d e o f fb e t w e e nt h es w i t c h i n gs t a t e s a n dc a p a c i t o rv o l t a g eb a l a n c i n g ，f o rt h i sn e wc o m b i n a t i o ns c h e m e ，t h en u m b e ro f o u p u tv o l t a g el e v e l sa n dc a p a c i t o rv o l t a g eb a l a n c i n ga r es t u d i e di nd i f f e r e n tv o l t a g e r a t i o s a n ds o m eo r i g i n a la n ds i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n 1 ) v o l t a g es t r e s so f t h em a i ns w i t c hi s e q u a lt o t h e v o l t a g e d i f f e r e n c eb e t w e e nt w oa d j a c e n tf l y i n g c a p a c i t o r s ，t h eh i g h e rt h ev o l t a g er a t i o ，t h el a r g e rt h ev o l t a g es t r e s s 2 ) t h ec a p a c i t o r v o l t a g e c a nb ek e p tb a l a n c ei fb o t ho ft h ev o l t a g ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ef l y i n g c a p a c i t o ra n dt h et w oa d j a c e n tc a p a c i t o r s a r eo n ev o l t a g el e v e l 3 ) f o rt h es a f l l e 浙江入学博士学位论文 a b s t r a c t t o p o l o g y ，i fm o r ev o l t a g el e v e l sc a nb ep r o d u c e d ，m o r ev o l t a g er a t i os e t t i n gm e t h o d s a r ea v a i l a b l e ，a n df e w e r f l y i n gc a p a c i t o rv o l t a g e sc a nb eb a l a n c e d ；v i c ev e r s a b o t ho f t h en o v e l t o p o l o g i e s c a n p r o d u c e m o r e v o l t a g e l e v e l sw i t hf e w e r d e v i c e s ，s o 1 e l i a b i l i t yo ft h ec i r c u i ti s i m p r o v e da n dc o s t s a r er e d u c e d h o w e v e rs o m eo ft h e d e v i c e si nt h e s et o p o l o g i e sw i l ls u s t a i ng r e a t e r v o l t a g es t r e s s e st h a nt h ed e v i c e si nt h e c o n v e n t i o n a lm u l t i l e v e lc o n v e r f e rt o p o l o g i e s t h e r e f o r et h e ya r em o r es u i t a b l ef o r m e d i u m v o l t a g e a n d h i g hp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n s t h et w on o v e l t y p e s o f t o p o l o g i e sp r o v i d e an e w a p p l i c a t i o nd i r e c t i o nf o rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r s b a s e do nt h ei d e ao f p r o d u c i n gm u l t i l e v e lc o n v e r t e rt o p o l o g i e sf r o mt h ec o n c e p t o fb a s i c 。c e l l s ，t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o df o rc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g i e si s r e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n di su n i f i e di nt h ec a t e g o r yo fb a s i c c e l l s ，b e s i d e st h e e x i s t i n gc a s c a d e dm u l t i l e v e lt o p o l o g i e s ，s o m en e wh y b r i ds w i t c h e sa n dh y b r i dl e g s c a s c a d e dt o p o l o g i e sa r ed e r i v e db yc o m b i n i n gd i f f e r e n tt y p e so fs w i t c h e s ，d i f f e r e n t h - b r i d g ec e l l sa n dd i f f e r e n td cv o l t a g es o u r c e s c a p a c i t o rv o l t a g e sa r ee a s i e rt ob e b a l a n c e di n f l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r st h a ni nd i o d ec l a m p e dm u l t i l e v e l c o n v e r t e r s ，s ot h et o p o l o g i e sc a s c a d e db yf l y i n gc a p a c i t o rb r i d g e sa r es t u d i e di nd e t a i l d cv o l t a g er a t i os e t t i n g ，m o d u l a t i o nm e t h o da n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na r ea l l i n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a l s o ，t h es t r u c t u r e sa n d a p p l i c a t i o n f i e l d so ft h e s i n g l e p h a s e t h r e e - p h a s eh y b r i dl e g sc a s c a d e di n v e r t e rt o p o l o g ya n dl o a ds i d e sh y b r i d s w i t c h e sc a s c a d e di n v e r t e rt o p o l o g ya r ec o m p a r e d ，w h i c hp r o v i d e sag u i d e l i n ef o rt h e s t r u c t u r es e l e c t i o ni nr e a la p p l i c a t i o n s b e c a u s et h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lo fm u l t i l e v e lc o n v e r t e r sa r ec o m p l e x ，d e v i c e f a i l u r ep r o b a b i l i t yo ft h ec i r c u i tw i l lb ei n c r e a s e d ，i e ，r e l i a b i l i t yw i l lb ed e c r e a s e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o m p l e x i t yo ft h es t r u c t u r em a k e si tp o s s i b l et oh a v et h ec i r c u i t b er e d u n d a n t an e wf a u l t - t o l e r a n tc o n t f o ls c h e m ef o rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r si s p r e s e n t e d a n dt h ef a u l t t o l e r a n t d e s i g n f o rg e n e r a lm u l t i l e v e li n v e r t e ra n d f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e ri s r e s e a r c h e d t h er e d u n d a n ts w i t c h i n gs t a t e sa r eu s e d f o r g e n e r a lm u l t i l e v e l i n v e r t e r sa n dt h er e d u n d a n ts t r u c t u r e sa r eu s e df o rf l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gf a u l t t o l e r a n tr e a l i z a t i o n f o rm u l t i l e v e li n v e r t e r s ，t h et w ot o p o l o g i e sc a nk e e pu n c h a n g e di nt h en u m b e ro f v o l t a g el e v e l s t h em a i ni d e ai s t or e c o n f i g u r et h eh a r d w a r ea n ds o f l w a r et og e tt h e d e s i r e do u t p u tu n d e ra b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so re n v i r o n m e n t ，w h i c hp l o v i d e sa f l e wm e t h o df o rd e s i g no f h i g hr e l i a b l em u l t i l e v e lc o n v e r t e r s al o to fs i m u l a t i o n sa r ed o n ef o rt h ep r o p o s e dt o p o l o g i e s ，a n dag e n e r a l p u r p o s e 浙江人学博+ 学位论文a b s t r a c t m u l t i l e v e lp o w e rc o n v e r t e rp r o t o t y p ei sb u i l ti nl a b o r a t o r y w ed os o m e e x p e r i m e n t s f o rt h e h y b r i dc l a m p e df i v e l e v e li n v e r t e r ，c o m b i n e d f l y i n gc a p a c i t o r f i v e - l e v e l i n v e r t e r , t w o l e v e lb r i d g ea n df l y i n gc a p a c i t o rt h r e e l e v e lb r i d g ec a s c a d e di n v e r t e r ， a n d g e n e r a l i z e d f i v e - l e v e li n v e r t e rw i t hf a u l t t o l e r a n t a b i l i t y r e s p e c t i v e l y t h e s u b s t a n t i a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h et h e o r i e si nt h i s d i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：m u l t i l e v e li n v e r t e r , t o p o l o g y ，h y b r i dc l a m p e d ，r e d u n d a n c y ，f a u l t t o l e r a n t 本论文工作得到： 国家自然科学基金( 5 0 2 7 7 0 3 5 ) 的资助 谨致感谢! 浙旺大学博士学位论文 第帚 1 1 引言 第一章绪论 电力电子技术自二十世纪5 0 年代诞生以来，经过近半个世纪的飞速发展， 至今己被广泛应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力 电子技术的各个方面已渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性 能；而在高压大功率的输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的 研究重点【l j 。灵活交流输电、高压直流输电、高压大电机的变频调速等都离不开 大功率的电力电子装置。 在实现大功率变换的几种解决方案中，多电平变换器因其具有小的输出波形 t h d 、低的器件电压应力和低的系统e m i 等优点而受到研究者们的青睐。多电 平变换器的概念最早是由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出的1 2 l 。该电路 用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管串联， 用对串联箝位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中 点筘位，形成所谓中点筘位( n p c n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ) 变换器。在这个电路叶1 ， 主功率管关断时仅仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高压大功率应用场 合。1 9 8 3 年，b h a g w a t 等人在此基础上，将三电平电路推广到任意n 电平，对 n p c 电路及其统一结构作了进一步的研究 ”。这些工作为高压大功率变换器的研 究提供了一条崭新的思路。从多电平变换器概念的提出至今，在短短= 。r 多年的 时间里，已经形成了三类基本拓扑及一系列改进拓扑。与此相对应，多种多电平 变换器的调制控制方法也被提出和研究。多电平变换器之所以成为高压大功率变 换研究的热点，是因为它具有以下一些突出优点： 1 每个功率器件仪承受l ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压的器 件实现高压大功率输m ，且无需动态均压电路； 2 电平数的增加，改善丫输出电艇波形，减小r 输出电压波形畸变( t h d ) 3 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波 形，因而开关损耗小，效率高； 4 由于电平数的增加，在相刚的直流母线电压条件下，较之两电平变换器，d v d t 应力大为减少，在高压大电机驱动中，有效防l r 电机转r 绕组绝缘击穿，同时改 善r 装置的e m 特性： 浙江大学博士学位论文 第一章 5 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。 然而，现有的多电平变换器拓扑都存在一定的缺点，使它们在实际应用中存 在一定的局限性。并且，随着电、f 数的增多，电路拓扑和控制的复杂性增加，使 变换器系统的可靠性降低。装置的可靠性反映了装置在规定的条件下随着时间的 变化完成其规定功能的能力。可靠性已成为产品除了性能指标之外的一个重要的 质量指标。从产品设计、研制阶段开始，进行可靠性的分析、可靠性设计及提高 可靠性的措施是不容忽视的问题【4 】。本文的工作，就是基于上述两点，对多电平 逆变器的拓扑及利用容错技术提高其可靠性进行了研究。 本章首先综述了多电平变换器拓扑和调制策略的研究现状；然后概述了容错 技术及其在多电平变换器中的应用；最后给出了本文的主要研究内容和研究成 果。 1 2 多电平逆变器拓扑的研究现状 目前所见到的多电平逆变器，按主电路拓扑结构来分，主要分为三类基本的 拓扑结构： 二极管筘位型多电平逆变器( d i o d e c l a m p e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) b 跨电容型多电平逆变器( f l y i n g c a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 级联型多电平逆变器( c a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 在这三类基本拓扑结构的基础上，近年来又派生出了很多改进的拓扑结构， f 而将对所有这些拓扑的特点进行综述比较。 1 2 1 二极管箝位型多电平逆变器6 1 1 7 【8 图1 1 所示是二极管筘位型五电平逆变器的译臂电路结构。分压电容 g = ( ，t 2 = g = g ，因此12 2 3 3 2 4 ；每相桥臂有8 个开关器件s 1 一s 8 串联，每4 个开关器件同时处于导通或芙断状态，其中( s 1 ，s 5 ) 、( s 2 ，s 6 ) 、( s 3 ， s 7 1 、f s 4 ，s s ) 为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个 定关断：反之亦然；d c l ，d e i ，d c 2 ，d c 2 ，d c 3 ，d c 3 为筘位二极管。五电平逆 变器的输出电压及其对应的开关状态如表1 1 所示。对于i 1 电平的二极管筘位型 逆变器拓扑，每个桥臂需要( n 1 ) 个直流分压电容，2 ( n 一1 ) 个主开关器件，( 1 1 - 1 ) ( n - 2 ) 个箝位二极管。通过组合三个拥同的单臂电路，利用相同的分压电容，可以容易 得到二i 相电路，如图l 一2 所示。 浙江大学博士学位出文 第一章 v 图1 - i 二极管箝位型五电平逆变器单臂电路 表1 1 二极管筘位型五电平逆变器输出电压与开关状态之问的关系 开关状态 输出电压 s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8 v d c 2 lllloo0o v d c 4 o1ll1000 00o11j10o v d c 4 o0ollllo v “2 oo0ollll r 1 ”表示开关器件导通状态，“o ”表示开关器件关断状态) 图1 2 一极管箝位犁五电平j 相逆变器主电路 浙江大学博士学位论文第章 在传统二极管捕位型多电平变换器中，当电平数超过三时，箝位二极管因需 要阻断多倍电- f 电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。例如在图1 - i 中， d e l 由于需要阻断三倍的电平电压，它由三个相同的檄管串联：d c 2 和d 0 2 需 要阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相同的二极管串联；d 0 3 需要阻断三倍 的电平电压，它由三个相同的二极管串联。由于开关特性的不一致及杂散参数， 可引起二极管两端的过电压，因两需要均压措施帚i 艮大的r c 吸收电路，导致系 统体积庞大，成本增加。为了解决这一问题，文献 9 提出了一种改进型拓扑， 如图卜3 所示。这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓扑一样。但由于箝位二极 管位置的变化，该电路不仅能实现功率开关管的电压筘位，而且还能通过直接和 间接的方式将箝位二极管的电压筘在单电平电压之内。这个改进电路在电平数较 多的情况下，具有较大的优越性。 图1 3 改进的二极管箝位型五电平逆变器中臂电路 在上述两个_ 极管筘位型拓扑中，随着电平数的增加，筘位二极管的数量会 以电平数二次方的剃律来递增。所以当电平数较高时，就会需要大量的筘位二极 管，从而使系统在前j 局上难以实现。并且如果逆变- 4 4 , ；i 作于p w m 方式下，这些箝 位二极管的反向恢复将会成为高压大功率设计的难点f ”。为了用较少的筘位二极 管实现较高的电平输出，文献 1 0 和 1 1 提出了两种新的拓扑，它们分别如图 卜4 和图卜5 所示。其中图卜4 的电路是山 个两电平桥臂代替传统的三电平变 换器的箝位中点米得到。在这个新拓扑中，由于增枷了一个可控桥臂，中点电位 可以浮动，所以每个桥臂只需6 个功率”关管和2 个筘位二极管，就可实现五电 平电压输出。图卜5 的电路是f h 两个两电平桥臂分别代替传统的三电平变换器的 正负母线而得到。由于增加 广两个可控桥臂，正母线和负母线的电位都可以浮动r 浙江大学博士学位论文第一章 所以每个桥臂也只需要2 个箝位二极管。这两个拓扑和传统的- 极管筘位型五电 平变换器相比，每个桥臂少用1 0 个箝位二极管，大大地节约了成本，提高了系 统的可靠性，是一神较为新颖的思路。但是这两神拓扑中的某些开关管会承受2 倍的电平电压，因此它们只是增加了输出电压的电平数，从而改善了输出电压波 形，却并不能提高系统的电压等级。 t h r c e - l e v c l c o n v e n e rl e g 图卜4 用两电、p 桥臂代替箝位中点得到的五电平拓扑 t w o l e v e lc o n v e r t e rl e g t w o l e v e lc o n v e r c e rl e g 图卜5 用两电平桥臂代替l f 负母线得到的五电平拓扑 当二极管箝位型多电平变换器用于传递有功功率时，每个直流母线电容的充 放电时间不同，会造成它们的电压不平衡，从而导致输出电压的畸变，甚至掰不 到期望的多电平输出。因为n p c 变换器只有两个直流分压电容，它的中点电位控 制相剥简单，因此在电机驱动巾得到了较为广泛的应用。而随着电平数的增多， 直流母线电容的1 u 压不平衡成为阻碍_ 极管箝位型拓扑在交际中应用的主要因 素之一。针对中点电位不平衡问题，研究者们做了火量的工作，提出了各种解决 浙江大学博十学位论文第一章 方案，归纳起来，主要是通过改进硬件电路和控制方法来实现。 从改进硬件电路方面来看，其中包括利用独点直流电压源 ”i t ”j ，或者对每个 电甲采用电压调节器“，但是这两种方法需要增加隔离变压器和开关器件。文 献 1 5 提出了一种用两个相同的多电平拓扑来分别构成整流器和逆变器的多电 平驱动系统，也即“背靠背( b a c k t o b a c k ) ”连接方式。这种系统可蚍实现直流 母线电容的电压平衡，并且可用于四象限可逆运行的负载。文献 1 6 卜 1 8 1 也讨 论了这种借助有源整流来实现中点电位平衡的a c d c a c 系统。然而这种方法的 缺点是需要两个有源变换器，增加了系统的成本。 更多文献一【2 5 是通过改进控制方法来实现中点电位平衡的。一般都是通过 选取空问矢量的冗余开关状态中合适的矢量来实现的。开环控制法是一种最简单 的控制方法，即交替选择正小矢量和负小矢量，无需中点电压反馈和额外的计算。 但很品然，这一方法，对于中矢量对中点电压的影响，不能进行补偿，而只能通 过中矢量自身的对称性，在个完整的输出电压周期内，完成中点电压的平衡。 因此，中点电压存在很大的低频纹波，需较大的滤波电容，价格昂贵，体积庞大， 很难付诸实用。而闭环控制法，是通过检测中点电压的偏差和中点电流方向，根 据这些信息，增大对中点电压具有相反作用的小矢量的作用时间，实现在每个载 波周期内的中点电压平衡。 文献 2 6 提出一种新的拓扑来解决电容电压的不平衡问题。该电路如图l 一 引折示，它既具有图l 一3 所示电路的优点，又能通过增加辅助电容来实现中点电 位平衡。尽管该拓扑在纯无功情况下不能保证电容电压平衡口“，但是它的提出 为实现巾点电位平衡提供了一条新的思路。 图【_ 6 二极管飞跨电容五电平拓扑 浙江大学博士学位论文 第章 卜 综合一卜述分析，我们可以得到二极管箝位型多电平变换器拓扑的优缺点如 优点： 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高 3 ) 可控制无功功率流； 4 ) b a c k t o b a c k 连接系统控制简单。 缺点： 1 ) 需要大量箱位二极管； 2 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时问不同，造成负荷不一致 3 ) 存在直流分压电容电压不平衡问题。 1 2 2 飞跨电容型多电平逆变器2 8 】【2 9 】【3 0 【3 l 】 飞跨电容型拓扑最早是由t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会议上 提出的。图1 7 所示是一个飞跨电容型五电平变换器的单臂电路，s l s 8 为功率开 关管，c c l c c 6 为筘位电容，每个电容都具有相同的容值和电压，c l - c 4 为真流 分压电容。由图可见，与二极管筘位型多电平变换器不同，这种电路采用的是跨 接在串联开关器件之问的串联电容进行箝位的，它的开关状态表如表1 2 所示。 v 图1 - 7 飞跨电容型五电甲逆变器单臂电路 7 浙江大学博士学位论文 籀一帝 表1 - 2 飞跨电容型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 开关状态 输山电压 s ls 2s 3s 4 s 5 s s 7s s v d c 2 ooo0ll1 l 1o0o11l o 01o0 110l v d c 4 ool0 1o11 ooo1ol1 1 llool10 0 oollo0ll 1o101ol0 o 10ol o11o o1olo101 01lo1oo1 l11o10o0 o1l10o01 n d c | 4 1o11oo1o ll01o10o v d 以 l111o000 ( “1 ”表示开关器件导通状态，“o ”表示开关器件关断状态) 从袭中我们可以看出，该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压， 可以由不同的开关状态组合得到。例如，对于输出电压一v d c “和v d c 4 ，分别 u j 以由四种开关状态组合得到；对于输出电雏0 ，可以由六种开关状态组合得到。 这种开关状态组合的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性。与 ：极管筘位型多电平变换器类似，飞跨电容型多电平电路也可构成三相系统，如 图1 - 8 所示。对于一个n 电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2 ( n - 1 ) 个开关器 件，( n 1 、个直流分压电容以及( n - 1 ) ( n 2 ) 2 个箝位 u 容。 冈1 8 飞跨电容型五电平= 相逆变器土电路 浙玎人学博士学位论文第一童 飞跨电容型多电平变换器拓扑的出发点之一，是为了去除二极管筘位型电路 中大量的筘位二极管，但同时又引入了大量的悬浮电容。在电力电子装置中，电 容是一个可靠性较差、寿命较短的器件。为了用较少的飞跨电容实现较多的电平 输h ，文献【3 2 1 提出了一种全二进制组合的浮动电压源逆变器拓扑。在该拓扑中， 通过改变飞跨电容的电压比，使每个开关状态对应一个输出电平。图1 。9 为两个 两单元四电平的单臂电路，两个拓扑中的电压比分别由传统拓扑中的l ：2 变为 i ：3 和2 ：3 。这样利用相同数量的开关器件和飞跨电容，就可实现较多电平数 的输出。但是，开关状态冗余性的丢失，使得飞跨电容的电压平衡难以实现，因 此拓扑中的飞跨电容都要用独立电压源来代替。文献 3 3 1 讨论了该组合策略的三 相电路的电容电压平衡实现。 s a t 一( 】 孰。点：一钲 岁丫。j i s a 3 1 k 】 ll s “一 】 s a ， 】 i k 卜一i ；j 爹。嗡罗2 ”。r l l is a 3 一】 s 。 j l 图i - 9 伞二进制组合的浮动电压源四电平逆变器单臂电路 飞跨电容型多电平变换器的特点如下： 优点： 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 3 ) 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速 4 】大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 缺点： 1 1 需大量的箝位电容； 2 ) 用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。 1 2 3 级联型多电平逆变器 一般认为，级联型多电平变换器较早是由m m a r c h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的 p e s c 会议卜提的，它当时用于实现等离子体的稳定性要求鲫。实际上，r 1 i 浙江大学博士学位论文 第章 b a k e r 等人在1 9 7 5 年就对级联型拓扑申请了专利1 3 5 ，但是在此后的很多年里，这 种拓扑并没有得到推广应用。直到1 9 9 7 年， 3 6 3 7 】两项专利对级联型拓扑在i u 机传动和i u 嘲中的应用进行了讨论之后，级联型拓扑才得到了较为广泛的应用。 图l l o 是传统的级联型五电平变换器拓扑单臂电路，它由两个两电平h 桥 单元级联构成。表l 一3 为输出电压与开关状态之间的关系。与二极管箝位型和飞 跨电容型多电平变换器相比，级联型拓扑不需要大量的筘位二极管和飞跨电容， 但是需要多个独立直流电压源。对于个n 电平的级联型拓扑，每个桥臂需要 ( n 一1 ) 2 个独立直流电压源和2 ( n 1 ) 个主开关器件。该拓扑可以方便地通过三角形 或星形联接构成三相系统。图1 1 】给出了两种联接方式的三相电路。 v d c v d c 图1 1 0 级联型五电平变换器单臂电路 表1 - 3 级联型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 开关状态 i 输出电压 s 1s 2s 3 s d s 5s 6 s ， s 8 2 v d c 10o1l00l v “ 01o1100i l 0010lolol fv 。 ol0l0i1o i 2 v 。 0l10ollo r 1 表示开关器件导通状态，“o ”表示歼关器件关断状态) 浙江大学博士学位论文第一章 ( a 1 星形联接的缴联型五电平三相电路 ( b 1 三角形联接的级联型五电平二= 相电路 图1 1 1 级联型五电平变换器三相电路 为了增加输出电压的电平数和提高波形质量，越来越多的文献对改进的级联 型拓扑进行了研究”h 4 ”。通过对不同单元采用不同的直流电压，口j _ 以用较少的 级联单元