多电平变换器的拓扑结构和控制策略

引言
多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。
1 多电平变换器的拓扑结构
国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种：
1）二极管中点箝位型（见图1）；
2）飞跨电容型(见图2)；
3）具有独立直流电源级联型（见图3）；
4）混合的级联型多电平变换器。

图1 二极管箝位型三电平变换器


图2 飞跨电容型三电平变换器

图3 级联型五电平变换器
其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。
二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。缺点是电容均压较为复杂和困难。在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。
飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。
级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。其主要缺点是采用多路的独立直流电源。目前，这种拓扑结构也有实用化的产品。
2 多电平变换器的控制策略
从目前的资料来看，多电平变换器主要有5种控制策略，即阶梯波脉宽调制、特定消谐波PWM、载波PWM、空间矢量PWM、 Sigma-delta调制法。
2.1 阶梯波脉宽调制[1][2][3]
阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的方法。典型的阶梯波调制的参考电压和输出电压如图4所示。在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除。2m＋1次的多电平的阶梯波调制的输出电压波形的傅立叶分析见式(1)及式(2)。消除k次谐波的原理就是使电压系数bk为0。这种方法本质上是对做参考电压的模拟信号作量化的逼近。从图4中不难看出这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以，可以采用低开关频率的大功率器件如GTO来实现；另外这种方法调制比变化范围宽而且算法简单，控制上硬件实现方便。不过这种方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。


图4 九电平阶梯波输出电压波形
vt(t)=

bnsinnωt（1）
bn=

[Vcosnα1＋2Vcosnα1＋……＋jVcosnαj＋……＋mVcosnαm]（2）
2.2 多电平特定消谐波法[4][5][6]
多电平的特定消谐波法也被称作开关点预制的PWM方法。这种方法是建立在多电平阶梯波调制方法的基础之上的。这种方法的原理就是在阶梯波上通过选择适当的“凹槽”有选择性地消除特定次谐波，从而达到输出波形质量提高和输出THD减小的目的。这种方法的消谐波和阶梯波的消谐波一样，唯一不同的就是输出电压波形的傅立叶分析后的系数bn有所不同。现以五电平的特定消谐波的一个输出电压波形(如图5所示)来分析傅立叶分解后的系数bn。从式（3)可以看出，bn中的负号项反映了“凹槽”的信息。多电平特定消谐波法中，求解特定的开关点时候要解非线形的超越方程，因此计算很复杂。目前资料中实际有应用的一般都只局限在三电平结构中。这种方法的主要特点是开关频率低，效率高；谐波含量较少；电压利用率高，最多可以达到1.15；计算开关点的时候计算比较复杂。


图5 五电平特定消谐波输出相电压1/2周期的波形
bn=

[V(cosnα11－cosnα12＋……＋(－1)j＋1cosnα1j＋……＋cosnα1k)＋
2V(cosnα21－cosnα22＋……＋(－1)i＋1cosnα2i＋……cosnα2h]（3）
2.3 载波PWM技术
多电平逆变器载波技术，来源于两电平的SPWM技术，但是，由于多电平逆变器特殊的结构，使其载波技术又不同于两电平的载波技术。多电平逆变器中由于开关管多，因此，多电平逆变器的载波和调制波都不止一个，每一个载波和调制波有多个控制自由度，这些自由度至少有频率、幅值和偏移量等。这些自由度的不同组合，将会产生大量载波PWM技术。其中最具有代表性的主要有三种，即分谐波PWM、开关频率优化PWM、三角载波移相PWM。
2.3.1 分谐波PWM方法[7][8][9]
多电平分谐波PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n个具有同相位、同频率fc、相同的峰峰值Ac，且对称分布的三角波。参考信号是一个峰峰值为Am、频率为fm的正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，反之则关断该器件。对于多电平变换器，幅度调制比ma和频率调制比mf定义如下：