多電平變換器在電動汽車驅動系統中的應用

吳海波，王曉明

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

在本世紀初，工業的不斷發展對電源設備提出了更高的要求，已經達到了兆瓦級別。通常情況下設備的直流電源來自于電網，但是目前很難將單個的半導體設備與各個級別的電網直接連接。在這種背景下，學者們提出了一系列多電平變換器拓撲來解決這個問題。發展至今，由于多電平變換器在高電壓牽引設備控制、可再生能源、UPS電源等應用中具有很大的優勢，很快得到了廣泛應用。目前，多電平變換器按拓撲結構，主要分為以下三類:(1)中點鉗位型變換器(以下簡稱NPC);(2)飛跨電容型變換器(以下簡稱FC);(3)級聯型H橋型變換器(以下簡稱CHB)。

通過近幾年不斷地研究，發現多電平變換器的優勢主要在于［1］:(1)能夠減少輸出電壓中的諧波和獲得更低的;(2)減少輸入電流諧波;(3)能夠減小產生的共模電壓，降低電機的軸向壓力，使用復雜的控制方法可以徹底的消除共模電壓;(4)提高輸出功率，降低開關頻率。

1 多電平變換器的特點及應用

1.1 多電平變換器在工業界的應用

多電平變換器經過30多年的發展，已經廣泛地應用于工業設備領域的各個方面。

NPC型多電平變換器輸出電壓等級達到了2.3 kV～4.16 kV，有的甚至達到了6 kV，常見于電壓源變換器(以下簡稱 VSC)［2］和 PEBB(Power Electric Building Block)等［2－3］。這樣，NPC 式多電平變換器可以應用于傳統的電機驅動控制設備，應用于傳送機、泵、風扇，機床等，為石油天然氣、冶金、電力、采礦、水處理，海洋和化學行業提供解決方案［1，4，5］。背靠背式的結構則可以用于能源可再生環境下，比如采礦業［6］，還可以應用于和電網直接連接的可再生能源－風能［7－8］。

FC型多電平變換器可應用于高帶寬高開關頻率裝置，比如牽引驅動［9］，常見于電力機車及城市軌道交通等領域。

CHB型多電平變換器具有更高的輸出電壓和功率(13.8 kV、30 MVA)，更因其具有模塊化可擴展功能和更高的穩定性，通常大量應用于高功率輸出和對功率質量要求比較高的設備。同時應用于有源濾波和無功補償裝置［10］、電動車/混合動力車［11－12］、光伏發電變換器［13－15］、不間斷電源［16］和磁共振成像［17］。多電平技術在工業領域的應用示意圖如圖1 所示［1］。

圖1 多電平技術在工業領域的應用示意圖

1.2 多電平變換器在電動汽車領域的應用現狀

隨著社會經濟的發展，嚴重的環境污染和日益緊迫的全球石油資源危機等問題，使世界各國不得不尋求排放低、使用新能源的新型交通工具。新能源汽車因為其污染小、噪聲小、節約能源，結構、控制和維護簡單等突出優點，越來越受到人們的關注。其中的電動汽車從動力技術上來講主要包括純電動汽車(以下簡稱EV)、混合動力電動汽車 (以下簡稱HEV)和燃料電動汽車(以下簡稱FCV)。

在電動汽車中，電動機是其動力系統的核心單元，牽引電機的控制技術是電動汽車核心技術之一。電機驅動系統是電動汽車最主要的系統單元，直接影響其運行性能的好壞，它要具有一些特殊性:要求驅動電機的功率質量比大，機構簡單，堅固;要求驅動控制系統具備強的復雜的適應能力;控制系統在硬件設計上要求屏蔽和隔離等。通過幾十年的努力，牽引電機控制技術在多個研究領域取得了發展［18－19］。

由于多電平變換器在工業設備各個領域的廣泛應用，學者們希望在電動車/混合動力車的牽引電機驅動控制系統中引入多電平變換器，以期發揮其在輸出電壓質量方面的優勢，提高能量轉換效率，改善輸出電流的控制，從而獲得更舒適、安全的駕駛感覺。

目前針對多電平變換器在EV/HEV領域的應用的研究團隊，有以下幾個:

Juan Dixon團隊來自智利PUC大學電動車實驗室，研究了級聯式多電平變換器輸出電壓諧波問題，致力于使用環形變壓器解決電動車環境中的單一直流電源隔離成多個獨立電源來給級聯型變換器供電的問題，同時致力于級聯型變換器調制控制技術的研究，模型仿真和實驗平臺仿真研究［20－22］。

Leon M.Tolbert團隊來自美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)，提出了背靠背式中點箝位型多電平變換器在混合動力車中的應用架構，級聯型三電平變換器應用于EV/HEV的拓撲結構，同時對牽引系統模型進行了仿真分析研究［23－28］。

還有法國、伊朗、印度和墨西哥等地的學者在EV/HEV牽引電機驅動控制器設計［29］、轉矩波動的研究［29－30］、級聯型變換器輸出電壓諧波分析［31］、模型仿真研究［32］和電機系統驅動環節的參數測量［33］等。

由上述可見，在多電平變換器應用于EV/HEV領域，各國學者作了比較深入的研究，對系統拓撲結構、控制器優化設計、輸出諧波抑制、模型仿真和實驗平臺仿真等方面提出了各自的見解。隨著電力電子技術的不斷發展和人們對于系統性能的不斷完善的要求的增加，必將引起各國學者更多的研究興趣，引發更多的研究熱點。

2 EV/HEV用多電平變換器的研究

多電平變換器在EV/HEV的應用類型，常見的為NPC型和CHB型，給EV/HEV帶來的優勢在于［28］:

(1)在基頻開關頻率下能夠產生更接近正弦的電壓波形。

(2)基本消除電磁干擾和共模電壓。

(3)使EV駕駛更加舒適安全，更大程度上實現線控。

由于CHB型變換器不容易實現背靠背式的結構，因此對于混合動力車這種充放電交替運行的系統而言不是一個很好的選擇，因此CHB型多電平變換器多用于純電動車，而混合動力車則多選擇容易實現背靠背結構的NPC多電平變換器［28］。CHB型變換器也可以工作在整流模式，應用于并行式混合動力車的充電環節［34］。

使用多電平變換器作為EV/HEV的牽引電機驅動系統的能量轉換裝置，在設計上基本包括以下幾個部分:穩定的直流電源(由電池組供給)、電源配給環節(CHB型為DC電源和一定數量的獨立電源，NPC型為直流側穩壓電容)、多電平變換器和電動機/發電機。其基本架構圖如圖2所示。

圖2 多電平變換器在EV牽引電機驅動系統中的應用架構圖

下面分別以CHB型和NPC型多電平變換器在EV/HEV中的設計為例，介紹目前基本的研究情況。

2.1 CHB型多電平變換器在EV/HEV中的應用研究

2.1.1 拓撲結構

CHB型多電平變換器在EV/HEV牽引電機驅動系統中的基本架構如圖3所示。

圖3 CHB型多電平變換器的基本架構

在兩個系統中，此多電平變換器既可以逆變模式工作于EV/HEV的驅動模式下，也可以整流模式輔助發電機或外界的充電裝置對電池組充電。

對于如何給CHB型多電平變換器中的H橋上的單元供電，目前提出了混合電源供電法和環形變壓器供電法兩種解決辦法。

在混合電源供電法中，可使用電池組、超級電容或燃料電池來作為獨立電源給H橋電路供電［23，26，31］。CHB 型五電平變換器的拓撲結構如圖4所示。

在圖4中的H橋上，使用了超級電容供電。可以通過改變H橋導通相角的大小來控制電容的充放電時間，保證充電量大于等于放電量。通過調節通時間還可以實現輸出電壓幅值的放大，達到boost電路的效果［23，26］。

導在高頻環(HFL)供電法［20－22］中，使用通有高頻方波的環形變壓器所產生的多個獨立電源給H橋電路供電。這種供電裝置由一個高頻方波發生器和一個環形變壓器組成，僅靠一個直流電源供電，尤其適用于EV/HEV中一個整體的電池組供電的情況，如圖5所示。

圖4 CHB型五電平變換器

圖5 基于高頻環供電法的CHB型多電平變換器的結構圖

這種方法的缺點是需要大約20%的電能來支持方波發生器工作，因此大大降低了系統整體的效率，同時這種裝置的體積也偏大。

2.1.2 控制策略

目前眾多的多電平調制控制方法大體可以分為狀態空間矢量領域類(操作根據基于電壓矢量)和時間領域類(操作根據基于電壓標量)［1］兩類。同時，不同的調控方法也可以按照開關頻率的大小分為三類:低開關頻率、中開關頻率和高開關頻率。其中低開關頻率的方法適用于高功率設備，可以減少開關損耗。而動力范圍變化比較大的設備則易選擇輸出功率質量比較好、波段比較高的高開關頻率方法。

CHB型多電平變換器在EV/HEV牽引電機驅動系統中的控制方法分成兩大類:基頻開關控制和高頻開關PWM控制(包括載波PWM、特定諧波消除 PWM 和空間矢量 PWM)［23，26］。其中，基頻控制可以實現整個系統電壓的boost輸出［23，26］。當CHB型多電平變換器的H橋采用電容供電時，改變橋臂的導通時間來控制電容的充放電平衡也是研究的重點［34］。

2.2 NPC型多電平逆變器在EV/HEV中的應用研究

2.2.1 拓撲結構

NPC型多電平變換器在EV/HEV牽引電機驅動系統中的基本架構如圖6所示。

圖6 NPC型多電平變換器的拓撲架構

NPC型多電平變換器在中級電壓系統中廣泛應用于電壓源變換器(VSC)［2］等方面。在EV/HEV系統中，NPC型多電平變換器主要以背靠背式的架構，在驅動模式下工作在逆變狀態，在制動模式下工作在整流狀態，以實現能量的回收利用［28］。

2.2.2 控制策略

針對NPC型多電平變換器的控制方法基本可以分為三大類:包括載波PWM、特定諧波消除PWM和空間矢量PWM，同時還有線性控制、直接轉矩控制、預測控制［2］等。

由于NPC型多電平變換器本身的特殊結構，直流側電容電壓平衡問題一直是研究熱點，在EV/HEV系統中，中點電壓平衡問題同樣值得關注［33］。

3 結 論

通過上述的內容可以看到，CHB型和NPC型多電平變換器完全適合用于電機驅動的工作條件，在EV/HEV牽引電機控制系統中引入多電平技術，可以發揮其本身的長處，給EV/HEV帶來傳統的二電平變換器所沒有的優勢:

(1)多電平變換器的設計完全適合驅動大額定功率電機，傳統的230 V和460 V的電機也可以應用在EV/HEV系統中。

(2)多電平變換器由于提升了輸出電壓，同時把開關頻率降到最低，極大提高了整個系統的運行效率。

(3)在系統設計上可以使用電壓低的開關器件。

(4)輸出電壓和電流波形更加接近正弦波，抑制了輸出轉矩波動，減少了系統噪聲，提高了駕駛的舒適性。

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