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展方向，多電平變換技術是實現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缺點，分析研究了級聯多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯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 載波組調制

0 前言

電力電子技術的誕生和發展使人類對電能的利用方式發生了革命性的轉變。電力電子的發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展方向，實現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缺點，研究了級聯多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯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，每2個開關器件同時處于導通或關斷狀態，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電壓箝位功能。由FCMI開關狀態及對應輸出電壓關系可得，FCMI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組合得到。如輸出電壓E，對應四種開關狀態組合；輸出電壓0，對應六種開關狀態組合。這種開關狀態組合的冗余性，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，用來實現期望的輸出電平；Sc1-Sc12為箝位開關，用來實現箝位功能。互補的兩個開關(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組合得到，如0電壓輸出對應6種開關狀態，即開關狀態組合存在冗余。

1.4 級聯型多電平拓撲

級聯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，級聯型拓撲才得到了較為廣泛的應用。圖4(a)為傳統的單相級聯五電平拓撲結構，由兩個H橋級聯構成。

級聯型與二極管箝位型、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。

級聯多電平優點：①采用相互獨立的直流電源，無須靜態和動態均壓。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箝位的多電平拓撲。該拓撲的出發點是為了解決傳統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來實現電容電壓平衡，但在純無功功率情況下，不能實現電容電壓平衡。

圖5(b)中，Sal-Sa4與Snl-Sn4為主開關管，用來實現期望的輸出電壓；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 三相級聯多電平拓撲

2.1 三相級聯多電平可靠性

三相級聯型多電平變換裝置主電路如圖6所示。

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

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

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

圖7所示為15單元系統分別具有0、1、2個單元模塊故障的重構能力時，系統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，系統的重構能力越高則系統的可靠性越高。

2.2 三相級聯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)方法能實現多電平級聯的變換裝置的控制；②CPSPWM方法最大幅度調制比為1，當M大于1時輸出電壓出現飽和。

3 結論

多電平變換技術是實現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缺點，以級聯多電平為對象，研究了三相級聯多電平變換裝置的可靠性，并對三相級聯11電平變換裝置進行了載波組調制仿真分析驗證。多電平拓撲結構優化改進及應用，將是下一步的研究重點。

[1] 吳洪祥. 多電平變換器及其相關技術研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2002.

[2] 齊悅, 楊耕, 竇日軒. 基于多電平變換器的拓撲分析[J]. 電機與控制學報, 2002, 6(1): 74-79.

[3] 王奎, 鄭澤東, 李永東. 一種新型的無變壓器級聯型多電平變換器拓撲[J]. 電工技術學報, 2011, 26(8): 1-6.

[4] 王琛琛, 李永東. 多電平變換器拓撲關系及新型拓撲[J]. 電工技術學報, 2011, 26(1): 93-99.

[5] 胡鵬飛, 江道灼, 郭捷. 基于晶閘管換向的混合型多電平換流器[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(21): 102-107.

[6] Nabae A, Takahashi I. A new neutral point clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.

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[10] 呂飛. 大容量電力電子變換裝置可重構控制研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2008.

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。