多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法研究

這種結(jié)構(gòu)與以上所述的二極管箝位式和電容箝位式結(jié)構(gòu)比較有以下優(yōu)點：

1）實現(xiàn)了電容電壓的自動箝位，不需要復(fù)雜的電容電壓平衡控制算法；

2）將此結(jié)構(gòu)的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實現(xiàn)功率的雙向流動，所以，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，可以實現(xiàn) DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率轉(zhuǎn)換。

該結(jié)構(gòu)的缺點：

1）當電平增加時，所需要的電容和功率開關(guān)數(shù)目都會增加許多，使得系統(tǒng)的成本和體積增大；

2）由于使用了大量的功率開關(guān)和箝位電容，使得電路在工作時的開關(guān)損耗增大；

3）隨著電路級數(shù)的增加，由于功率開關(guān)的通態(tài)壓降引起的每級電壓降落將越來越明顯。

2.2 具有獨立直流電源的級聯(lián)式多電平逆變器

以上使用無源元器件箝位的多電平逆變器拓撲都是采用半橋結(jié)構(gòu)，下面分析的功率單元串級逆變電路^[5]和混合單元的串級逆變電路，其基本單元都是基于全橋結(jié)構(gòu)的。級聯(lián)式多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)是將進行了相對位移的復(fù)合H橋逆變器模型串聯(lián)起來，通過合成輸出多電平電壓波形。

2.2.1 功率單元串聯(lián)逆變電路

以基本單元為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)對輸出電壓、電平數(shù)的要求可決定串聯(lián)的單元數(shù)。每相串聯(lián)的單元數(shù)為M，則輸出相電壓波形所含電平數(shù)為2M＋1，輸出線電壓波形所含電平數(shù)為4M＋1。圖5是Y型連接的三相七電平串級電路結(jié)構(gòu)。

圖 5 Y型 連 接 的 三 相 7電 平 串 級 逆 變 器 電 路

Fig.5 Connected shape three phases seven levels cascade converter

相對于傳統(tǒng)中點箝位逆變電路，串級逆變電路有下列優(yōu)點：

1）直流側(cè)采用相互分離的直流電源，不存在電壓均衡問題；

2）結(jié)構(gòu)簡單清晰，控制方法相對簡單，可分別對每一級進行PWM控制；

3）H橋單元結(jié)構(gòu)，為模塊化設(shè)計、制造帶來方便，另外，當H橋出現(xiàn)故障，可將其旁路，余下的單元可以繼續(xù)工作。

這種結(jié)構(gòu)的缺點在于：每個單元需要一個獨立的直流電源。隨著電平數(shù)的增加，串級電路單元使用的直流電源數(shù)也將大量增加。

2.2.2 混合單元串聯(lián)逆變電路

通常，開關(guān)速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的開關(guān)頻率又較低。為了用更少的單元得到更多的電平，基于“混合功率單元[6]”的串級逆變電路得到了發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)功率單元串聯(lián)逆變電路的推廣。

文獻[7]提出了對2個獨立單元的直流箝位電源采用電壓比為1：2，一個單元使用IGBT，另一個單元使用IGCT的混合串級逆變電路，IGCT單元上的電壓2倍于IGBT單元，如圖6所示。在控制上，以基波開關(guān)IGCT，以PWM方式調(diào)制IGBT。比起功率單元串級電路，這種混合單元的串級電路有一個優(yōu)點：由于2個單元預(yù)先給定的電壓不同，IGBT單元和IGCT單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)單相7電平的輸出。這種結(jié)構(gòu)達到了用更少的單元得到更多電平的目的。

圖 6 IGBT和 IGCT組 成 的 混 合 單 元

Fig.6 Hybrid cell with IGBT and IGCT