关键词：三电平；单元串联多电平；应用
About multi-level high-voltage converter topology of the two TANG Xing Long LIU Hui Kang XIONG Wen SUN Kai（Wuhan University of Science and Technology College of Information Science and Engineering,Wuhan Hubei 430081）Abstract: With high voltage inverter, since its birth in the energy-saving and environmental protection reflects the high value, it also caused a lot of academics for research. In this paper, the multi-level high-voltage converter topology of the two main structure and principles for analysis.Key words: Level 3; Series multi-level unit; Application
1 前言
对于高压电动机，我们如果采用传统的三相六拍的结构变频器对电动机进行控制，由于电压过高，加上电力电子器件开关速度的提高，这样开关器件输出的 值就会很大。由于电动机的绕组的中性点是不接地的，电动机每绕组对地存在分布电容，输出电压的变化相当于电容两端电压的变化，即对电容的频繁充放电，充放电对电动机定子绕组的绝缘将造成冲击，而且 越大，冲击也越大。电压输出端的电压谐波很容易引起电动机发热而造成电机的损坏，再加上由于电力电子器件本身制造的原因很难达到我所需要的6KV或10KV的高压所以就必须对变频器的拓扑结构进行研究。
多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1980年的IEEEIAS年会上，日本长冈科技大学的A.Naba。等人提出了中性点钳位型（Neutral Point Clamped-NPC）的三电平电路结构[1]。基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对功率逆变器件和控制电路要求都很高，最初并未受到太多关注。直到90年代，随着GTO, IGBT的成熟应用和IGCT, IEGT等新型全控型器件的先后出现，以及以DSP为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压钳位方式，可将其分为二极管钳位型（Diode Clamped，又称中性点钳位型NPC）、电容钳位型（Capacitor Clamped）和单元级联型（Cascaded Multicell）三类[2]。
2 三电平变频器及其派生的方案
2.1 三电平变频器的工作原理
图1所示是三电平逆变器单相的逆变部分的结构图 ，图中S1～S4是逆变器件的器件，逆变器件可以是GTO、IGBT或IGCT管。V1～V4是逆变器件的续流二极管，V5和V6是钳位二极管，为了平衡的电路，所有的二极管在选用时必须有相同的功率和相同的耐压等级。而电容Ed的作用是滤去整流电压所产的谐波使得到的直流电压相对比较稳定，C点是中心点，是基点的参考电压。
通过对S1～S4功率逆变器件的开通和关断的控制，即可以输出三种不同的电平，当S1、S2开通时输出+Ed的电压，当S2、S3开通时输出的电压为0，当S3、S4开通时则输出-Ed的电压，由原理图可知在输出端能够输出三种不同的电压，所以把这种变频器叫做三电平变频器。对S1～S4的开通时间进行控制则能近似的输出需要的正弦可调的电压来驱动电机，即SPWM调制变频方式。我们可以建立如表1所示的工作状态表。
表1 各开关的工作状态
根据以上的原理，我们用12只全控的逆变器件加箝位二极管就可以组成三相的三电平电压型变频器。如下图2所示为三相三电平变频器的原理结构图，因为有共同的基点所以又称为中心点箝位变频器。
根据逆变器单相逆变器件的开关工作状态可知逆变器共有P、O、N三种稳定的工作状态。现在我们对逆变器件按单脉冲延时α角触发来对逆变器件的开关工作状态进行控制进行输出电压滤形的研究，若变频器对三相Y形阻性负载供电，图3是单相输出的电压形式，图4是负载的连接图。
若假定负载的中点为O＇，电源逆变箝位中心点为O则可以用负载的相电压UAO＇如下的公式表示出：
公式中
表示O＇与箝位中点的O的电位差。为了保证逆变器件的触发导通，我们这里设定触发的延迟角为：
， 即
。A、B、C三相的触发控制角相差120°，即
。则我们可知三相端口各自的输出电压，表2.5是它们在不同时刻的输出的电压表。
表2 一周期内三相三电平输出端的各相电压
根据表2和式（1）列出A相一个周期内的电压区间式子则有：
以上所求的为A相在上半个周期内各个时间区域内的输出电压，下半个周期内输出的电压大小绝对值相等，只是电压的方向刚好相反，依次为0、-2/3Ed、-Ed、4/3Ed、-Ed、-2/3Ed、，三相电各个输出中，B相，C相分别滞后A相2TT/3和4TT/3。B相的输出电压也是每∏/3就发生一次变化。根所上面所求的UAO＇和UBO＇就可以得到输出端两相之间的线电压UAB，如表3所示。
表3 线电压的输出电压表
根据表3我们可以画出A、B两相之间的电压输出波形图：
由波形图5我们可以看出，输出的线电压的波形相似于正弦波形，但在接入电机前必须进行电抗器和电容进行滤波才能达到电机输入电压的控制要求，由于直接输出端的电压谐波比较大，所以三电平变频器必须有合理的滤波电路才能再对电机进行变频调的控制。通对单脉冲的控制我们可以看出，如果对三电平变频方式进行SPWM方式变频控制则输出的电压波形将进一步逼近正弦波。当然其滤波还是很大，必须接于较大的电抗器或者电容来减少谐波后对电机进行变频调速控制以免谐波的影响而损坏电机。
2.2 三电平变频的派生方案
（1）二极管钳位型多电平
在1983年的IAS年会上，A.Bhagwat等人进一步将三电平推广到任意多电平结构。[3]如图6所示为采用二极管钳位结构的五电平变频器，其原理与三电平变频器大同小异，只是输出电压的台阶数更多、波形更好，在相同器件耐压下，可输出更高的交流电压，适合做成更高电压等级的变频器，但器件的数量和系统的复杂性也大大增加了。
二极管钳位式五电平变频器的开关状态及输出电压如下表所示：
表4 二极管钳位式五电平变频器的开关状态及输出电压
通过分析可知。二极管钳位型多电平电路的主要特点是：
①采用多个二极管对相应的全控器件进行钳位来解决器件的均压问题。M电平电路每相桥臂需全控型器件2（M-1）个。需要使用大量钳位二极管，使七电平以上的NPC电路失去了实用价值。
②直流侧采用电容分压形成多级电平，不需要结构较复杂的曲折联结变压器。M电平电路需M-1个分压电容，在控制上需解决电容电压不平衡问题。
③ 每相桥臂开关管的工作频率不同，中间开关管的导通时间远远大于外侧开关管，负荷较重。这样很容易造成总是烧坏中间的开关器件。开关器件的控制复杂，使得七电平以上的在实际应用很难进行控制。
（2）电容钳位型多电平
电容钳位的飞跨电容型（Flying Capacitors）多电平电路是由T.A.Meynard等人在1992年的PESC年会上提出的[4]。电容钳位型五电平电路如图7所示。飞跨电容型多电平电路的主要特点是：
① 采用跨接在开关器件之间的串联电容进行钳位，M电平电路每相桥臂需（M-1）（ M-2）/2个钳位电容，直流侧分压电容与二极管钳位型电路相同。
② 开关状态的选择比二极管钳位型电路具有更大的灵活性，有利于平衡开关器件导通时间和电容电压。
③ 由于直流滤波电容体积大、成本高、使用寿命较短，其实用价值不如二极管钳位型电路。
近年来又有几种基于上述两种结构的改进电路被提出，其中具有代表性的是F. Z. Peng等人在IEEE IAS2000会议上提出的钳位型多电平电路的统一拓扑结构[5] ，图8为其单相电路图。二极管钳位型和电容钳位型电路都可以从这一电路拓扑推导得出，并且该电路可以实现直流电容电压的自动平衡。
2.3 单元串联多电平高压变频器
为了增加电平数以提高输出电压等级，进一步减小高次谐波含量，M.Marchesoni等人在1988年的PESC年会上提出了H桥级联的多电平逆变电路。如图9是单元串联七电平的电路图。
单元级联多电平变频器采用若干个低压功率单元串联的方式来实现高压输出，这种电路的结构和方法很容易实现向更多电平数的扩展，实现更高电压的输出。单元级联多电平的主要特点是：
①每相由N个H单元级联而成，逆变电路输出相电压电平数M=2N+1，由于各个功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某一单元出现故障，可将其旁路，而其余功率单元可继续运行，提高了系统的运行的可靠性。
②直流侧全采用独立电源供电，不需要钳位器件，不存在电压均衡问题。若直流电由三相不可控整流电路供电时，整流侧需多绕组曲折联结变压器（移相变压器），增大了装置体积，但采用多重化整流减小了输入侧电流谐波。
③按某一定特定规律分别对每一个功率单元进行控制，各功率单元波形叠加即可得到多电平输出，控制方法比钳位型电路对各桥臂的整体控制简单，并且易于扩展更高的电压输出。
尽管功率单元级联多电平高压变频器需要大量的隔离直流电，级联结构还是具较高的性能，在实际工业应用中有也较多采用该种结构。从90年代初开始，多电平逆变器在高压、大功率方面的应用越来越广泛，特别是在减小电网谐波和补偿电网无功方面有着良好的应用前景。多电平逆变器不仅可以降低开关器件的电压额定值，而且大大改善了逆变器的输出波形，降低了输出电压的谐波畸变率。
3 多电平变频器的应用
经过多年的研究，多电平逆变器的主电路拓扑在理论上已经基本完备。在各种拓扑中，已能获得实际应用的是二极管嵌位式三电平逆变器和等电压单元级联式逆变器。二极管嵌位式三电平逆变器的代表产品有：ABB公司的ACSI00系列高压变频器和GE公司的INNOVATION系列高压变频器，它们都是基于IGCT的三电平电路构成，但电压最高只能应用于4KV的电压等级，并且高次谐波含量仍然较大。级联式逆变器的代表产品为美国罗宾康公司的完美无谐波高压变频器。北京利德华福公司的Harsvert-A系列高压变频器，使用的功率开关器件是IGBT，最高可以应用于lOKV电压等级。在电力系统无功补偿领域也已经有实际应用，ALSTOM公司于2000年研制了世界上首台基于级联式结构的士75Mvar STATCOM，用于提高英国北部向南部送电的传输功率。我国清华大学和上海电力公司正在合作研制基于IGCT级联式结构的士50Mvar STATCOM。多电平逆变器在大功率电源、大功率电力有源滤彼等方面的研究工作也了已经展开。
4 小结
本文对现有高压逆变中应用较多的几中拓扑结构进行了结构上的分析，并指出这几种主电路拓扑结构的应用上的特点。多电平高压变频器具有调速精度高，功率因素高，完美无谐波且节能效果显著等特点，值得广泛应用。
参考文献：
[1] 李永东,倚鹏.大功率高性能逆变器技术发展综述[J]，电气传动，2000, （6）:3-9
[2] 齐悦,杨耕,窦日轩.基于多电平变换逆变电路的拓扑分析，电机与控制学报，2002, 6（1）:74-79
[3] 单庆晓,李永东,判孟春.级联型逆变器的新进展.电工技术学报,2004（2）1-9
[4] 吴洪祥,何湘宁.级联型多电平变换器PWM控制方法的仿真研究,中国电机工程学报,2001,21（4）:42.4
[5] 丁凯,邹云萍,张贤,等.级联多电平逆变器研究,电力电子技术,2002,36（2）:26-28
