高壓大功率變頻器拓撲結(jié)構(gòu)研究

在普通二極管箝位型多電平變換電路中,箝位二極管的阻斷電壓與開關(guān)器件的承受電壓相同，變頻器電平數(shù)越多，串聯(lián)的箝位二極管器件就越多。例如在圖1(a)中，VD_C2，、VD_C5由3個相同的二極管串聯(lián)；VD_C3和VD_C4。,由兩個相同的二極管串聯(lián)。由于二極管特性參數(shù)不一致會導(dǎo)致所串聯(lián)的二級管電壓存在偏差,而偏差太大會造成二極管器件損壞，因而需要均壓措施和RC吸收電路,但這又導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大,成本增加。為了解決這一問題,本文提出了一種改進型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。這種拓撲所用的功率器件數(shù)量和傳統(tǒng)拓撲一樣，通過改變箝位二極管直接的連接關(guān)系，直接和間接地將二極管的電壓箝在單電平電壓之內(nèi)，從而使得阻斷電壓為每個電容上的電壓，在電平數(shù)較多的情況下，該電路比普通二極管箝位電路具有較大的優(yōu)越性。

隨電平數(shù)的增加，箝位二極管的數(shù)量以電平數(shù)二次方的規(guī)律遞增,所以當(dāng)電平數(shù)較高時，就會需要大量的箝位二極管，從而使系統(tǒng)在布局上難以實現(xiàn)。目前,應(yīng)用于大容量的實用化拓撲，基本上都是二極管箝位型三電平逆變器，因為該逆變器只有兩個直流分壓電容，它的中點電位控制相對簡單。該類結(jié)構(gòu)若要進一步發(fā)展，其研究的重點將是如何通過軟硬件結(jié)合的方式控制中點電容電壓平衡,從而實現(xiàn)更高電壓等級的應(yīng)用。目前,此類結(jié)構(gòu)最有可能得到實際應(yīng)用的是“背靠背，，式多電平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以控制電容中點電壓平衡，提高電壓等級，而且還可以實現(xiàn)電機的四象限運行。

2  飛跨電容箝位型變換電路

飛跨電容箝位型拓撲結(jié)構(gòu)最早是由T.A.Mey-nard和H.Foch在1992年的PESC會議上提出的。圖2所示是一個飛跨電容箝位型五電平逆變器的單相電路。由圖2可見，飛跨電容箝位型五電平主電路只是用飛跨電容取代箝位二極管，其工作原理與二極管箝位電路相似。這種拓撲結(jié)構(gòu)雖然省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。不過，由于電容的引進，電壓合成的選擇增多，開關(guān)狀態(tài)的選擇更加靈活，通過在同一電平上不同開關(guān)狀態(tài)的組合，可使電容電壓保持均衡。對于一個兒電平的飛跨電容型電路，每個橋臂需要2(n-1)個開關(guān)器件，(n一1)個直流分壓電容以及(n—1)(n—2)/2個箝位電容。

這種變換電路的優(yōu)點是開關(guān)方式靈活、對功率器件保護能力較強，它既能控制有功功率，又能控制無功功率，適合高壓直流輸電系統(tǒng)等，但控制方法非常復(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低，對高壓系統(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難，通常生產(chǎn)應(yīng)用一般不采用該電路結(jié)構(gòu)。為了用較少的飛跨電容實現(xiàn)較多的電平輸出，文獻提出了一種全二進制組合的浮動電壓源逆變器拓撲。在該拓撲中，通過改變飛跨電容的電壓比，可使每個開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)一個輸出電平。

3  H橋式級聯(lián)型變換電路

在獨立直流電源的級聯(lián)型變換電路中，最基本的是H橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖3所示是一種H橋式級聯(lián)型五電平逆變器三相電路。這種電路不需要大量箝位二極管和飛跨電容,但每個基本單元都需要用一個獨立的直流電源來實現(xiàn)箝位功能，一般可通過多輸出繞組變壓器經(jīng)整流后實現(xiàn)。

設(shè)H橋級聯(lián)型多電平變頻器的每相串聯(lián)的單元數(shù)為n,則輸出相電壓波形所含電平數(shù)為m=2n+1。設(shè)每個H橋開關(guān)函數(shù)為H_k(k=l,2,…,n)，開關(guān)狀態(tài)是S₁,S₂,S₃,S₄,則：

式中：S₁表示開關(guān)管T_k1,T_k4導(dǎo)通，開關(guān)管T_k2、T_k3關(guān)斷；S₂,S₃表示開關(guān)管T_k1、T_k3導(dǎo)通，開關(guān)管T_k2、T_k4關(guān)斷；S₄表示開關(guān)管T_k3、T_k2導(dǎo)通,開關(guān)管T_k1,T_k4關(guān)斷,式中，U_dc表示單個H橋單元的直流母線電壓。

通過單相電壓的計算可知，當(dāng)其電路接成三相時，可以達到10kV以上的輸出，輸出的電壓波形更接近正弦，可不用輸出濾波器，同時網(wǎng)側(cè)電流諧波較小。在控制方面不存在電容電壓動態(tài)控制問題，在實現(xiàn)上相對比較容易。

雖然使用單獨的直流電源可使電路的各單元彼此隔離，解決單元級聯(lián)時的動態(tài)均壓和電壓箱位問題，但是輸出電壓等級越高，串聯(lián)功率單元數(shù)也越多，這樣,所需的移相隔離變壓器的副邊繞組也很多，而移相隔離變壓器體積大、接線復(fù)雜，這會使制造難度增加，成本也增加很多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜。為此，越來越多的文獻都對H橋級聯(lián)型拓撲進行改進。

在1998年的IEEEAPEC會議上,M.D.Manjrek-ar等人提出了混合七電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對不同單元采用不同的直流電壓，可以用較少的級聯(lián)單元得到較多的輸出電平。圖4給出混合七電平級聯(lián)型逆變器的三相電路，電路中電壓高的H橋單元功率開關(guān)元件采用IGCT,電壓低的H橋單元則釆用IG-BT,從而形成不對稱級聯(lián)型多電平拓撲。而且耐壓值較高、開關(guān)頻率較低的IGCT功率單元采用切換頻率為輸出電壓的基波頻率;耐壓值較低、開關(guān)頻率較高的IG-BT功率單元采用PWM調(diào)制,這樣既可滿足功率要求，又可減小諧波。這種拓撲結(jié)構(gòu)綜合利用了這兩種功率器件的高電壓阻斷能力和快速開關(guān)能力，同其他類型多電平逆變器相比，在輸出相同電平數(shù)的情況下,其需要的功率器件最少。

如果將圖4中具有公共端的三組H橋逆變電路用三電平NPC逆變器代替，則可構(gòu)成圖5所示的多電平拓撲。在該拓撲中，一個三電平單相逆變橋與一個兩電平H橋逆變電路串聯(lián)組成一相，前者輸出為五電平，可提供主要的基波電壓和大部分輸出功率,稱為主逆變橋。后者輸出為三電平，可提供輔助的改善波形的電壓和小部分輸出功率，稱為輔助逆變電路。從逆變器的開關(guān)模式和輸出電壓效果來看，該拓撲結(jié)構(gòu)與圖3所示的拓撲結(jié)構(gòu)是等效的，因此，將該拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器稱為5/3主從式混合多電平逆變器分析表明，這種改進的H橋級聯(lián)多電平拓撲所使用的器件數(shù)量比其他類型多電平逆變器減少了1/3。此外，H橋結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展還可降低成本，提高效率(例如加入儲能單元等混合拓撲結(jié)構(gòu))。

4  直接串聯(lián)式變換電路

事實上，串并聯(lián)在一起的各個器件，可看作單個器件使用，其控制也是完全相同的。從圖6所示的直接串聯(lián)IGBT中壓變頻器主電路可以看出，電網(wǎng)電壓經(jīng)過高壓二極管整流和電容濾波后，再經(jīng)過逆變器進行逆變，然后通過適當(dāng)?shù)臑V波器，就可簡單易行的實現(xiàn)高壓輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可利用較為成熟的低壓變頻器電路拓撲、控制策略和控制方法。但器件在串聯(lián)使用時，由于各器件的動態(tài)電阻和極間電容不同,故會存在靜態(tài)和動態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施，也會使電路復(fù)雜且損耗增加;此外，器件的串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也會大大提高，故要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷，否則，由于各器件開斷時間不一致，承受電壓不均，可能會導(dǎo)致器件損壞甚至整個裝置崩潰。

5  模塊化多電平變換電路

隨著電平數(shù)的增多,箝位型拓撲結(jié)構(gòu)所需的半導(dǎo)體器件的數(shù)量急劇增加，電容電壓不容易平衡，需采用復(fù)雜的電壓控制策略,但這會限制這類拓撲的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。H橋型級聯(lián)多電平變頻器所需的半導(dǎo)體器件數(shù)量明顯少于中點箝位型拓撲結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用在有功功率變換的場合時，需要多個獨立直流電源，這又限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決上述問題,本文提出了一種新的拓撲結(jié)構(gòu):模塊組合多電平變頻器（Modular Multilevel Converter:以下簡稱MMC）。

MMC按組成電路拓撲結(jié)構(gòu)的不同可分為三種拓撲結(jié)構(gòu):第一種是星型模塊化多電平變頻器的拓撲，其結(jié)構(gòu)如圖7（a），實際上該電路就是H橋級聯(lián)型多電平變頻器;第二種是三角型模塊化多電平變頻器的拓撲，其結(jié)構(gòu)如圖7（b）；第三種是模塊化多電平變頻器的拓撲，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,該結(jié)構(gòu)是SI-EMENS公司提出的，其中，第一種和第二種結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)能量的變換，即將模塊直流側(cè)能量傳送給交流電網(wǎng)，但各個子模塊直流側(cè)需要獨立的直流電源，而這兩類拓撲結(jié)構(gòu)均不存在公共的直流側(cè)，因而不適用于需要統(tǒng)一直流側(cè)的變頻器應(yīng)用場合。

在圖8中，n+1電平模塊化變頻器每相由2n個子模塊SMCSub—Modular）和2個電抗器組成,SM的結(jié)構(gòu)可以是單相H橋結(jié)構(gòu)或單相半H橋結(jié)構(gòu)。一個子模塊共有3種開關(guān)狀態(tài):第一種是2個IGBT（T1、T2）均關(guān)閉;第二種是T1導(dǎo)通,T2關(guān)閉，這時SM輸出電壓為電容電壓，稱為投入狀態(tài);第三種是T1關(guān)閉，T2導(dǎo)通，這時SM輸出電壓為0,稱為切除狀態(tài)。

這樣,可以通過觸發(fā)來控制SM的輸出電壓。出于模塊化設(shè)計和制造的目的，各子模塊的額定值相同，輸入側(cè)與輸出側(cè)的6個橋臂電抗值也相等。MMC正常工作有2個條件：

直流電壓的維持，對圖8來說就是3個相單元中處于投入狀態(tài)的SM數(shù)都相等且不變，并使U_A=U_B=Uc；

三相交流電壓的輸出調(diào)節(jié)，就是通過對3個相單元上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的SM數(shù)進行分配而實現(xiàn)對變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。

MMC可以實現(xiàn)整流和逆變狀態(tài)，并進行四象限運行,具有嚴格的模塊化結(jié)構(gòu)和良好的控制特性，適用于高壓大功率領(lǐng)域。MMC在獲得多電平輸出的同時,還能有效降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率，不僅減少了諧波和高頻干擾，同時也可降低開關(guān)損耗。其次,MMC允許使用標準化元件，可以在采用相同器件的前提下向不同的功率和電壓等級擴展，因而無需使用變壓器就可應(yīng)用于高壓直流輸電、新能源并網(wǎng)、牽引供電等中高壓大功率的場合。最后，MMC易于模塊化組合,而且設(shè)計靈活，利于普及。

6 結(jié)論

本文對目前幾種常見的高壓大功率變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)特點進行了分析。目前二極管箝位型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了很成熟的應(yīng)用，但是，由于其母線中點電容電壓難以控制平衡，因此，該結(jié)構(gòu)僅可使用于7電平以下的電路?，F(xiàn)在,高壓變頻器應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛采用H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)高電壓，且在輸入側(cè)釆用了特殊制造的移相變壓器，可以避免對電網(wǎng)的諧波污染。而與此同時，模塊化多電平變頻器的引入,也開闊了高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)。從這些結(jié)構(gòu)中可以看出各種多電平電路的拓撲結(jié)構(gòu)都是向著高效率、高性能、高電壓、高可靠性、低成本等方向發(fā)展，主要目的是使高壓變頻器變得更加實用。