一種改進的級聯型多電平變換器拓撲

陳阿蓮，何湘寧，趙榮祥

（浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

??? 摘? 要：該文提出了一種改進的級聯型多電平變換器，它可以由任意個H-橋單元級聯構成。其中的H-橋可以是兩電平，也可以是二極管箝位型或電容箝位型的任意電平，不同單元采用不同的獨立直流電壓源。相對于傳統的級聯型拓撲，在得到相同輸出電平的情況下，新拓撲可以使用較少數量的開關器件和較少數量的獨立電壓源，從而簡化電路，降低成本。該文以兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯構成的拓撲為例進行了分析研究和仿真驗證。
????? 關鍵詞：級聯型多電平變換器；H-橋；混合

1? 引言
?????? 在多電平變換器的三種基本拓撲中，級聯型拓撲相對于二極管箝位型和飛跨電容型五電平變換器來說，具有需要最少數量的器件、不需要大量的箝位二極管和飛跨電容、易于模塊化和易于采用軟開關技術等優點，被認為是較適合于電網接口的變換器^[1]。圖1是傳統的級聯型三電平變換器單臂電路，它由2個兩電平H-橋單元級聯構成。

??? 為了增加輸出電壓的電平數和提高波形質量，越來越多的學者提出了改進的級聯型拓撲。文[2]對不同單元采用不同耐壓和功率等級的功率器件并對每個H-橋單元使用不同的直流電壓，從而用少量的級聯單元實現盡可能多的電平數，降低了系統成本。這一改進拓撲被稱之為混合型多電平變換器。文[3]將由任意電平的二極管箝位型H-橋單元相串聯所構成的拓撲稱為“通用級聯型變換器拓撲”。而本文認為該“通用”存在很大的局限性，它不能包括所有以飛跨電容型作為基本單元的級聯型拓撲。本文采用基本單元的概念和基于基本單元并串聯組合生成任意多電平變換器的思想^[4]，對由兩電平H-橋（2-H）和飛跨電容型三電平H-橋（3-H）級聯構成的拓撲進行了分析和仿真，并得出一定的結論。
2? 2-H/3-H級聯型拓撲的結構及工作原理
?????? 2-H/3-H級聯型拓撲的結構如圖2所示。它是由1個兩電平H-橋單元和1個飛跨電容型三電平H-橋單元級聯構成。當2個單元的直流電壓按照最大擴展原則來確定時，可獲得最大電平數的輸出。最大擴展原則如下所述^[5]：對于由m個單元級聯構成的多電平變換器，若每個單元能輸出的最大電平數為n_j（j=1，2，…，m），那么當各個單元的直流電壓按式(1)設置時，可得到最大電平數的輸出n，如式(2)

???? 當2個單元均為2-H橋時，級聯構成的拓撲即為圖1所示的傳統級聯型多電平變換器拓撲結構。這2個單元輸出的最大電平數均為3。利用最大擴展原則，當V_dc2/V_dc1=1/3時，可得到最大電平數的輸出n=3×3=9。在混合多電平變換器（結構同圖1）研究的基礎上，為了得到更大電平數的輸出，最近有些文獻^[6,7]把混合多電平變換器各個單元的直流電壓比由1:2:2²:…:2^N改為1:3:3²:…:3^N。這只是針對該特定的拓撲結構給出的結論，可看作是利用最大擴展原則的一個特例。而利用最大擴展原則確定各個單元的直流電壓比，可以很容易得到最大電平數的輸出。

??? 在圖2的拓撲中，3-H單元能輸出5個電平，即n₁=5，2-H單元能輸出3個電平，即n₂=3，當2單元的直流電壓比V_dc2/V_dc1=1/6時,可得到n=5×3=15電平的最大電平數輸出。若2-H單元和3-H單元的直流電壓分別為E和6E，則2-H單元輸出E、0、-E 3個電平，3-H單元輸出6E、3E、0、-3E、-6E 5個電平，2單元的輸出疊加，可得到15電平的輸出。表1列出了該拓撲15個輸出電平及2個單元分別的輸出。

??? 特別是，對于V_o的某些電平，要求V_o1、V_o2輸出正負相反的電平，這樣會產生電流回灌，使直流側電壓上升過高而得不到期望的輸出。為了解決此問題，可以對2單元使用由全控器件構成的有源整流，如圖3所示。圖中使用單相整流器可以節省器件，簡化控制。通過采用電流、電壓雙環控制的方法^[8]，可以保證級聯型逆變器的輸入電壓恒定。另外，有源整流器既可以作為有源濾波器消除諧波，提高功率因數；又可以作為有功控制器，將部分功率回饋到電網。圖3是一種具有能量再生能力的變換器系統，它能實現能量在電網和負載之間的雙向流動，特別適合用于大功率的再生負載。

??? 表2給出了在輸出15電平的情況下，該改進的級聯型拓撲與傳統的幾種多電平拓撲所需元件數的比較。

??? 從表中可以看出，二極管箝位型需要大量的箝位二極管，飛跨電容型需要大量的飛跨電容，傳統級聯型需要大量的獨立電壓源，并且這三種拓撲都需要數量較多的開關器件。2-H/3-H級聯型拓撲需要最少數量的元件，如果構成三相系統，這種優越性會更明顯。
3? 2-H/3-H級聯型拓撲的調制方法
?????? 一種拓撲必須要通過合適的調制方法，才能得到期望的輸出電平。圖2所示拓撲可采用混合調制^[9]的調制方法。對于該拓撲，除了要得到期望的輸出電平，還必須要考慮3-H單元箝位電容的電壓平衡。在此，對3-H單元在低頻下采用相移PWM^[10]，以利用飛跨電容型電路的開關狀態冗余特點來保證電容電壓平衡；而對2-H單元在高頻下采用單極性PWM。其中，2-H單元的調制信號由3-H單元的參考信號減去其輸出而得到，載波信號為高頻三角波。這樣，總的輸出電壓就由2個單元的輸出疊加得到，總的諧波也是2個單元的輸出諧波之和。2個單元的載波和調制信號如圖4所示。

4? 仿真驗證
?????? 用2-H/3-H級聯型拓撲的單臂構成1個單相半橋逆變電路，2單元的直流電壓比取為1:6，采用前面所述的混合調制方法進行了仿真研究。其中3-H單元的載波頻率取為50Hz，2-H單元的載波頻率取為3kHz，負載由100W的電阻、50.1H的電感串聯構成。圖5為2單元分別的輸出及總的相電壓、相電流輸出波形，圖6為相應的頻譜。可以看出，3-H單元輸出5個電平，2-H單元輸出3個電平，2個單元的輸出疊加得到總的相電壓，輸出為15個電平。并且，總的相電壓的頻譜為2個單元輸出電壓頻譜之和，仿真結果與分析一致。此時的相電壓和相電流的THD值分別為15.02% 和6.96%，而傳統的級聯型拓撲在采用相移PWM，載波頻率也取為3kHz下輸出相同電平時，電壓和相電流的THD值分別為31.85%和11.27%。

5? 結論
??? 本文提出的改進級聯型多電平變換器拓撲，在得到相同電平數輸出的情況下，比傳統級聯型拓撲需要較少數量的H-橋單元。因此，會節省大量的開關器件和獨立電壓源，從而簡化電路，降低成本。并且，通過采用合適的調制方法，輸出電壓的諧波含量會大大小于傳統級聯型拓撲的諧波含量。本文以2-H/3-H級聯拓撲為例進行了分析和仿真，更多的拓撲可以由任意個任意電平的任何類型的H-橋單元級聯構成。3個相同的單相電路通過Y或Δ連接可以方便地構成三相系統。

參考文獻

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