串聯(lián)堆積式多電平變換器運(yùn)行特性的研究

1、串聯(lián)堆積式多電平變換器運(yùn)行特性的研究串聯(lián)堆積式多電平變換器運(yùn)行特性的研究類別：電源技術(shù) 摘要：在比較分析三種多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)其中串聯(lián)堆積式多電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出它固有自平衡、自穩(wěn)定以及低開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力的運(yùn)行特性，因而將會(huì)廣泛地應(yīng)用于高壓變換器中。關(guān)鍵詞：多電平；變換器；高壓1前言隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電能變換裝置的要求越來(lái)越高。近年來(lái)，多電平技術(shù)在電力電子的應(yīng)用中得到了廣泛的重視。它可以用于整流、逆變以及直流斬波等多種能量變換電路中。歸納起來(lái)，多電平主要有以下幾方面特點(diǎn)：1)在整流或逆變電路中，采用多電平技術(shù)可以使輸入或輸出電流近似正弦波，大

2、大減小了諧波污染，提高了功率因數(shù)； 2)多電平的引入可以使開(kāi)關(guān)器件的電壓額定值成倍減低，使低壓開(kāi)關(guān)管能夠應(yīng)用于高壓場(chǎng)合中； 3)箝位多電平技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)均衡分壓，并且限制dv/dt，抑制電磁干擾影響； 4)在DC/DC變換中可以將準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)與多電平技術(shù)相結(jié)合，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高效率； 5)多電平技術(shù)使變換器模塊化成為可能，提高額定容量，增加冗余?；谝陨咸攸c(diǎn)，多電平技術(shù)未來(lái)將會(huì)在電力電子技術(shù)的發(fā)展中起到重要作用。以下將在比較研究串級(jí)式多電平(cascademultilevel)、箝位二極管式多電平(diodeclampmultilevel)和串聯(lián)堆積式多電(seriesstacke

3、dmultilevel)三種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制方式基礎(chǔ)上，對(duì)串聯(lián)堆積式多電平變換器工作特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2三種多電平變換器分析比較2.1串級(jí)式多電平變換器串級(jí)式多電平變換器如圖1所示，是將多個(gè)功率變換器模塊串聯(lián)后直接給負(fù)載供電。從圖1可見(jiàn)，串級(jí)式多電平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，串聯(lián)的每個(gè)功率變換器僅向負(fù)載提供一部分電壓，從而即提高了輸出電壓等級(jí)，并且可以使變換器產(chǎn)生多級(jí)電平輸出。在控制過(guò)程中，它不需要對(duì)各模塊內(nèi)部進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，而由主輸出閉環(huán)控制器對(duì)模塊工作進(jìn)行監(jiān)控。該電路拓?fù)涞囊粋€(gè)重要特點(diǎn)是它需要多級(jí)隔離母線，因而適用于如蓄電池等輸入隔離的電源場(chǎng)合，一般用于低頻（電源基頻）變換中。2.2箝位二極

4、管式多電平變換器圖2為一典型的箝位二極管式多電平變換器拓?fù)?。箝位二極管式多電平變換器是直接在高壓直流電源側(cè)并聯(lián)多級(jí)串聯(lián)電容及箝位二極管來(lái)減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。該種變換器非常適合于三相功率因數(shù)校正電路，因?yàn)檫@時(shí)電路直流側(cè)Vdc的電壓一般為750800V，甚至達(dá)到1000V。這就要求大幅度地提高PFC后級(jí)直流變換器電壓額定值，成本大幅度地上升。串級(jí)式多電平變換器拓?fù)渚涂筛鶕?jù)已有的開(kāi)關(guān)器件，成倍地減小開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力，例如原來(lái)必須采用1000V開(kāi)關(guān)器件的，現(xiàn)在三電平變換器拓?fù)浜笾豁?00V開(kāi)關(guān)管就足夠了，降低了成本，滿足了實(shí)際需要。因此目前，在中高電壓大功率DC/DC變換器中，主要采用三電平變換器拓

5、撲。但該種變換器在高于三電平時(shí)，電路拓?fù)浼翱刂戚^復(fù)雜。2.3串聯(lián)堆積式多電平變換器串聯(lián)堆積式多電平變換器如圖3所示，它可以看做串級(jí)式多電平變換器和箝位二極管式多電平變換器的組合，即利用后者直流高壓電源側(cè)并聯(lián)多級(jí)串聯(lián)電容降低各輸入變換器電壓應(yīng)力，又利用前者多個(gè)功率變換器模塊串聯(lián)來(lái)產(chǎn)生多級(jí)電平輸出，因而兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，所不同之處在于它的各變換器模塊之間需通過(guò)變壓器耦合后再對(duì)負(fù)載供電。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用了分散邏輯控制方法1。與多級(jí)串級(jí)式多電平變換器相比，無(wú)須利用多光纖來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)和狀態(tài)反饋信號(hào)以及為減少各模塊之間的共模電壓干擾對(duì)被測(cè)各模塊的電壓和電流進(jìn)行隔離。在分散控制中，僅需一條光纖傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)

6、和狀態(tài)反饋信號(hào)，每一模塊可以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電壓和電流，減小了模塊之間的共模電壓干擾。因此提高了系統(tǒng)的可靠性。3串聯(lián)堆積式多電平變換器實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)電路是一臺(tái)單相串聯(lián)堆積式三電平逆變器，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)電路主要參數(shù)如表1所列。外加電阻Run接在第一級(jí)電平母線上，通過(guò)這個(gè)外加電阻的開(kāi)或合來(lái)模擬三電平逆變器輸入直流母線電壓的不平衡。圖5是測(cè)試得到的三電平電壓(V1、V2和V3)和輸出交流電壓(Vo)，從圖5中可以看到，輸出交流電壓Vo有效值即使在母線不平衡條件下仍能保持恒定，具有較好的自平衡、自穩(wěn)定瞬態(tài)響應(yīng)能力。三電平母線電壓經(jīng)過(guò)大約500ms將達(dá)到新的平衡，新平衡母線電壓值比原來(lái)起始母線電壓值低約25V。

7、如果再引入一個(gè)簡(jiǎn)單的外環(huán)控制將進(jìn)一步降低逆變器的自平衡響應(yīng)時(shí)間。這個(gè)外環(huán)控制采用比例控制，將各模塊變換器電壓與母線之間電壓差比較輸出。圖6是加入外環(huán)控制后的測(cè)試結(jié)果。從圖6中可以看到，經(jīng)過(guò)20ms母線上各電壓即可達(dá)到新的平衡，比不加外環(huán)控制時(shí)平衡時(shí)間縮短了約25倍。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，此串聯(lián)堆積三電平逆變器的自平衡能力將得到有效的改善。以上研究表明，串聯(lián)堆積式多電平變換器由于固有自平衡、自穩(wěn)定以及功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)，使它能廣泛地應(yīng)用于高電壓變換器中，是大功率高電壓輸入模塊變換器的良好解決方案。4結(jié)語(yǔ)本文分析比較了三種多電平變換器。經(jīng)過(guò)對(duì)它們各自特點(diǎn)的研究，將使多電平技術(shù)能更好地應(yīng)

8、用于電力電子變換器的設(shè)計(jì)中?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于多電平的鮮明特點(diǎn)，它將在今后變換器設(shè)計(jì)中起到越來(lái)越重要的作用。最后，值得一提的是，高于三電平的多電平控制技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。 參 考 文 獻(xiàn)1 Xinbo Ruan, Linquan Zhou,Yangguang Yan. Soft switching PWM Three level ConverterJ. IEEE Trans. On power electronics.2001,16(5):612 621. 2 Pinherio J Renes, Barbi Ivo. The Three level ZVS PWM DC to DC ConverterJ. IEEE Trans. On power electronics. 1993,8(4):486 492. 3 Canales