多电平电力变换器主电路拓扑分析与调制仿真

吕 飞 ，朱家林 ，吉 哲 ，余凤豪



多电平电力变换器主电路拓扑分析与调制仿真

吕 飞1，朱家林2，吉 哲1，余凤豪1

（1.海军蚌埠士官学校机电系，安徽蚌埠 233012；2.海军92763部队装备部，辽宁大连 116041）

大容量是电力电子技术未来的主要发展方向，多电平变换技术是实现高电压大容量的关键，多电平变换装置主电路拓扑是研究重点。文章详细分析了多电平变换装置的几种具体主电路拓扑结构，指出了几种拓扑结构的优缺点，分析研究了级联多电平变换装置的可靠性，并对三相级联11电平变换装置进行了载波相移脉宽调制（CPSPWM）仿真分析。

多电平变换器 主电路拓扑 开关状态 载波组调制

0 前言

电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变。电力电子的发展要求电力电子装置输出电能的容量越来越大、质量越来越好、可靠性越来越高[1]。大容量是电力电子技术未来的主要发展方向，实现大容量的途径有高电压、大电流，实际中高电压大容量普遍应用，而多电平变换技术是实现高电压大容量的关键。从多电平变换装置概念的提出至今，己经形成了多种基本拓扑及一系列改进拓扑[2-5]。

本文详细分析了多电平变换装置的几种具体拓扑结构，指出了几种拓扑结构的优缺点，研究了级联多电平变换装置的可靠性，并对三相级联11电平变换装置进行了载波组调制仿真分析。

1 多电平变换器主电路拓扑结构

1.1 二极管箝位型多电平拓扑

二极管箝位多电平变换器(DCMI)最早A.Nabae提出[6]。如图1(a)所示是二极管箝位型三电平变换器的单臂电路拓扑。每相桥臂4个开关器件S1-S4串联，每2个开关器件同时处于导通或关断状态，其中(Sl，S3)、(S2，S4)为互补工作的开关对；Dl，D2为箝位二极管。

采用相同的原理扩展为更多电平的变换器。图1(b)是单相桥臂五电平DCMI的拓扑。DCMI的输出电压及其对应的开关状态如表1所列。当电平数为奇数时，中性点N是实际存在的，而当电平数为偶数时，中性点N是虚拟的，不能直接引出。

1.2 飞跨电容型多电平拓扑

飞跨电容型多电平(FCMI)拓扑最早是由H.Foch在PESC会议上提出[7]。图2(a)所示是单相FCMI的典型拓扑结构，图2(b)中S1-S8为功率开关管，C5-C10为箝位电容，每个电容都具有相同的电容值和电压，Cl-C4为直流分压电容。FCMI采用飞跨电容代替箝位二极管实现电压箝位功能。由FCMI开关状态及对应输出电压关系可得，FCMI的电压合成更为灵活，对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。如输出电压E，对应四种开关状态组合；输出电压0，对应六种开关状态组合。这种开关状态组合的冗余性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性，同时，也为飞跨电容型多电平变换装置的重构提供了可能行。飞跨电容型与二极管箝位型相比较，去除了大量的箝位二极管，但同时引进了大量的可靠性较差、寿命较短的悬浮电容。

1.3 通用型多电平拓扑

F.Z.Peng提出了一种通用型的多电平变换器拓扑结构，使多电平变换器拓扑结构的研究更加系统化[8]。

图3为单相通用型多电平变换器拓扑结构。在该电路中，开关器件Sp1-Sp4和Sn1-Sn4为主开关管，用来实现期望的输出电平；Sc1-Sc12为箝位开关，用来实现箝位功能。互补的两个开关(如Sp1与Sn1)，当某一导通时，另一关断。通用型多电平拓扑的电压合成较为灵活，对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到，如0电压输出对应6种开关状态，即开关状态组合存在冗余。

1.4 级联型多电平拓扑

级联型多电平变换器较早是由M.Marchesnoi在PESC会议上提出[9]，直到1997年，级联型拓扑才得到了较为广泛的应用。图4(a)为传统的单相级联五电平拓扑结构，由两个H桥级联构成。

级联型与二极管箝位型、飞跨电容型相比不需要大量的箝位二极管与飞跨电容，而且通过对不同H桥单元采用不同的直流电压，能得到比采用相同直流电压多的输出电平。如图4(b)所示，相同的H桥单元数，采用1：2的直流电压，能得到7电平输出。

级联多电平优点：①采用相互独立的直流电源，无须静态和动态均压。②具有模块化的结构，内部冗余可重构。③对相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少。

缺点：需要多个独立直流电源。

1.5 混合型多电平拓扑

图5(a)所示的混合箝位型多电平是采用二极管和电容共同实现箝位的多电平拓扑。该拓扑的出发点是为了解决传统二极管箝位型多电平拓扑中，直流端电容电压的不平衡以及内部开关器件阻断较高电压等问题。该拓扑中的飞跨电容参与电压合成。由于箝位二极管的存在，该拓扑存在较多的电流通路。该拓扑利用中间输出电平的冗余开关状态来实现电容电压平衡，但在纯无功功率情况下，不能实现电容电压平衡。

图5(b)中，Sal-Sa4与Snl-Sn4为主开关管，用来实现期望的输出电压；Scl-Sc6为箝位开关器件，Dcl-Dc12为箝位二极管，C5-C7为辅助电容，它们共同实现箝位功能；保证直流侧每个电容C1-C4的电压平衡。

2 三相级联多电平拓扑

2.1 三相级联多电平可靠性

三相级联型多电平变换装置主电路如图6所示。

图6所示为三相级联多电平变频调速系统的主电路，其中PCA1，…，PCA5，PCB1，…，PCB5， PCC1，…，PCC5都是级联功率变换单元。

多电平变频调速系统的可靠性由单元的可靠性和系统的可靠性（故障重构能力）共同决定。即使单元的可靠性较高，如果系统的故障重构能力差，系统地总体可靠性也很难保证。设系统共有单元模块数为，单元模块的可靠性为(0<<1)，若系统没有重构能力，则系统的可靠性为rm，若系统有允许一个模块故障的重构能力，则系统的可靠性为r+mr-1(1-)[10]。

图6所示系统由15个单元组成，如果可靠性用百分比表示，当系统不具备容错能力时，即使单元可靠性为99%，系统的可靠性也只有86%。当系统能容许一个单元故障时，系统的可靠性可以达到99%，比系统没有容错能力时提高了13%。

图7所示为15单元系统分别具有0、1、2个单元模块故障的重构能力时，系统可靠性与单元可靠性的对应关系。图7中曲线间关系可见，单元可靠性相同时，系统的重构能力越高则系统的可靠性越高。

2.2 三相级联多电平载波组调制仿真

载波相移脉宽调制（CPSPWM）一般用在级联型多电平变换器其基本原理：构成多电平变换器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比（M）、频率调制比（M），但各单元模块的载波间存在一定的相位差，变换器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的SPWM波形等效开关频率提高到原来的(-1)倍(为级联单元数)。CPSPWM可在不提高开关频率的情况下，大大减小输出谐波。

采用MATLAB进行仿真，图8为三相级联11电平变换器CPSPWM仿真输出的相电压、线电压以及调制信号的波形。其中，图8(a)仿真参数：M=0.95,M=10, 图8(b)仿真参数：a=1.1,M=10；频率为50 Hz。

由仿真波形图8所示，分析可得：①载波相移脉宽调制(CPSPWM)方法能实现多电平级联的变换装置的控制；②CPSPWM方法最大幅度调制比为1，当M大于1时输出电压出现饱和。

3 结论

多电平变换技术是实现高电压大容量的关键，而多电平变换装置主电路拓扑是研究重点。本文通过分析多电平变换装置的几种具体主电路拓扑结构，指出各型拓扑结构的优缺点，以级联多电平为对象，研究了三相级联多电平变换装置的可靠性，并对三相级联11电平变换装置进行了载波组调制仿真分析验证。多电平拓扑结构优化改进及应用，将是下一步的研究重点。

[1] 吴洪祥. 多电平变换器及其相关技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2002.

[2] 齐悦, 杨耕, 窦日轩. 基于多电平变换器的拓扑分析[J]. 电机与控制学报, 2002, 6(1): 74-79.

[3] 王奎, 郑泽东, 李永东. 一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑[J]. 电工技术学报, 2011, 26(8): 1-6.

[4] 王琛琛, 李永东. 多电平变换器拓扑关系及新型拓扑[J]. 电工技术学报, 2011, 26(1): 93-99.

[5] 胡鹏飞, 江道灼, 郭捷. 基于晶闸管换向的混合型多电平换流器[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(21): 102-107.

[6] Nabae A, Takahashi I. A new neutral point clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.

[7] Meynard T A, Foch H. Multilevel conversion: high voltage choppers and voltage source inverter[C]. PESC’1992, Aachen, 1992: 397-403.

[8] Peng F Z. A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J]. IEEE Transactions on industry Applications, 2001, 37(2): 611-618.

[9] Marchesoni M, Tenconni S. A nonconventional power converter for plasma stabilization[C]. IEEE PESC’1988, Atlanta, 1988: 122-129.

[10] 吕飞. 大容量电力电子变换装置可重构控制研究[D]. 武汉: 海军工程大学, 2008.

Analysis and Modulation Simulation on Main Circuit of Multilevel Converter Topology

Luv Fei1, Zhu Jialin2, Ji Zhe1, Yu Fenghao1

(1. Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China; 2. 92763 Naval Army , Dalian 116041, Liaoning,China)

TM46

A

1003-4862（2015）01-0065-04

2014-09-09

吕飞（1982-），男，讲师，硕士学位。研究方向：电力电子与电力传动。