多电平变换器【多电平功率变换器控制策略综述】
时间：2019-04-09 03:17:51 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：由于多电平逆变器在节能和可靠性方面的巨大优势，受到了越来越多的关注，并且有很多已被采用于工业中，但是随着电平数的增加，控制的复杂性也随之增加。文章对多电平逆变器的各种拓扑进行了分析，对其调制技术和控制策略进行了系统的介绍，指出了各自的优缺点，对多电平逆变器的研究具有很重要的指导意义。
关键词： 多电平逆变器，调制技术，控制策略
Abstract: as the multilevel inverter in energy saving and the great advantage of reliability by more and more attention, and have a lot of has been adopted in the industry, but as the number of level increases, the complexity of the control also will increase. The article to the multilevel inverter of all kinds of topology is analyzed, the modulation technology and control strategies of the introduction of the system, and points out the advantages and disadvantages of each, the multilevel inverter research has very important significance.
Key words: the multilevel inverter, modulation technology, control strategy
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
引言
电力电子技术的飞速发展给科技和工业带来了巨大变革，在电力系统、电机调速等需要电能变换的领域随处可见电力电子设备，它们与人们的生活息息相关。自从三电平中点钳位逆变器被发明以来，多电平逆变器就收到了人们的普遍关注，经过多年的发展，很多具有实际意义的多电平逆变器电路及其调制控制方法相继问世。H桥级联式、电容箝位式、二极管箝位式、飞跨电容嵌位式等结构是当前多电平逆变器的主要结构。
1 基本的多电平逆变器拓扑
1.1二极管箝位式逆变器
最先出现的多电平逆变器就是二极管钳位式多电平逆变器，同时，也是目前为止研究最多的一种拓扑结构，它是通过串连的一系列电容将较高电压分成一系列较低的电压来实现多电平输出的。（图1）示出了一个二极管箝位的三电平逆变器。在该拓扑中，左侧有两个分压电容，其大小相等，两个电容中点成为中性点，它将直流电压分成3个电平，在这个电路中，直流母线电压通过2个串联的大电容器C1和C2被分成3个电平，输出的电压有3种状态：Vdc/2、0和－Vdc/2[1]。
图1二极管箝位三电平逆变器拓扑图图2 飞跨电容式三电平逆变器拓扑
1.2飞跨电容式逆变器
将二极管箝位的三电平逆变器中的二极管用飞跨电容代替，对电路进行钳位，（图2）给出了一个单相电容钳位型三电平逆变器。为能够产生3电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要2个电容，该电容将器件电压箝位于一个电容器上的电压水平，同理，输出的电压有3种状态：Vdc/2、0和－Vdc/2。
1.3H桥级联式逆变器
H桥是在普通全桥的基础上得到启发，采用两个或多个独立的直流电压源输出多个电平的方式，这种方式有效地避免了之前提出的多电平逆变器重点电容电压不能平衡的问题。这种结构和方法比较容易实现向更多电平数的扩展，产生更高电压的输出。例如级联式三电平逆变器拓扑电路，由两个两电平H桥级联而成，（如图3）所示[2]。
图3 H桥级联型三电平逆变器拓扑图4 新型三电平逆变器拓扑
1.4新型多电平逆变器
常见的多电平逆变器一般是应用于高压大容量的场合，如高压大电机变频调速、大功率电机传动、大功率无功补偿等，它们复杂的电路结构和调制方法限制了其在中低功率场合的应用。在中低功率场合通常是采用提高两电平逆变器开关频率的方法使电力电子装置小型化、轻量化以及优化输出波形，但是这样会带来诸如额外的开关损耗、电磁干扰加剧等问题。基于此，近年来出现了一种新拓扑，它在桥式结构的基础上加入一个或多个双向辅助开关，构成三电平及以上电平逆变器结构。（图4）为三电平逆变器的拓扑结构[3]。
2多电平逆变器脉宽调制技术
各种多电平逆变器都有自己的电路结构形式和特点，而这一切额又都和PWM控制方式密切相关，多电平逆变器的PWM控制的目标多、性能指标要求高，对其控制时最主要的目标有两个：对输出电压的控制和改善输出电压波形以及直流分压电容的平衡控制。目前为止，多电平逆变器的主要控制方法有：载波层叠法、载波移相法、优化PWM法、消除特定谐波PWM法以及空间向量PWM法。
2.1三角载波层叠法
三角载波层叠法是直接从两电平PWM法发展而来的，它是由两组频率和幅值相同的三角载波分成两层，上下层叠，而且两组三角载波对称的分布在横轴上下，然后用同一调制波与其相交进行比较，根据两个三角载波的相位关系，三角载波层叠发又可以分为载波反相层叠PWM控制法和载波同相层叠PWM控制法，（如图5和图6）所示。
图5 载波同相层叠PWM控制法 图6 载波反相层叠PWM控制法
2.2 开关频率优化PWM法
三电平箝位式逆变器的开关频率优化PWM控制法和其三角载波层叠法在具体实施上基本相同，不同的是为了克服三角载波层叠法中的某些缺点，如直流电源电压利用率低、开关损耗大和没有很好地考虑中点电压平衡的问题等。所采取的一种改进措施是：在正弦调制波中加入零序谐波，或者将正弦调制波改成梯形调制波等，其目的是将正弦调制波的波顶压平，以降低开关频率，提高直流电压利用率。但这种控制方法只能适用于三相三线制逆变器，而不能应用于单相逆变器或者是三相四线制逆变器中，以避免零序谐波对输出电压的影响。
对于三相三线制的三电平逆变器，在三相逆变器的输出电压中加入零序谐波或者直流分量时，对于输出电压波形，不会产生影响，因此，在正弦调制波中加入零序谐波也不会改变三相输出电压的基波分量，而且利用加入的不同的灵序分量，可以实现三角载波PWM调制的优化控制。
2.2.1 消除特定谐波的PWM控制法
二极管箝位式逆变器消除特定谐波法是以消除输出电压波形中某些特定的低次谐波为目的的一种PWM控制法。和两电平逆变器消除特定谐波法类似。三电平逆变器也是通过在预先给定的时刻实现特定开关的切换，从而产生预期的消除某些低次谐波的PWM控制。它具有很多优点：可以降低开关频率，从而降低开关损耗；在相同开关频率下，可以生成最有的电压输出波形；可以通过控制得到较好高的基波电压，提高了直流电源电压的利用率。
采用这种方法的难点是必须用牛顿迭代法解非线性方程组，选取合适的初始值是解法收敛的必要条件，这就使得运算时间大大加长，不能实现在线计算，因而多采用离线计算，利用查表法取得开关转换的时刻。这在开关频率较高的场合占用了较大的内存空间。
2.2.2空间电压向量PWM控制法
空间电压向量PWM控制方法与三角载波PWM控制方法不同，它是从交流电动机的特点出发，着眼于如何使交流电动机获得幅值恒定的圆形磁通链轨迹，即正弦磁通链轨迹。是SPWM与交流电动机磁通链圆形轨迹直接组合的一种PWM控制法，它是以三相对称正弦波电压供电时，交流电动机的理想磁通链的圆形轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通链去逼近基准磁通链的圆形轨迹，并有他们比较的结果来决定逆变器的开关方式，形成PWM输出电压波形，这种控制方式，是把交流电动机和逆变器看成一个整体来处理，所得到的开关模式方便，便于微机实时控制，并且具有转矩脉动小，噪声低，直流电压利用率高等优点，因此得到了广发的应用。
2.2.3多电平逆变器最优空间电压向量PWM控制方法
多电平逆变器最优空间矢量PWM控制方法是基于空间电压向量PWM控制的基本原理，主要是通过选取最优的空间矢量，得到三相电压实际电平值，从而生成三相电压PWM控制模式。它的主要特点是，首先借助电平圆整的方法，将待选矢量限制在接近参考电压矢量的范围内，然后将这些矢量与参考电压矢量一一对比，最接近参考电压矢量的即为最优空间电压矢量，从而得到一个采样周期内三相的最优输出电平值，图7给出了多电平逆变器最优空间矢量控制方法计算方框图。
图7 多电平逆变器最优空间矢量控制方法计算方框图
3结束语
本文首先介绍了迄今为止多电平逆变器的主要拓扑结构，最后给出一种最新被提出的新拓扑，针对众多的拓扑结构，对其调制策略进行了介绍，对各种方法进行了详细的阐述，多电平逆变器以高频开关工作时，可采用传统的载波PWM方式或空间矢量PWM调制策略。这对于具体的多电平结构如何选用合适的调制策略具有实际的指导意义。
参考文献：
[1] 彭方正，罗吉盖斯．现代多电平变频器拓扑[J]．变流技术与电力牵引，2006（5）：5～13.
[2] 陈国呈．PWM变频调速及软开关电力变换技术[M]．北京：机械工业出版社，2002.
[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
[4] 李宋.采用三次谐波注入法的多电平级联H桥逆变器[J].南昌工程学院学报,2008(7):32-35.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
