0    引言

    多電平變換器的概念自從A.Nabael在1980年的IAS年會(huì)上提出以后,，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和研究,。首先，對(duì)于n電平的變換器,，每個(gè)功率器件承受的電壓僅為母線電壓的1/（n－1）,，這就使得能夠用低壓器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出,，且無(wú)需動(dòng)態(tài)均壓電路,；多電平變換器的輸出電壓波形由于電平數(shù)目多,，使波形畸變(THD)大大縮小,，改善了裝置的EMI特性,；還使功率管關(guān)斷時(shí)的dv/dt應(yīng)力減少,，這在高壓大電機(jī)驅(qū)動(dòng)中,，有效地防止了電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿,；最后,，多電平變換器輸出無(wú)需變壓器,，從而大大減小了系統(tǒng)的體積和損耗。因此,，多電平變換器在高電壓大功率的變頻調(diào)速,、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

1    多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多電平變換器作了很多的研究,，提出了不少拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。從目前的資料上看，多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有4種：

    1）二極管中點(diǎn)箝位型（見(jiàn)圖1）,；

    2）飛跨電容型(見(jiàn)圖2),；

    3）具有獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)型（見(jiàn)圖3）；

    4）混合的級(jí)聯(lián)型多電平變換器,。

圖1    二極管箝位型三電平變換器

圖2    飛跨電容型三電平變換器

圖3    級(jí)聯(lián)型五電平變換器

    其中混合級(jí)聯(lián)型是3）的改進(jìn)模型,，它和3）的結(jié)構(gòu)基本上相同，唯一不同的就是3）的直流電源電壓均相等,，而4）則不等,。從圖1至圖3不難看出這幾種拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

    二極管箝位型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)是便于雙向功率流控制,，功率因數(shù)控制方便,。缺點(diǎn)是電容均壓較為復(fù)雜和困難。在國(guó)內(nèi)外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化,。

    飛跨電容型多電平變換器,，由于采用了電容取代箝位二極管，因此,，它可以省掉大量的箝位二極管,，但是引入了不少電容，對(duì)高壓系統(tǒng)而言,，電容體積大,、成本高、封裝難,。另外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，輸出相同質(zhì)量波形的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率增高,，開(kāi)關(guān)損耗增大，效率隨之降低,。目前,，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的地步。

    級(jí)聯(lián)型多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)主要是同數(shù)量電平的時(shí)候,，使用二極管數(shù)目少于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1）,；由于采用的是獨(dú)立的直流電源，不會(huì)有電壓不平衡的問(wèn)題,。其主要缺點(diǎn)是采用多路的獨(dú)立直流電源,。目前，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有實(shí)用化的產(chǎn)品,。

2    多電平變換器的控制策略

    從目前的資料來(lái)看,，多電平變換器主要有5種控制策略,，即階梯波脈寬調(diào)制、特定消諧波PWM,、載波PWM,、空間矢量PWM、 Sigma-delta調(diào)制法,。

2.1    階梯波脈寬調(diào)制[1][2][3]

    階梯波調(diào)制就是用階梯波來(lái)逼近正弦波,，是比較直觀的方法。典型的階梯波調(diào)制的參考電壓和輸出電壓如圖4所示,。在階梯波調(diào)制中,，可以通過(guò)選擇每一個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)實(shí)現(xiàn)低次諧波的消除,。2m＋1次的多電平的階梯波調(diào)制的輸出電壓波形的傅立葉分析見(jiàn)式(1)及式(2),。消除k次諧波的原理就是使電壓系數(shù)b_k為0。這種方法本質(zhì)上是對(duì)做參考電壓的模擬信號(hào)作量化的逼近,。從圖4中不難看出這種調(diào)制方法對(duì)功率器件的開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有很高的要求,，所以，可以采用低開(kāi)關(guān)頻率的大功率器件如GTO來(lái)實(shí)現(xiàn),；另外這種方法調(diào)制比變化范圍寬而且算法簡(jiǎn)單,，控制上硬件實(shí)現(xiàn)方便。不過(guò)這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是輸出波形的諧波含量高,。

圖4    九電平階梯波輸出電壓波形

    v_t(t)=b_nsinnωt（1）

    b_n=[Vcosnα₁＋2Vcosnα₁＋……＋jVcosnα_j＋……＋mVcosnα_m]（2）

2.2    多電平特定消諧波法[4][5][6]

    多電平的特定消諧波法也被稱作開(kāi)關(guān)點(diǎn)預(yù)制的PWM方法,。這種方法是建立在多電平階梯波調(diào)制方法的基礎(chǔ)之上的。這種方法的原理就是在階梯波上通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)?ldquo;凹槽”有選擇性地消除特定次諧波,，從而達(dá)到輸出波形質(zhì)量提高和輸出THD減小的目的,。這種方法的消諧波和階梯波的消諧波一樣，唯一不同的就是輸出電壓波形的傅立葉分析后的系數(shù)b_n有所不同?，F(xiàn)以五電平的特定消諧波的一個(gè)輸出電壓波形(如圖5所示)來(lái)分析傅立葉分解后的系數(shù)b_n,。從式（3)可以看出，b_n中的負(fù)號(hào)項(xiàng)反映了“凹槽”的信息,。多電平特定消諧波法中,，求解特定的開(kāi)關(guān)點(diǎn)時(shí)候要解非線形的超越方程，因此計(jì)算很復(fù)雜,。目前資料中實(shí)際有應(yīng)用的一般都只局限在三電平結(jié)構(gòu)中,。這種方法的主要特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率低，效率高,；諧波含量較少,；電壓利用率高，最多可以達(dá)到1.15；計(jì)算開(kāi)關(guān)點(diǎn)的時(shí)候計(jì)算比較復(fù)雜,。

圖5    五電平特定消諧波輸出相電壓1/2周期的波形

    b_n=[V(cosnα₁₁－cosnα₁₂＋……＋(－1)^j＋1cosnα_1j＋……＋cosnα_1k)＋

    2V(cosnα₂₁－cosnα₂₂＋……＋(－1)^i＋1cosnα_2i＋……cosnα_2h]（3）

2.3    載波PWM技術(shù)

    多電平逆變器載波技術(shù),，來(lái)源于兩電平的SPWM技術(shù)，但是,，由于多電平逆變器特殊的結(jié)構(gòu),，使其載波技術(shù)又不同于兩電平的載波技術(shù)。多電平逆變器中由于開(kāi)關(guān)管多,，因此,，多電平逆變器的載波和調(diào)制波都不止一個(gè)，每一個(gè)載波和調(diào)制波有多個(gè)控制自由度,，這些自由度至少有頻率,、幅值和偏移量等。這些自由度的不同組合,，將會(huì)產(chǎn)生大量載波PWM技術(shù),。其中最具有代表性的主要有三種，即分諧波PWM,、開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM,、三角載波移相PWM。

2.3.1    分諧波PWM方法[7][8][9]

    多電平分諧波PWM方法是兩電平正弦波調(diào)制在多電平領(lǐng)域的一個(gè)擴(kuò)展,。載波是n個(gè)具有同相位,、同頻率f_c、相同的峰峰值A_c,，且對(duì)稱分布的三角波,。參考信號(hào)是一個(gè)峰峰值為A_m、頻率為f_m的正弦信號(hào),。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻,，如果正弦波的值大于載波的值，則開(kāi)通相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件,，反之則關(guān)斷該器件,。對(duì)于多電平變換器，幅度調(diào)制比m_a和頻率調(diào)制比m_f定義如下：

    m_a=（4）

    m_f=（5）

    圖6所示為五電平分諧波PWM方法的原理圖,。

圖6    五電平分諧波PWM方法的原理圖

2.3.2    開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM[10][11]

    Steinke提出的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化的PWM方法是基于2.3.1的,，這種方法載波和2.3.1完全相同，不同的是2.3.2的調(diào)制波中注入了零序分量,。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是可以優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率,，提高電壓的利用率,，這種方法的調(diào)制比最多可以做到1.15,，不過(guò)這種方法有一個(gè)限制就是只能夠用于三相系統(tǒng)中。圖7是該方法的原理圖。

圖7    五電平開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM原理圖

2.3.3    載波相移PWM方法[12]

    上面的兩種載波方法,，主要是針對(duì)二極管箝位型多電平變換器提出來(lái)的,。而載波相移PWM方法則主要是用于級(jí)聯(lián)型多電平變換器。這種方法與上兩種方法不同,，每一個(gè)級(jí)聯(lián)模塊的SPWM信號(hào)都是由一個(gè)三角載波和兩個(gè)反相位的正弦波產(chǎn)生的,。不過(guò)，相互級(jí)聯(lián)的多個(gè)模塊之間的三角載波有一個(gè)相位差θ,。當(dāng)θ=π/n（其中n為級(jí)聯(lián)的模塊的個(gè)數(shù)）時(shí),，輸出相電壓的THD最小。這種方法的原理和兩電平中的倍頻思想相似,。

2.4    多電平的空間矢量PWM技術(shù)[13][14]

    多電平空間矢量方法和兩電平空間矢量方法一樣,，都是一種建立在空間矢量合成概念上的PWM方法。以三電平為例來(lái)說(shuō)明多電平空間矢量多電平的原理,，其空間矢量圖如圖8所示,。為了減少諧波，被合成的空間矢量,，一般都是用空間矢量定點(diǎn)落在的特定小三角形的三個(gè)定點(diǎn)的電壓矢量予以合成,。對(duì)于多電平變換器，用空間矢量合成的時(shí)候,，計(jì)算比較復(fù)雜,，很多文獻(xiàn)討論了不少簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。另外,，對(duì)于空間矢量,，很多平衡中點(diǎn)電位的方法也被提了出來(lái)?？臻g矢量方法的特點(diǎn)是諧波小,、電壓利用率高，中點(diǎn)電位平衡容易實(shí)現(xiàn),。目前實(shí)用的一些多電平變換器大多數(shù)是用空間矢量PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。

圖8    三電平電壓空間矢量圖

2.5    多電平的Sigma-delta調(diào)制法(SDM)[15][16][17]

    SDM是一種在離散脈沖調(diào)制系統(tǒng)(如直流諧振鏈逆變器)合成電壓波形的技術(shù)。這一概念也是起源于兩電平逆變器中,，它的控制圖如圖9所示,。圖中V^＊為期望輸出的電壓波形，V為實(shí)際調(diào)制合成的輸出波形,。該控制部分中主要有三個(gè)環(huán)節(jié),，即誤差的積分環(huán)節(jié)、量化環(huán)節(jié),、采樣環(huán)節(jié),。該控制方法設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是設(shè)計(jì)合理的開(kāi)關(guān)頻率和積分環(huán)節(jié)的增益,。一般定義G=K/f_s(式中：K為微積分環(huán)節(jié)的增益，f_s為開(kāi)關(guān)頻率),為了減少諧波,，一般令0<G<1,。圖10為這種方法的調(diào)制波形。

圖9    SDM方法的控制框圖

圖10    五電平G=0.938,，M=0.9時(shí)候SDM調(diào)制的波形

3    結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了多電平變換器的各種控制方法和各種拓?fù)?，比較了其特點(diǎn)。從上面分析可以看到,，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各種控制方法都有其特點(diǎn),，因此，在工程選擇的時(shí)候,，應(yīng)合理予以選擇,。隨著高速控制處理芯片DSP的出現(xiàn)，多電平變換器技術(shù)將會(huì)取得更廣泛的實(shí)際應(yīng)用,。