串联堆积式多电平变换器运行特性的实验研究

此拓扑结构一般采用了分散逻辑控制方法^[1]。与多级串级式多电平变换器相比，无须利用多光纤来传送驱动信号和状态反馈信号以及为减少各模块之间的共模电压干扰对被测各模块的电压和电流进行隔离。在分散控制中，仅需一条光纤传送驱动信号和状态反馈信号，每一模块可以现场检测电压和电流，减小了模块之间的共模电压干扰。因此提高了系统的可靠性。

3 串联堆积式多电平变换器实验研究

实验电路是一台单相串联堆积式三电平逆变器，如图4所示。实验电路主要参数如表1所列。

表1 实验电路主要参数

图4 三电平串联堆积式逆变器

外加电阻R_un接在第一级电平母线上，通过这个外加电阻的开或合来模拟三电平逆变器输入直流母线电压的不平衡。图5是测试得到的三电平电压(V₁、V₂和V₃)和输出交流电压(V_o)，从图5中可以看到，输出交流电压V_o有效值即使在母线不平衡条件下仍能保持恒定，具有较好的自平衡、自稳定瞬态响应能力。三电平母线电压经过大约500ms将达到新的平衡，新平衡母线电压值比原来起始母线电压值低约25V。

图5 逆变器自平衡波形

如果再引入一个简单的外环控制将进一步降低逆变器的自平衡响应时间。这个外环控制采用比例控制，将各模块变换器电压与母线之间电压差比较输出。图6是加入外环控制后的测试结果。从图6中可以看到，经过20ms母线上各电压即可达到新的平衡，比不加外环控制时平衡时间缩短了约25倍。因此，经过对控制系统的优化，此串联堆积三电平逆变器的自平衡能力将得到有效的改善。

图6 带外环控制逆变器自平衡波形

以上研究表明，串联堆积式多电平变换器由于固有自平衡、自稳定以及功率开关电压应力低等特点，使它能广泛地应用于高电压变换器中，是大功率高电压输入模块变换器的良好解决方案。

4 结语

本文分析比较了三种多电平变换器。经过对它们各自特点的研究，将使多电平技术能更好地应用于电力电子变换器的设计中。可以预见，基于多电平的鲜明特点，它将在今后变换器设计中起到越来越重要的作用。最后，值得一提的是，高于三电平的多电平控制技术还有待于进一步研究。