多电平变换器拓扑结构和控制方法研究

该混合单元输出各个电平时两个单元的开关状态如表1所示。

表1 电压比为1：2时输出电平状态

Table 1 The output level status when voltage ratio as 1:2

类似的，可以将两个单元的电压比设为1：3，控制方法与1：2的结构类似。开关状态如表2所示。

表2 电压比1：3时输出电平状态

Table 2 The output level status when voltage ratio as 1:3

3 多电平逆变电路的控制方法

过去的20年中，人们提出了大量的多电平变换器PWM方法，其中大多数已获得了实际应用。这些控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平PWM在多电平中的扩展。

3.1 三角载波PWM方法

3.1.1 消谐波PWM（SHPWM）法

消谐波PWM法^[8]的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。为了使M－1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。

3.1.2 开关频率最优PWM（SFOPWM）法

开关频率最优法^[8]是Steinke提出的，它和SHPWM法类似，也是由2电平三角载波PWM扩展而来。它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法^[9]。所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。

3.1.3 三角波移相PWM（PSPWM）法

三角载波移相PWM法^[10]是一种专门用于级联型多电平变换器的PWM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的K_eff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。

3.1.4 三角载波移相——开关频率最优PWM（PS－SFOPWM）法

这是对3.1.2和3.1.3所述方法的推广^[11]，将PSPWM法和SFOPWM法相结合，三角载波采用PSPWM中的方法，调制波采用SFOPWM中的方法来确定。这种新的方法兼具PSPWM和SFOPWM的优点，在相同的开关频率下，等效开关频率提高到原来的K_eff倍，电压调制比提高到1.15倍。但是同时，这种方法又受到PSPWM法和SFOPWM法的局限性的限制，因此，PS－SFOPWM最适用于三相级联型多电平变换电路。

3.2 空间电压矢量PWM方法

多电平PWM的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高^[12]。多电平空间矢量PWM是根据2电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是多电平的电压矢量更密集，模大小可选择的种类更多，合成时过渡更自然，合成的磁链更接近圆磁场，因而控制更精确，输出电压谐波更小。但是，这样也带来了控制上的复杂性，当应用于5电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。另外，若采用传统的“最近三矢量”还会出现“窄脉冲”问题。针对电路复杂这一问题，文献[13]提出了一种新型的多电平最优空间矢量PWM控制方案，这种方法基于空间矢量PWM控制思想，从三相参考电压到8个待选的空间矢量和参考电压矢量，然后选择与参考电压矢量最接近的空间矢量。这种方法不受电平数增加的影响，解决了算法随着电平的增加而非常复杂的问题。对于“窄脉冲”问题，文献[12]提出了不同于传统方法的“非最近三矢量”和“非最近四矢量”法以克服这一问题。

3.3 控制方法适用的主电路结构

根据以上分析，可以得到以下结论：

1）在应用中，当变换器电平数超过5时，空间矢量PWM法将非常复杂，为了简化控制算法，三角载波PWM是较好的选择；

2）SHPWM法和SFOPWM法既可以用于箝位式电路又可以用于级联式电路，而PSPWM法和PS-SFOPWM法只适合用于级联式电路，SFOPWM法和PS-SFOPWM法由于在正弦调制波中注入了零序分量，因而只适合用于三相系统；

3）对于单相级联式多电平变换器，PSPWM法的控制效果最好；

4）对于三相级联型多电平变换器，PS-SFOPWM法由于提高了等效开关频率，较之SFOPWM法具有更好的控制效果。

4 结语

电平箝位问题不但可以作为多电平逆变电路拓扑结构的分类出发点，而且也是研究开发新型多电平逆变电路结构的一个关键问题。本文按照多电平变换逆变电路中的电平箝位方式对其进行了分类，主要分析了基于二极管或电容箝位的“中点箝位逆变电路”和“具有自动均压功能的逆变电路”，使用独立电源箝位的“H桥功率单元串级逆变电路”和由其改进的“混合单元串级逆变电路”；在讨论混合单元串级逆变电路时，得出了各个单元在不同电压比时功率器件的开关情况。

对于多电平逆变电路的控制方法，本文分析了基于三角载波的消谐波PWM法、开关频率最优PWM法和移相PWM法，以及空间电压矢量PWM法；并对几种方法的应用进行了讨论比较，最后分析出了各种控制方法最适用的电路结构。