《二极管箝位型多电平变换器直流侧母线电容电压平衡研究》.doc

二极管箝位型多电平变换器直流侧母线电容电压平衡研究 高卓 ，张庆范，刘祖全 (山东大学 山东 济南 250061) 摘要： 在高压大功率变换领域，二极管箝位型多电平逆变器因无需独立的直流电源而备受关注。但由于该逆变器存在直流侧电容电压不平衡问题，因而限制了其在功率变换场合的广泛应用。本文在分析二极管箝位型逆变器直流侧母线电容电压不平衡原因的基础上，提出了一种采用滞环控制的辅助斩波电路。仿真结果表明，应用这种电路可以实现直流侧电容电压平衡，同时逆变器输出电压具有较好的谐波性能。 关键词：二极管箝位型逆变器；电压不平衡；辅助斩波电路；滞环控制 Study of DC Bus Voltage Balance in Diode-clamped Multilevel Inverter Gao Zhuo ,Zhang Qingfan ,Liu Zuquan ( Shandong University, Jinan 250061, China) Abstract: Diode-clamped multilevel inverter has been attracting wide interests in high voltage and high power application field because it does not require a separate dc power source. However, one of the major limitations which makes it not widely used in power transfer is the dc bus voltage unbalance. In this paper, an auxiliary chopper circuit which is controlled by hysteresis-band is proposed on the foundation of analyzing the mechanism of dc bus voltage unbalance in diode-clamped multilevel inverter. The simulation results indicate that employing this circuit can maintain the voltage balance, and the output voltage exhibits good harmonic characteristics. Key word: diode-clamped inverter; voltage unbalance; auxiliary chopper circuit; hysteresis-band control 1 引言 二极管箝位型多电平变换器的概念最早是由A.Nabae等人在1980年IAS年会上提出的[1] ,在高电压变换系统中，如高压交流调速以及静止无功发生器、电力有源滤波器以及新型直流输电等FACTS装置，多电平变换器因其具有小的输出波形THD、低的器件电压应力和低的系统EMI等优点而受到研究者们的青睐。 当二极管箝位型多电平变换器用于传递有功功率时，每个直流母线电容的充放电时间不同，会造成它们的电压不平衡，即出现所谓的电容电压不平衡问题[2]，从而导致输出电压的畸变，甚至得不到期望的多电平输出。彭方正等学者用简单的图式法[3]解释了二极管箝位型逆变器的电压不平衡现象，并得出了只有当输出电压与电流相差90°时电容电压才平衡的结论，也就是说只有传递纯无功时，才不会产生母线电容电压不平衡问题。直流母线电容的电压不平衡成为阻碍二极管箝位型拓扑在实际中应用的主要因素之一。针对电容电压不平衡问题，研究者们做了大量的工作，提出了各种解决方案，归纳起来，主要是通过改进硬件电路和控制方法来实现[4]。本文提出了一种采用滞环控制的直流斩波电路，采用这种电路可以较好地解决多电平逆变器直流母线电容电压的平衡问题。 2 二极管箝位型逆变器电容电压平衡辅助斩波电路 图1示出二极管箝位型五电平三相逆变器拓扑电路，直流侧由四个电容容量完全相同的电容串联组成，逆变器正常工作的前提是四个电容上的电压完全相同，即[5]。但是从电容器上输出不相等的功率将导致电容上的电压不相等，也就是电容电压不平衡问题的产生。 图1二极管箝位型五电平三相逆变器主电路 2.1直流斩波电路 抑制直流侧电容电压波动，也就是解决电容电压均衡问题，一般采用一种直流斩波电路，图2示出了单个的直流斩波器的电路拓扑。每个直流斩波器包括一个电感和两个功率开关器件，以及它们的并联二极管，。以图2为例，解释单个直流斩波器是如何工作的。当上的电压高于基准电压