直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器

中心议题
    * 直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器及其控制算法
解决方案
    * 给予直流侧电压自平衡能力
    * 利用软开关去降低逆变器的开关损耗

引言

三电平逆变器已经在中电压、大功率的应用中得到广泛使用。它与二电平逆变器相比，每个三电平桥臂上的开关器件只是承担直流母线的一半电压，使得开关器件对耐压值的要求大大降低。同时，三电平逆变器能够提供的电压矢量较多，通过选择合适的电压矢量，可以减少电平转换的次数，从而减少输出电压的谐波含量。

由于三电平逆变器的直流侧需要串联多个直流电容，使得直流电压平衡控制成为三电平逆变器运行时必须要解决的一个重要问题。以三相四线，三桥臂中分的三电平逆变器为例，直流电压不平衡会导致逆变器的中点电压漂移。很多专家提出了用不同的控制策略和电路结构来解决这个问题。其中以通用多电平逆变器拓扑具有较大的吸引力。通用多电平逆变器带有电压自平衡的能力，这种逆变器由两个或多个基本模块组成，可以任意组成所需要的多电平逆变器。

三电平逆变器比二电平逆变器使用更多的开关器件，开关损耗也会相应增加并减低系统运行效率。引入软开关技术可以改善以上问题，减轻开关器件上的电压和电流的压力，并提高逆变器的效率和性能。目前常用的软开关技术包括谐振直流环节，准谐振直流环节，谐振转换极，零开关转换等，这些软开关技术采用不同的辅助电路、控制策略，因而在软开关特性上也有所不同。当中准谐振直流环节技术具有控制简单、辅助组件少的优点，它能够使直流母线电压瞬间下降到零，为开关的动作提供零电压的条件，从而减轻开关动作时高dv/dt的问题，同时开关在零电压下动作将大大降低整个系统的开关损耗。

在本文中，为了解决直流电压不平衡问题，并同时降低整个系统的损耗，提出把准谐振直流环节技术和通用三电平逆变器结合的解决方案。在下文中，首先分析了准谐振直流环节软开关技术和通用三电平逆变器的运行原理，接着提出了一种直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器及其控制策略，并利用仿真结果证明了所提出新型逆变器及其控制方法的有效性，同时和传统三电平逆变器进行了比较。

1电压自平衡和软开关

1.1通用多电平逆变器

直流侧电压不平衡是多电平逆变器应用中的一个重要问题，由零序电流引起的直流电压不平衡问题更为严重。在很多应用如有源电力滤波器中，都需要考虑直流电压的控制问题。图1所示为由三个基本模块组成的通用三电平逆变器。其中每个基本模块是一个二电平桥臂。通过将上一级模块的输出端连接到下一级模块的直流母线，就可以组成任意电平的逆变器。这种通用多电平逆变器具有电压自平衡能力，不需要额外的直流电压控制。表1给出了通用三电平逆变器的四种可能转换组合和其相应的电容连接。当开关S1，S2和S6导通时，逆变器输出Vdc/2，同时电容Cm1和Cm3并联连接，两个电容上的电压将相等。当开关S3，S4和S5被触发时，逆变器输出为-Vdc/2，此时电容Cm2和Cm3并联且电压相等。透过选择不同的电压输出形式，电容Cm3可以与电容Cm1和Cm2交替并联，将使得三个直流电容上的电压相等，实现直流电压的自平衡。

1.2准谐振直流环节软开关电路

图2(a)所示为用于三电平逆变器的准谐振直流环节软开关电路，该电路由两个对称且独立运行的模块组成。电感Lr和电容Cr是小容量的能量存储器件。当电容Cr中的能量转换到电感时，电容Cr的电压将减小到零，逆变器的主开关将触发从而实现零电压开启和关断。图2(b)所示为一个准谐振直流环节模块的谐振电压和电流以及相应辅助开关Sa和Sc的触发信号。准谐振直流环节电路的谐振频率由Cr的电容值和Lr的电感值通过以下公式得到

准谐振直流环节软开关技术具有如下的特性:

·逆变器的主开关和辅助开关都实现了软开关;

·准谐振直流环节与桥臂数无关，只对逆变器的直流母线动作，因此在单相或三相逆变器中应用时辅助开关的数目是相同的。

2含准谐振直流环节的新型三电平逆变器

将图1中由直流电容Cm1和Cm2组成的直流母线由图2(a)中谐振电容Cr1和Cr2替代，将通用多电平逆变器的直流母线转换成谐振母线，便得出如图3所示，本文提出三相四线系统的直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器。因为一个通用型桥臂就能为直流电压带来自平衡的效果，若三个桥臂也设定为通用型桥臂只会增加系统的复杂性和组件数目。所以逆变器只有一相桥臂由通用多电平拓扑构成，另外两相桥臂采用了传统的二极管箝位结构。

为保持上级和下级准谐振直流环节模块的谐振电压平衡，开关S5和S6在谐振期间不能触发，否则等效的谐振电容被改变从而导致实现零电压的异步。另外因图3中的电容Cm通过开关S1和S4的两个续流二极管并联到直流母线，当直流侧出现谐振时，电容Cm会影响谐振电压不能下降到零点。

谐振电压的最低值，同时受到电感Lm的电感值影响。但电感Lm亦可减低直流电压平衡时的冲击电流。因此，本文提出的新型逆变器中，准谐振直流环节并不能实现完全的零电压软开关技术;同时，开关S2和S3因为被电容Cm箝位，没有产生软开关的效果。但其它开关的损耗都被大大降低。根据以上分析，本文提出的新型三电平准谐振逆变器有如下特点:

·只需要改变一相的设计，能为三相的逆变器带来直流电压自平衡的效果;

·新型逆变器同时具有软开关和电压自平衡能力;

·除了开关S2和S3，其余开关器件都可以实现软开关，能减低整个系统的开关损耗。

3直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器的控制系统

本文运用了近年提出的三维通用型直接脉宽调制技术，它减轻了运算电压空间矢量的压力，在多电平转换器上应用有较大的优势。图4所示为通用三电平准谐振直流环节逆变器的控制图表。通用型直接脉宽调制的信号会发送到锁存电路中暂存，同时脉宽信号亦会被检测。当脉宽信号改变时，会触发软开关的谐振模块，产生直流电压谐振。整个谐振过程会被监控。当检验到谐振电压达到最小值时，锁存电路会发送最新的脉宽信号给逆变器的主要开关组件，使得逆变器的电力组件能实现类似零电压的开关。谐振模块与电压自平衡单元之间透过不同的检测电路以确保两者功能相互配合而不会相互影响。

4仿真结果

针对本文提出的直流电压自平衡新型三电平准谐振逆变器，在PSCAD/EMTDC中进行了仿真。逆变器被设定成一个三相四线交流电压源去带动一个含零序电流的非线性负载，用以演示直流侧电压的不平衡问题。表2列了出仿真系统的参数。

图5所示为系统的非线性负载电流与中线电流。当中的零序电流为逆变器带来了直流侧电压偏移。如果采用没有加入直流电压控制的传统的三电平逆变器，直流侧电压差如图6(a)所示会不断增加。而图6(b)所示为新型三电平准谐振逆变器的直流电压自平衡效果，直流侧电压明显地受到了控制。直流电压的平衡效果并没有受到软开关电路工作的影响，显示了本文所提出的控制方法能有效地同时运作两个功能又不互相冲突。图7所示为准谐振电路的谐振过程，可见直流侧上下电压在软开关瞬间的变化情况。虽然如前文所叙，新型三电平逆变器中谐振电压不能下降到零，但是直流电压可以瞬间降到接近零，仍然能实现软开关的效果。加入准谐振直流环节前后的平均开关损耗分别为4.7W及3.6W。可见，在不影响逆变器输出性能和电压自平衡的运作下整个系统的开关损耗减小了23.4%。

5结论

直流母线电压不平衡的问题常常受零序电流的影响，而通用多电平逆变器不需要额外的辅助电路，就可以使逆变器直流电压平衡。准谐振直流电路控制简单，需要的器件数目少。本文通过将准谐振直流技术和通用逆变器相结合，再经过简化，提出了一种同时具有电压自平衡和软开关能力的新型三电平准谐振逆变器及其控制方法。仿真结果显示所提出的新型三电平逆变器可以控制直流电压，并使整体开关损耗减少23.4%，通过使用本文提出的控制方法，能够协调实现电压自平衡和软开关功能而不影响逆变器输出效果。