一种新型5电平拓扑逆变器的研究

张新涛，陆启凡，张磊，刘小刚，何英杰

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；

2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049）

一种新型5电平拓扑逆变器的研究

张新涛1，陆启凡2，张磊1，刘小刚1，何英杰2

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；

2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049）

近年来，随着高压大功率场合下电力电子装置应用的需求越来越多，同时对输出电压波形和控制精度也提出了很高的要求。于是，多电平逆变器因为其输出波形谐波量较小，开关元件承受电压小，输出电源质量好成为了研究的热点。但是传统多电平拓扑有各自的缺点，因此需要一种新型的5电平逆变电路拓扑，克服其缺点。通过融合飞跨电容电路特点，提出了一种新型5电平拓扑结构。然后通过分析电路的工作原理，提出了电路的控制及调制方法。最后通过仿真和硬件实验验证了电路可以在对电网输出有功功率的情况下稳定工作。表明该电路及其控制方法的实际应用价值。

新型5电平逆变器；飞跨电容；并网逆变器

随着电力电子领域的不断扩大，高压大功率变换器领域也在不断的增长，要求大容量的电力电子装置工作开关频率高，以减少输出电压谐波含量，改善输出波形质量，同时对控制精度、可靠性等方面也提出了更高的要求。因此为了实现高压大功率的要求，人们需要寻找新的办法来实现，怎样利用有限容量的开关器件获得大容量高电压电力变换器件，成为了热点问题。目前，多电平逆变器进入研究者的视角，多电平逆变器具有输出电压谐波小，电磁干扰小，且能提高电源质量，减小滤波器体积，控制产生的高次谐波等优点。凭借多电平逆变器的诸多优势，它可广泛应用于高压大功率场合。但是，由于传统的二极管钳位型多电平逆变器的二极管数目多、电容飞跨型多电平逆变器控制复杂、H桥级联型多电平逆变器需要独立的直流源等固有缺点，抑制了多电平逆变器在实际中的推广和使用［1］。

本文中提出了一种新型的5电平逆变器拓扑结构，该拓扑结构融合了传统二极管钳位电路和电容飞跨型电路的特点。同时克服了二极管钳位型电路二极管使用数目多和飞跨电容型5电平电路控制复杂的缺点。整个电路中除了开关元件反并联的续流二极管以外，没有单独使用的钳位二极管；同时相对电容飞跨型电路使用的飞跨电容减少，控制难度明显降低。因此，该新型5电平拓扑相对已有拓扑有一定的优势，在高压大功率的场合有一定的应用前景。该拓扑可以在光伏系统并网，大功率电动机拖动，大容量高压电能质量控制器等场合得到相应的应用和研究。

本文首先介绍了该新型电路拓扑的电路结构和构成元件，然后对该电路的控制策略进行了研究，接着通过Matlab给出了对该电路的仿真，说明了新电路拓扑的可行性。最后，通过硬件实验验证了该电路拓扑及其控制算法在输出有功功率的情况下的可行性。

1　新型拓扑的电路结构

电路结构如图1所示，图中的SA1～SA10为IGBT（绝缘栅双极晶体管）及其反并联的续流二极管组成的开关管单元，构成承受正向电压时可控导通，反向承受电压时直接导通的开关元件。电容C1，C2，C3为直流侧电容，连接方式可以由3个电容串联后与外部直流电压源的2个输出端并联在M1和M4两端，或者由3个直流源分别与3个电容并联。Cph为飞跨电容。4个电容容量相同，电容C2上的电压是其余3个电容的2倍。

图1　新型5电平电路的单相拓扑结构Fig.1　The single phase topology of the new five level circuit

当构成三相逆变器电路时，电路结构如图2所示，公共侧电容C1～C3共用，Cph1～Cph3为每相装置单独的飞跨电容。M1～M4为4条直流母线，三相共用，可以直接由1个直流电压源并联在M1～M4两端，也可以由3个电压源分别并联在3个电容两端。

图2　新型5电平三相逆变器电路图Fig.2　The three phase inverter circuit diagram of the new five level topology

2　电路拓扑的输出策略

该电路拓扑可以输出5种不同的电平，如果以M4为参考点那么这5个电平的数值为0，1Vdc，2Vdc，3Vdc，4Vdc。为了便于在交流系统中描述，将C2视作2个电压为Vdc的虚拟电容串联，将这2个电容的中点作为参考点，那么装置的输出电压分别为2Vdc，Vdc，0，-Vdc，-2Vdc。

在电容输出中假设C1，C3，Cph3个电容电压相同为Vdc，而C2的电容电压是上述3个电容电压的2倍为2Vdc，那么电路的输出状态可为表1中所示的10种可用的开关状态。

表1　电路输出的电平状态和对应的开关组合Tab.1　The output voltage and the corresponding switching state

表1中开关标号列的数字表示其对应的开关状态，“0”表示关断，“1”表示开通。从表1中可以看出，电路总共有5种输出状态，对应了10种不同的开关序列。不同的开关序列不影响对应输出电压状态，因此称这些开关状态为冗余的开关状态。在该电路中，对应输出电压为Vdc，-Vdc和0电压，3种输出电压都分别对应了2种不同的冗余开关状态。这些状态对应的拓扑内的电流通路是不同的。

3　电容电压的均衡控制

通过上一节的分析可以知道，对应同一个输出状态，该电路有不同的冗余开关状态，可以产生相同输出电压下不同的电流通路，那么先以输出电平为Vdc为例，说明其冗余状态。

图3为输出端电压为Vdc的2种对应的开关状态，其中加粗的线表示该状态对应的电流通路。图3a表示SA2，SA5，SA7，SA9导通，电流通过M2流至输出端，对飞跨电容电压没有影响，但是对直流侧电容C1的影响方向和C2，C3的影响相反会产生直流侧电容电压的偏移，造成3个电容电压不平衡。图3b表示SA1，SA7，SA10导通，电流通过M1，流经电容Cph输出。此时，对飞跨电容Cph电压一定有影响，但是具体的充放电情况取决于此时电流方向和电流大小。由于电流由M1流出直流侧，因此影响直流侧3个电容的电压方向相同，不会造成其不平衡。

图3　Vdc的2种开关状态Fig.3　Two switching state of Vdc

而-Vdc的情况和Vdc类似，就不进行单独分析，图4是输出电平为0时的电流通路情况。其中图4a表示SA2，SA5，SA7，SA10导通时，输出0电平，电流通过M2流经Cph输出，图4b表示SA3，SA6，SA8，SA9导通时，输出同样为0电平，电流流经M3，Cph输出。通过对比看出，2种冗余状态对飞跨电容Cph影响相反，经过分析也可得出，2种状态对直流侧电容C2的影响方向也是相反的。

图4　0的两种开关状态Fig.4　Two switching state of 0

根据上文的分析可以得出，在装置工作时，可以通过当前的电流和电容电压情况，在输出Vdc，0，-Vdc3种电平时灵活选择冗余开关状态，从而对需要的电容进行充放电，同时不影响相对给定值偏差较小的电容电压。从而可以控制单相装置的4个电容或者三相装置6个电容的电压在给定值附近波动，不会发生不可控偏移。从而克服传统二极管钳位5电平电路在输出有功功率会产生电容电压漂移的固有缺点。

4　新型拓扑构成三相光伏并网逆变器的仿真分析

为验证前文所提出的新型5电平拓扑及其控制方法的正确性，并对实际装置设计提供理论上的基础，利用Matlab/Simulink软件对该电路在构成三相并网逆变器进行了仿真验证。

图5为仿真所用的三相逆变器电路图，其中A相、B相、C相逆变器由图1所示的新型5电平逆变器构成，逆变器的开关元件选为有反并联续流二极管的IGBT。仿真中所用的电容C1，C2，C3，Cph1，Cph2，Cph3的容量均相同取为6 000 μF，入线电感为6 mH，电感的等值损耗电阻取为1 Ω，直流侧总电压为1 000 V，分成3个独立的光伏系统做直流电压源，分别并联在C1～C3两端，幅值大小与前文所述的工作模式相同，从上至下依次为250 V，500 V和250 V。电网电压为380 V，装置工作在并网逆变器的状态，采样频率和开关频率均为10 kHz。仿真过程取离散事件过程，离散步长设为5 μs。

图5　三相并网逆变器仿真电路图Fig.5　The simulation circuit of three phase grid connected inverter

三相逆变器的控制系统主要由3部分组成，分别为：指令电流运算、dq状态解耦PI电流控制和层叠载波PWM控制部分。系统的控制框图如图6所示，其中：ila，ilb，ilc为三相逆变器输出电流；iins_P为系统电流的有功给定值； usa，usb，usc为三相电网电压；L指的是并网逆变器与交流电网连接时的连接电抗值。

图6　控制系统原理框图Fig.6　The principle diagram of the control system

系统的工作原理是：通过光伏模块给出给定的有功指令电流iins_P，同时将无功指令电流iins_Q设为0。接下来检测出装置的输出电流ila，ilb，ilc，通过dq状态解耦PI电流控制，使装置输出电流跟踪给定有功电流和无功电流的指令值，经过dq反变换后得到相应的指令电压。指令电压通过上节所述的层叠载波PWM调制，得到任意时刻装置输出的控制信号，接着根据飞跨电容电压的偏差值选取冗余开关状态，最终得到每个开关管的驱动信号。

图7为装置输出的相电压，可以看出三相装置输出为5电平波形，利用低压器件高压大功率输出。

图7　逆变器输出的相电压Fig.7　The output phase voltage of inverter

图8所示的是仿真中的三相电网电压和三相电网电流。可以看出该装置输出的电流和电网电流同相位，说明该装置可以工作在向电网输出有功功率的状态下。图9所示的是三相装置3个飞跨电容电压在装置工作稳态时的波形。可以看出3个电容电压在给定值250 V附近来回波动。说明均衡电容电压的控制方法中对冗余开关状态的选择可以有效地控制住飞跨电容电压不发生偏移，可以保证装置在输出有功功率时稳定运行。

图8　电网电压和电网电流波形Fig.8　The waveforms of the grid voltage and the grid current

图9　三相飞跨电容电压Fig.9　The voltage waveforms of flying capacitors in three phases

5　实验验证

本文采用英飞凌FF150R12RT4的1 200 V，150 A的IGBT搭建基于新型拓扑结构的三相实验装置，并进行了并网逆变器的实验，对所提出的新型拓扑结构输出有功功率进行验证。系统实验参数如下：直流侧总电压500 V，电网电压315 V，输出电流峰值30 A，开关频率8 kHz，电容容量2 200 μF。

通过图10可以看出，装置输出电压为五电平电压，同时输出电流和电网电压同相，说明装置向电网输出有功功率。输出电流峰值为30 A达到设计目的。

图10　输出电压、输出电流及电网电压Fig.10　The grid voltage，output voltage and current

图11为装置总的直流侧电压、飞跨电容电压以及电容电流波形。说明在输出有功功率时，装置可以通过控制算法控制飞跨电容电流，从而保持飞跨电容电压稳定且为直流侧电容电压的1/4，保证装置正常运行。

图11　直流侧总电压、飞跨电容电压及电容电流Fig.11　The total DC link voltage and the flying capacitor voltage and current

6　结论

本文提出了一种新型5电平电路的拓扑结构。首先对使用该电路如何构成单相逆变器，以及如何构成三相逆变器进行了说明，然后深入分析了电路的工作原理，说明如何使电路产生5电平的输出。接着根据该拓扑的结构特点，对输出相同电平的冗余开关状态进行了分析，得出了通过这些开关状态控制飞跨电容电压和直流侧电容电压的方法。最后通过仿真及硬件实验，验证了提出的电路及其控制方法。说明该电路构成的5电平逆变器可以在对电网输出有功功率的情况下稳定可靠工作。说明该5电平电路拓扑可以应用在光伏，风电，大功率电机拖动等高压大功率场合。

［1］ 马琳，孙凯，Remus Teodorescu，等.高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较［J］.电工技术学报，2011，26（2）：108～114.

［2］ 王广柱.二极管钳位式多电平逆变器直流侧电容不平衡机理研究［J］.中国电机工程学报，2000，3（10）：112～115.

［3］ 李建英，张美英.三相电压型脉宽调制整流器矢量控制研究［J］.控制与应用技术，2006，11（3）：31～34.

［4］ 何英杰，邹云屏，刘飞，等.二极管钳位型多电平有源电力滤波器的仿真［J］.电力系统自动化，2006，30（10）：64～68.

［5］ 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［6］ 吴洪洋，何湘宁.级联型多电平变换器PWM控制方法的研究［J］.中国电机工程学报，2001，21（8）：42～46.

Research on a New Five-level Topology of Grid Connected Inverter

ZHANG Xintao1，LU Qifan2，ZHANG Lei1，LIU Xiaogang1，HE Yingjie2
（1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd.，WuLumuqi 830011，Xinjiang，China；
2.College of Electronical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049，Shaanxi，China）

In recent years，the demand is growing to be more urgent for the large scale power electric devices using in the high voltage grid，where there are also some strict requirements on the waveform of the output voltage and the control accuracy of them.Therefore，the multi-level output inverters，with the advantage of the less output harmonic content and the lower voltage that the switch must surfer and the good quality of output power，come to be key issue of the researchers around the world.However there are some disadvantages of the traditional multi-level topologies，the new topology was needed to overcome those disadvantages.The new five level topologies was proposed which combined the elements of the traditional diodes clamped five level topology and the flying capacitor five level circuit.The structure of the new topology and the circuit of the device using this topology were introduced at first，and then，the basic working principles was analyzed which the control and modulation method came from.Finally，the simulation of the device supplying the active power to the power grid is shown to indicate the capabilities and performance of the circuit under this circumstance.Therefore，it is proved that the new topology，as well as the control method，owns its application value.

novel five-level inverter；flying capacitor；grid connected inverter

TM464

A

2015-06-08

修改稿日期：2016-03-02

张新涛（1980-），男，本科，Email：93683310@qq.com