基于九开关级联的多端口能馈型高压变换器

查晓明，王 盼,2，刘 飞,宫金武，孙建军，黄 萌

（1.武汉大学电气工程学院，武汉 430072；2.湖北省电力公司技术培训中心，武汉 430079）

基于九开关级联的多端口能馈型高压变换器

查晓明1，王 盼1,2，刘 飞1,宫金武1，孙建军1，黄 萌1

（1.武汉大学电气工程学院，武汉 430072；2.湖北省电力公司技术培训中心，武汉 430079）

为解决工业现场中高压大容量电机群负荷的驱动及再生能量利用问题，提出一种基于九开关逆变器单元级联的多端口能量回馈型高压变换器。通过与现有三相桥式逆变器级联技术对比，分析适用于九开关逆变器的级联方法。详细分析了新变换器拓扑结构、功率分配模式、控制策略及优缺点，并以6单元级联双负载端口的6 kV高压变换器为例，通过Matlab仿真验证了该拓扑及控制策略的可行性和有效性。该变换器为负载端口间的再生能量提供了直接传递通道，降低了能量回馈压力；且大幅减少了开关、电容以及变压器绕组数量，提高了可靠性；其端口扩展灵活，对于多负荷工况具有较强的适应性。

九开关；级联变换器；多端口；再生能量；能量回馈

Abstract：In order to drive multiple motors in the medium-voltage high-power industrial field and recycle the regenerative energy,a regenerative multi-port converter is presented,which is cascaded with several cells based on nineswitch inverter.Comparing with the existing cascaded technology of three-phase bridge inverter,a cascaded method which is suitable for nine-switch inverter is proposed.Then,the new converter topology,power distribution mode,control strategy and comparison of advantages and disadvantages are analyzed.A 6 kV two output-port cascade converter with six nine-switch cells is taken as an example,which has been tested in Matlab/Simulink,to verify the feasibility and validity of the topology and control strategy.The converter provides a direct transfer path for regenerative energy among multi-port loads to reduce energy feed-back pressure.Meanwhile,the number of switches,capacitors,and transformer windings are reduced,which can improve reliability.Moreover,the converter is well-adapted to the multi-loads industrial fields for the output-port extended flexibly,and the converter is well-adapted to the multi-loads industry fields.

Keywords:nine-switch;cascade converter;multi-port;regenerative energy;energy feedback

随着能源危机的日益严峻，中高压大容量电机群负载的节能要求逐渐提高。H桥级联多电平变换器因其单元模块相似、易于扩展和更换、输入输出电流谐波含量低等优点，得到了广泛应用[1-3]。针对再生能量的回收，目前主要有两种改进方式：采用PWM前端使能量回馈电网[4-8]和采用储能设备回收能量再利用[9-12]，二者均基于传统H桥级联结构改造，此类拓扑仅能驱动一台或多台电机同步运行。由于三相多单元级联，各单元直流侧电容独立，使得开关数量显著增加，设备体积增大，故障率也随之增加，且两种能量利用形式均需采用电网或储能设备等间接媒介实现能量转移，增加了能量损耗，降低了利用效率。

鉴于工业应用中往往需要多台电机配合工作，电机工况灵活多变，若能将制动电机再生的电能直接提供至电动运行电机，即可有效利用再生能量，且降低单元前端PWM整流模块的能量回馈压力，同时减少注入电网的谐波含量。针对多电机的驱动，文献[13-14]提出一种三端口六边形级联多电平变换器，可灵活驱动两电机异步运行，实现再生能量的交互传递。但从开关数量上与2台传统H桥级联变换器相当，且两组集成，结构更加庞大；并且相邻桥臂间存在差频功率的流动，使得单元直流侧电容的容量较大。文献[15]介绍了一种九开关逆变器，可同时驱动两组交流负载独立工作，相比于传统变换器，有效减少了开关数量，但此逆变器仅适用于低电压系统，高压领域的应用仍有待研究。针对三相桥式SPWM逆变器的级联，文献[16-18]分别介绍了采用电感或耦合单相变压器或者△/Y三相变压器实现各单元级联的方法，输出高电压，但3种方法是否适用于九开关逆变器，仍有待研究。

本文详细对比了现有的三相桥式逆变器级联方法，分析其在九开关逆变器级联应用的适用性。并结合3种方法优缺点，提出采用电感级联与三相变压器级联配合使用方法实现两高压端口输出，为负荷端口间能量提供流通路径，使之可在负载间相互利用。其前端采用PWM整流器，使多余能量可以回馈电网。此拓扑端口扩展灵活，由于各单元控制独立，故可自由组合级联单元个数，扩展端口数量驱动不同电压等级负载。相比于传统H桥级联拓扑，开关、直流侧电容以及变压器绕组数量显著降低，且由于三相瞬时功率恒定，电容容量需求也相应下降。通过Matlab仿真验证了拓扑及控制策略的可行性和有效性。

1 九开关逆变器级联方法分析

1.1 电感级联

针对三相桥式SPWM逆变器的高压应用，文献[16]提出一种采用电感有序串联单元端子实现6单元级联方法，其拓扑结构如图1所示。以电机A相为例，单元1的b1与单元2的b2通过电感相连，同理单元2的a2与单元3的a3，单元3的c3与单元4的c4依次经电感串联，形成a1、a4输出端子，连接电机的A相定子绕组两端AA'，其原理简化如图1（b）所示。

图1 电感级联方法Fig.1 Inductor cascade method

图中单元2、4、6与单元1、3、5电压相位相错180°。设定6单元三相桥式逆变器输出电压分别为

式中，V为每单元逆变器输出电压有效值。则电机端合成三相相电压分别为

故合成相电压有效值VAA'=6 V，即输出相电压为6单元相电压之和，实现高压输出。

该方法通过小电感级联即可获得高电压输出，由于无需变压器，有效降低了设备体积及成本[16]。

九开关逆变器及其电感级联电压合成如图2所示。对于九开关逆变器，如图2（a）所示，每单元输出两组端口，九开关配合工作，理论上可分解为2组三相桥式逆变器，直流侧电容共用[15]，两逆变器中性点固定。如果采用电感串联型高压级联，则不同频率状态下两端口的电压合成简化如图2（b）所示。图中实线多边形代表端口1电压，虚线多边形代表端口2电压。o1-1、o2-1分别为两端口第1单元中性点。随着时间变化，两端口同一单元中性点o1-1与o2-1出现周期性位移变化。由于中性点的不固定，使得九开关无法正常输出指令电压。故电感型级联方式仅适用于九开关型逆变器一组端口的级联，不适于不同频多端口的同时级联。

图2 九开关逆变器及其电感级联电压合成Fig.2 Nine-switch inverter and synthesis voltage with cascade inductor

1.2 单相耦合变压器级联

对于三相桥式逆变器的级联，文献[16]介绍了一种变压器耦合式串联结构，如图3所示。拓扑如图3（a）所示，通过3个变比为1:1的单相变压器实现电压叠加，对于3单元级联，输出端变压器仅需3个单相耦合变压器。结构相对简单，但若继续扩展单元，则变压器增加数量与单元个数成正比增加，当M个单元级联，所需单相变压器个数为3（M-2）。

图3 单相耦合变压器级联拓扑及原理Fig.3 Topology of single-phase coupling transformer cascade and its principle

图3（b）所示为该级联方法下电压合成简化原理，则单元电压合成关系为

与电感串联方法类似，若用于九开关逆变器级联，同一单元两端口中性点也会出现周期性位移变化。故此方法也仅适用于九开关型逆变器一组端口的级联，不适于不同频多端口的同时级联，且不能与电感级联方法配合使用。

1.3 三相变压器级联

文献[17]介绍了一种三相变压器的级联叠加方法，即通过N个△/Y变压器的次级绕组进行线电压的级联叠加，其拓扑结构如图4所示。

图4 三相变压器级联拓扑Fig.4 Three-phase transformer cascade topology

N个逆变器采用相同的三相正弦电压做调制波进行SPWM控制，因此各三相桥式逆变器的输出电压具有相同的基波。各单元载波三角形初相位依次相错2π/N。通过载波移相调制消除低次谐波。变压器电压变比为1：1。

以A相为例，级联后输出相电压为即N单元级联输出相电压为单元相电压的倍。此种级联方式，若应用于九开关逆变器，由于每单元通过变压器隔离，与常规九开关变换器无异，两端口中性点固定。故三相变压器级联结构可用于九开关单元逆变器的两端口级联。该方法结构简单，原理清晰，端口扩展灵活。但每个级联端口均需采用N个△/Y变压器，增加了设备成本。

2 新型变换器拓扑及运行模式分析

2.1 变换器拓扑

通过以上3种级联模式的对比，针对九开关逆变器两端口的级联，可以一端口采用电感级联模式，避免增加变压器；另一端口采用三相变压器级联，使得端口中性点固定，以此实现两端口高压电机的独立驱动。为使两端口输出相电压幅值相同，此时三相变压器变比应设为。应用场所电机电压等级不同，则可对变换器单元端口横向扩展，灵活确定级联单元个数。图5所示为基于九开关逆变器单元（以下简称九开关单元）级联的多端口能馈型高压变换器拓扑。此处以6单元级联为例，单元个数根据负载电压需求设置。每单元输入端采用三相桥式PWM整流器，实现能量的双向流动。逆变侧采用九开关逆变器，实现双输出端口。

图5 九开关单元级联多端口变换器拓扑Fig.5 Topology of multi-port cascade converter with nine-switch cells

2.2 工作模式

针对变换器多端口负载的不同状态，主要存在4种典型功率分配模式。以两电机运行为例，针对电动运行和发电运行状态，分析变换器电源输入与两输出端端口间有功功率分配关系，如图6所示。

图6 有功功率分配框图Fig.6 Block diagram of active power distribution

工作模式1：两电机同时电动运行，如图6（a）所示，电网为两电机供能。此时电网输出有功功率pin＞0，两电机有功功率p1＞0，p2＞0且pin=p1+p2。

工作模式2：电机1电动运行，电机2发电运行，且电动功率大于发电功率。如图6（b）所示，p2＜0，p1＞0，且|p2|＜|p1|。此时，再生功率通过九开关逆变器共用直流侧电容直接流入电机1，无需回馈电网，能量利用率高。电机1所需功率不足部分由电网提供，pin＞0，即p1=|p2|+pin。

工作模式3：电机1电动运行，电机2发电运行，且电动功率小于发电功率。如图6（c）所示，p2＜0，p1＞0，且|p2|＞|p1|。此时，再生功率通过逆变器直流侧电容直接流入电机1，富余功率则通过输入侧PWM整流器回馈电网，即pin=|p2|-|p1|。此时由于电动电机的功率消耗，减轻了前端PWM整流器回馈再生能量的压力，相应降低了注入电网的谐波含量。

工作模式4：两电机同时制动，如图6（d）所示，p1＜0，p2＜0。此时两电机再生能量全部回馈至变换器各单元直流侧电容，并通过单元前端PWM整流器回馈电网，即pin=|p1|+|p2|。由于再生能量集中，此种工况下，PWM单元的回馈压力最大。故对于应用场合同步性要求不严格的工业场所，应尽量避免此种情况出现。可通过程序设计，使不同电机错峰制动，有效利用再生能量。

3 控制系统

3.1 控制系统设计

以两端口变换器驱动电机负载为例，为验证原理的可行性。设定每端口均为6单元级联，端口1采用电感级联，端口2采用△/Y三相变压器级联，电机调速方式为传统恒V/f控制，则变换器6单元逆变部分的控制框图如图7所示。分别给定两电机频率、对应单元初始相位信号，生成端口1对应的1、3、5及2、4、6单元电压指令，以及端口2的6单元逆变器电压指令，其后通过每单元逆变器九开关的分配生成单元电压调制信号，再经载波移相调制[19]，发出两端口各单元开关控制信号。

3.2 端口电压参考指令

图7 变换器逆变部分控制框图Fig.7 Control block diagram of the inverter part in the new converter

对端口1，∠Vxy、∠Vxz（x=a,b,c y=1,3,5 z=2,4,6）分别为端口1,3,5单元及2,4,6单元的电压参考相位，依次相错180°，详细设计公式为

式中，Ts为控制器采样时间。

3.3 九开关逆变器控制

3.4 PWM控制

图8所示为单元前端PWM整流器控制框图。此处采用常规双环控制策略，直流电压外环采用比例积分（PI）控制器，电流内环采用比例控制器。

图8 PWM整流器控制框图Fig.8 Block diagram of PWM rectifier control

4 仿真验证及对比

4.1 仿真验证

本文以6 kV电压等级九开关级联变换器为例，在Matlab/Simulink中建立了仿真模型。其中，端口1接阻感负载，端口2驱动电机，为体现负载的多样性，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

仿真结果分别如图9～图12所示。图9（a）展示了端口2的电机转速。设定端口1频率恒定为50 Hz，端口2初始频率50 Hz，在0.8 s时刻以100 Hz/s速度降至30 Hz，其后保持恒定。此时对应的电源输入端以及端口1、端口2的瞬时有功功率pin、p1、p2分别如图9（b）。端口1接阻感负载，故p1恒定，且p1＞0；端口2，电机制动阶段，出现负功率，p2＜0；与之对应电源端有功功率pin＜0，且|pin|=|p2|-p1。也即电机制动再生功率，由于端口1的直接利用，减少了向电网的回馈量。制动阶段电源端以及端口1、端口2，A相电压、相电流波形如图10所示，此时电源端及端口2能量回馈，电压电流出现反向，如图10（a）、（c）。其中，相较于端口2电源端回馈电流幅值降低。

图9 端口2电机转速及端口瞬时有功功率Fig.9 Motor speed of port 2 and instantaneous active power of input-port and two output-port

图10 电机制动阶段变换器电源端及两输出端口电压电流Fig.10 Voltages and currents of power supply terminal and two output ports of converter in braking condition

由于单元前端PWM的双向流动，使得直流侧电压基本保持稳定，如图11（a）所示。为对比双端口再生能量利用效果，此处以不控整流前端变换器作以直流侧电压泵升对比。当端口1不工作，端口2电机采用相同制动方式时，直流侧电压泵升至9 800 V，如图11（b）。当端口1恒定50 Hz工作，端口2制动时，直流侧电压泵升至7 000 V，如图11（c）。说明由于端口1的能量利用，有效减少了回馈电网的再生能量。

图11 不同状态下6单元直流侧电压Fig.11 DC-link voltage of six cells in different states

图12所示为端口1、端口2分别稳定工作于50 Hz、30 Hz频率下滤波前后的输出相电压以及电流波形。表明了基于九开关逆变器所采用的两种级联方式的可行性，能够使端口1和端口2分别输出不同频率和不同电压的相电压，可满足工业现场中高压电机群负荷的不同需求。

图12 不同频率下两端口电压、电流（50 Hz,30 Hz）Fig.12 Voltages and currents of two ports at different frequencies（50 Hz and 30 Hz）

4.2 拓扑对比

将6 kV线电压等级、六单元级联、每单元采用九开关逆变器、驱动双电机负载的新型变换器与传统H桥级联回馈型变换器作对比。当驱动两负载独立运行时，两种变换器详细对比，结果如表2所示。

表2 变换器对比结果Tab.2 Comparison results of converters

由表可知，采用九开关级联变换器独立驱动两台电机时，开关数量降低至1/4，变压器绕组总数减少至1/2，直流侧电容数量减少至1/6，且由于九开关逆变器每单元三相瞬时功率恒定，其直流侧电容选取较小容值即可满足需求。缺点是增加串联1 mH小电感6个，直流侧电容耐压升高约3.48倍，开关耐压相应升高。

5 结语

本文提出了一种基于九开关逆变器级联的多端口能馈型高压变换器。通过对比现有的3种三相桥式逆变器级联方法，选取了电感级联与三相变压器级联配合方式用于九开关单元的级联。详细分析了变换器功率分配模式、控制策略，并以6单元级联双负载端口的6 kV高压变换器为例，与传统H桥级联型变换器进行了优缺点对比，Matlab仿真验证了拓扑及控制策略的可行性和有效性。该变换器不仅可直接利用两负载端口间的再生能量，提高能量利用率，降低回馈电网压力；同时大幅减少了全控开关、电容以及变压器绕组数量，且由于三相瞬时功率恒定，使得直流侧电容容量降低，减小了设备体积；该变换器端口扩展灵活，对于多负荷工况具有重要研究意义。

[1]Malinowski M,Gopakumar K,Rodriguez J,et al.A survey on cascaded multilevel inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57（7）:2197-2206.

[2]Kouro S,Malinowski M,Gopakumar K,et al.Recent advances and industrial applications of multilevel converters [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57（8）:2553-2580.

[3]唐君超杰,王浩然,马思源,等.含有源功率解耦的单相H桥逆变器综合可靠性评估[J].电源学报,2016,14（6）: 10-16. Tang Junchaojie,Wang Haoran,Ma Siyuan,et al.Reliability evaluation of a single-phase h-bridge inverter with integrated active power decoupling[J].Journal of Power Supply,2016,14（6）:10-16（in Chinese）.

[4]孙炳海,王剑,李永东.回馈式级联型变频器PWM整流控制及其谐波分析[J].电工技术学报,2011,26（7）:210-215. Sun Binghai,Wang Jian,Li Yongdong.PWM rectifier control for regenerative cascade inverter and its harmonic analysis[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2011,26（7）:210-215（in?Chinese）.

[5]邱长青,黄声华,林珍君,等.基于复矢量PI调节器的四象限级联型变频器PWM整流控制策略[J].中国电机工程学报,2015,35（11）:2804-2812. Qiu Changqing,Huang Shenghua,Lin Zhenjun,et al.A PWM rectifier control strategy for four-quadrant cascade converters based on complex vector PI regulators[J].Proceedings of the CSEE,2015,35（11）:2804-2812（in Chinese）.

[6]Zha Xiaoming,Xiong Lan,Gong Jinwu,et al.Cascaded multilevel converter for medium-voltage motor drive capable of regenerating with part of cells[J].Iet Power Electronics,2014,7（5）:1313-1320.

[7]Gong Jinwu,Xiong Lan,Liu Fei,et al.A regenerative cascaded multilevel converter adopting active front ends only in part of cells[J].Industry Applications IEEE Transactions on,2015,51（2）:1754-1762.

[8]Nagata K,Nemoto H,Katayama T.An advanced multilevel inverter with a regenerative unit for motor drives[C]//European Conference on Power Electronics and Applications. IEEE,2009:1-10.

[9]Mariethoz S.Design and control of high-performance modular hybrid asymmetrical cascade multilevel inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50（6）: 4018-4027.

[10]饶建业,李永东.带储能单元的新型多电平逆变器及其控制算法[J].电工技术学报,2009,24（7）:103-109. Rao Jianye,Li Yongdong.Control strategies of a new hybrid multilevel inverter with energy storage[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24（7）:103-109（in Chinese）.

[11]Liu Liming,Li Hui,Hwang S H,et al.An energy-efficient motor drive with autonomous power regenerative control system based on cascaded multilevel inverters and segmented energy storage[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49（1）:178-188.

[12]Zha Xiaoming,Wang Pan,Liu Fei,et al.A segmentedpower distribution control system based on hybrid cascaded multilevel converter with parts of energy storage[J].IET Power Electronics,2017.

[13]Wang Pan,Liu Fei,Zha Xiaoming,et al.A regenerative hexagonal cascaded multilevel converter for two-motor asynchronous drive[J].IEEE Journal of Emerging&Selected Topics in Power Electronics,2017,pp（99）:1-1.

[14]王盼,刘飞,查晓明,等.双电机异步驱动的三端口级联多电平变换器及再生能量分配系统[J].中国电机工程学报,2017, 29. Wang Pan,Liu Fei,Zha Xiaoming,et al.Tri-port cascaded multilevel converter system for two-motor asynchronous drive and its regenerative energy distribution[J].Proceedings of the CSEE,2017,29.

[15]Kominami T,Fujimoto Y.Inverter with reduced switchingdevice count for independent AC motor control[C]//Industrial Electronics Society,2007.IECON 2007.Conference of the IEEE.IEEE,2007:1559-1564.

[16]Wen Jun,Smedley K.A new multilevel inverter-hexagram inverter for medium voltage adjustable speed drive systems Part II.three-phase motor drive[C]//2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference.Orlando,FL,2007:1571-1577.

[17]李永东,肖曦,高跃.大容量多电平变换器[M].北京:科学出版社,2005.

[18]刘凤君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器[M].北京:电子工业出版社,2010.

[19]江友华,曹以龙,龚幼民.基于载波相移角度的级联型多电平变频器输出性能的研究[J].中国电机工程学报,2007,27（1）:76-81.Jiang Youhua,Cao Yilong,Gong Youmin.Research on the cascade multilevel inverter based on different carrier phase-shifted angle[J].Proceedings of the CSEE,2007,27（1）:76-81（in Chinese）.

Regenerative Multi-port High-voltage Converter with Nine-switch Cells

ZHA Xiaoming1,WANG Pan1,2,LIU Fei1,GONG Jinwu1,SUN Jianjun1,HUANG Meng1
（1.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Technical Training Center of Hubei Electric Power Company,Wuhan 430079,China）

查晓明

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.25

TM85

A

2017-05-24；

2017-08-29

国家自然科学基金资助项目（51577137，51637007）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51577137,51637007）

查晓明（1967-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力电子与电力传动，电力电子在电力系统中的应用等，E-mail：xmzha@whu.edu.cn。

王盼（1987-），女，通信作者，博士研究生，讲师，研究方向：大功率电力电子变换器，E-mail：wangpan6712063@163.com。

刘飞（1977-），男，博士，副教授，研究方向：电力电子及其控制技术、大功率电力电子变换器等，E-mail：lf_dyj@whu.ed u. cn。

宫金武（1981-），男，博士，副教授，研究方向：电力电子变流器软硬件设计、电力电子技术在电力系统中的应用、大容量电能质量治理设备开发，E-mail：gtmobile@fox mail.com。

孙建军（1975-），男，博士，副教授，研究方向：电能质量分析及治理、大功率电力电子技术应用及其研究，E-mail：jjsun @whu.edu.cn。

黄萌（1984-），男，博士，副教授，研究方向：电力电子系统非线性分析，E-mail：me ng.huang@whu.edu.cn。