1. 痛點(diǎn)問(wèn)題

在風(fēng)電、光伏、中壓變頻等領(lǐng)域，隨著電力電子變換器的單機(jī)容量和電壓等級(jí)不斷提高，傳統(tǒng)兩電平變換器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，多電平技術(shù)是解決該問(wèn)題的有效手段。這其中，中點(diǎn)箝位型三電平變換器以其器件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在交流690V——3300V的中壓電能變換場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，但受限于目前電力電子器件的耐壓等級(jí)和開(kāi)關(guān)性能，當(dāng)電壓等級(jí)進(jìn)一步提升時(shí)，三電平變換器也面臨器件電壓應(yīng)力大、需要器件直接串聯(lián)等問(wèn)題。

MMC和H橋級(jí)聯(lián)型多電平逆變器由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，電平數(shù)多，可以采用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出，在高壓變頻和柔性直流輸電等場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。但由于其子模塊數(shù)量多、所需電容/多繞組變壓器體積大、功率密度低，更加適用于10kV及以上高電壓、大容量的電能變換場(chǎng)合。因此，在現(xiàn)有三電平和模塊化多電平產(chǎn)品之間存在巨大的電壓等級(jí)空白，現(xiàn)有產(chǎn)品難以很好地滿(mǎn)足實(shí)際需求。

為提高電壓等級(jí)，中點(diǎn)箝位型三電平拓?fù)湟部蓴U(kuò)展至四電平或五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在采用相同功率器件的情況下可將電壓和功率等級(jí)提高50%以上。部分典型中點(diǎn)箝位型四電平拓?fù)淙鐖D1（a）所示，其無(wú)源器件數(shù)量遠(yuǎn)少于MMC和H橋級(jí)聯(lián)型變換器，具有較高的功率密度。然而，此類(lèi)拓?fù)浯嬖谀妇€中點(diǎn)電位無(wú)法平衡的難題。已有研究表明，采用傳統(tǒng)載波PWM或空間矢量PWM調(diào)制策略，中點(diǎn)箝位型四電平/五電平變換器在單位功率因數(shù)下的最大調(diào)制比只能達(dá)到0.55，嚴(yán)重阻礙了這一類(lèi)拓?fù)湓诠I(yè)中的應(yīng)用。

2. 解決方案

針對(duì)中點(diǎn)箝位型多電平變換器這一類(lèi)拓?fù)淠妇€中點(diǎn)電壓難以平衡的難題，本成果提出了一種新型的虛擬空間矢量PWM方法，以四電平為例，其示意圖如圖1（b）所示。通過(guò)將對(duì)母線中性點(diǎn)電壓影響相反的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合為一個(gè)新的虛擬電壓矢量，從而將多電平空間矢量PWM簡(jiǎn)化成三電平空間矢量PWM，并實(shí)現(xiàn)所有母線中性點(diǎn)電流在一個(gè)載波周期內(nèi)相等。然而，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟復(fù)雜，計(jì)算量較大。為簡(jiǎn)化該方法，本成果進(jìn)一步提出了一種新型的載波交疊PWM調(diào)制技術(shù)，如圖2（a）所示。通過(guò)精心設(shè)計(jì)三個(gè)載波的幅值和垂直布局，使得理想條件下母線中間電容在每個(gè)載波周期內(nèi)的充放電量相等，母線上、下電容在一個(gè)基波周期內(nèi)充放電量相等，從而實(shí)現(xiàn)了母線三個(gè)電容電壓的自均衡。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本成果提出了一種等效的單載波多調(diào)制波方法，如圖2（b）所示，只需要按照相應(yīng)公式生成三個(gè)調(diào)制波并與一個(gè)三角載波比較即可得到三對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)。兩種方法最終得到的開(kāi)關(guān)信號(hào)完全相同。

上述三種方法的效果是完全等效的，都可以實(shí)現(xiàn)母線中點(diǎn)電壓在理想情況下的自平衡。在實(shí)際工作中，還需要考慮各種非理想情況，采用閉環(huán)的電容電壓平衡控制方法，可分為相互解耦的兩步：（1）母線上、下電容的電壓平衡控制，通過(guò)注入零序電壓的方式實(shí)現(xiàn)基波周期的平衡；（2）母線中間電容的電壓平衡控制，通過(guò)微調(diào)占空比的方式實(shí)現(xiàn)載波周期的平衡。采用這種方法，就可以實(shí)現(xiàn)圖1（a）中各種中點(diǎn)箝位多電平拓?fù)涞哪妇€中點(diǎn)電壓在任意調(diào)制比和任意功率因數(shù)下的平衡控制。

圖1 中點(diǎn)箝位型四電平拓?fù)浼疤摂M空間矢量PWM調(diào)制方法

圖2 （a）四電平載波交疊PWM及（b）等效單載波多調(diào)制波方法示意圖