一种混合箝位型四电平变换器

一、项目介绍

1. 痛点问题

在光伏、储能、中压变频等领域，随着对于性能、效率、功率密度和成本的不断追求，电力电子变换器的单机容量和电压等级不断提高，传统两电平变换器已经无法满足需求，多电平技术是解决该问题的有效手段。这其中，中点箝位型三电平变换器以其器件数量少、结构紧凑、控制简单等优点得到了广泛应用。

然而，受限于目前电力电子器件的耐压等级和开关性能，当电压等级进一步提升时，三电平变换器也面临器件电压应力大、开关损耗大和谐波性能差等问题。如光伏/电池储能变流器中，当直流母线电压从1500V提高到2000V以上时，继续采用三电平变换器必须使用1700V的开关器件，而传统1700V硅基器件的开关速度慢、损耗大，严重影响系统效率和性能的提升。

若将电平数从三电平提升到四电平，则可在电压等级提升的同时继续使用1200V的开关器件，同时由于电平数的增多，等效开关频率更高，谐波性能更好。然而，将中点箝位型三电平变换器直接扩展至四电平后又存在箝位器件数大幅增加、母线中点电位无法平衡或控制策略复杂等难题，显著增加了设备成本与控制难度。因此，亟需研发新型的多电平拓扑结构。

2. 解决方案

本成果提出了一种新型的混合箝位型四电平变换器拓扑，如图1所示。每相桥臂包括8只开关器件和1只悬浮电容。其中，开关对（Sx1，Sx1'）、（Sx2，Sx2'）、（Sx3，Sx3'）和（Sx4，Sx4'）分别互补，Sx1和Sx4同步动作，共有8种开关状态以输出4个电平。相比于传统的二极管箝位型和飞跨电容型四电平结构，使用电容和箝位二极管的数量大大减少，是目前使用开关器件和电容数量最少的且具有电压自平衡能力的四电平拓扑。

该拓扑的另一个特点是可采用传统的载波移相PWM调制策略，如图2所示，理想条件下可实现所有电容电压的自均衡。实际工作中采用闭环的电容电压平衡控制方法，分为相互解耦的两步：（1）母线上、下电容的电压平衡控制，通过注入零序电压的方式实现基波周期的平衡；（2）母线中间电容和悬浮电容的电压平衡控制，通过微调占空比的方式实现载波周期的平衡。

图1  所提出的混合箝位型四电平变换器拓扑

图2  载波移相PWM调制策略示意图

3. 竞争优势分析

与现有中低压多电平拓扑结构相比，本成果具有以下竞争优势：

1）成本优势：与现有成熟的四电平拓扑相比，本成果所用器件数量最少，具有相当的成本优势。与已经产品化的飞跨电容四电平拓扑相比，本拓扑使用的悬浮电容数可减少2/3。

2）性能优势：本拓扑控制算法成熟且易于实现，控制灵活度高，可实现直流母线电容电压与悬浮电容电压在全调制比和全功率因数范围内的稳定控制。相比现有的三电平拓扑产品，本拓扑能够显著降低器件所承受的电压应力，提升等效开关频率、优化谐波性能，提高整体效率并减小共模电压，实现多方面的性能提升。

4. 市场应用前景

本成果可应用于2kV光伏、储能，大功率中压变频等场合。

5. 发展规划

本成果已开发实验室样机并完成算法验证和功能测试，发表SCI检索论文多篇，技术成熟，并在国际上得到广泛关注，被美国GE、法国施耐德等公司专利引用。未来规划逐步将本成果推广到相关的产业用户实现转化应用，特别是在2kV光伏/储能变流器等新兴热点领域，可显著提高变流器的效率与输出性能，降低运行成本，带来较大的经济效益。

6. 知识产权情况

已授权1项中国发明专利。

二、合作需求

从事光伏、储能变流器、中压变频器等产品开发的电力设备制造商，以及新能源发电企业和电网公司，可开展合作研究、专利许可和技术转化。

三、团队介绍

清华大学电机系先进电能变换及电气化交通系统研究团队，团队带头人为中国电工技术学会/中国电源学会会士、IET Fellow李永东教授。团队致力于大容量电力电子技术、高性能电机控制技术、新能源发电及储能技术、电气化交通技术的研究和工程应用，并牵头成立清华大学能源互联网创新研究院绿色交通研究中心、深圳清华大学研究院第三代半导体材料与器件研究中心、以及多个企业/地方政府联合研究中心等。先后获得中国机械工业联合会特等奖、中国电源学会科技进步一等奖、中国电工技术学会科学技术一等奖、教育部科学技术进步奖二等奖等奖励多项。