中点箝位型多电平变换器的新型调制技术与控制方法

1. 痛点问题

在风电、光伏、中压变频等领域，随着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，在交流690V——3300V的中压电能变换场合得到了广泛应用，但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、需要器件直接串联等问题。

MMC和H桥级联型多电平逆变器由于采用模块化结构，电平数多，可以采用低压器件实现高压输出，在高压变频和柔性直流输电等场合得到广泛应用。但由于其子模块数量多、所需电容/多绕组变压器体积大、功率密度低，更加适用于10kV及以上高电压、大容量的电能变换场合。因此，在现有三电平和模块化多电平产品之间存在巨大的电压等级空白，现有产品难以很好地满足实际需求。

为提高电压等级，中点箝位型三电平拓扑也可扩展至四电平或五电平拓扑结构，在采用相同功率器件的情况下可将电压和功率等级提高50%以上。部分典型中点箝位型四电平拓扑如图1（a）所示，其无源器件数量远少于MMC和H桥级联型变换器，具有较高的功率密度。然而，此类拓扑存在母线中点电位无法平衡的难题。已有研究表明，采用传统载波PWM或空间矢量PWM调制策略，中点箝位型四电平/五电平变换器在单位功率因数下的最大调制比只能达到0.55，严重阻碍了这一类拓扑在工业中的应用。

2. 解决方案

针对中点箝位型多电平变换器这一类拓扑母线中点电压难以平衡的难题，本成果提出了一种新型的虚拟空间矢量PWM方法，以四电平为例，其示意图如图1（b）所示。通过将对母线中性点电压影响相反的开关状态组合为一个新的虚拟电压矢量，从而将多电平空间矢量PWM简化成三电平空间矢量PWM，并实现所有母线中性点电流在一个载波周期内相等。然而，该方法的实现步骤复杂，计算量较大。为简化该方法，本成果进一步提出了一种新型的载波交叠PWM调制技术，如图2（a）所示。通过精心设计三个载波的幅值和垂直布局，使得理想条件下母线中间电容在每个载波周期内的充放电量相等，母线上、下电容在一个基波周期内充放电量相等，从而实现了母线三个电容电压的自均衡。为进一步简化控制系统设计，本成果提出了一种等效的单载波多调制波方法，如图2（b）所示，只需要按照相应公式生成三个调制波并与一个三角载波比较即可得到三对开关管的控制信号。两种方法最终得到的开关信号完全相同。

上述三种方法的效果是完全等效的，都可以实现母线中点电压在理想情况下的自平衡。在实际工作中，还需要考虑各种非理想情况，采用闭环的电容电压平衡控制方法，可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。采用这种方法，就可以实现图1（a）中各种中点箝位多电平拓扑的母线中点电压在任意调制比和任意功率因数下的平衡控制。

图1 中点箝位型四电平拓扑及虚拟空间矢量PWM调制方法

图2 （a）四电平载波交叠PWM及（b）等效单载波多调制波方法示意图