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S9.
基于电荷刷新的二极管箱位型多电平逆变器电容
电压均衡控制陈玲钟黎萍王尚玉邵智超
(常热理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500)
摘要：提出了一种新预的二极管箍任型多电平逆变器电容电压均衡控制方法：通过一个均衡电容在一个采样周期内与蒋位电容的轮换并联，将电压较高的电容上的电荷，注入到电压较低的电客上，实现电荷的动态剧新，保证各将位电客电压的基本平衡。该方法所需
关键词：二极管箍住型多电平逆变器；电客电压平衡；均衡电容；电荷制新
1概述
由于具有输出波形谐波含量低，开关器件承受的电压应力小等优点，多电平逆变器已经成为当今电力电子和电力传动技术的研究热点-)。多电平逆变器主要有三种基本结构：级联式(cascadle Hbridge multilevel inverter, CHMLI)飞 路 电容式(flving capacitor multilevel inverter,FCMLI)和二极管推位式(diodeelampedmul ti-level inverter，DCMLI)，其中DCMLI电路相对简单，应用最为广泛。DCMLI电路存在的主要间题是电容电压的不平衡,包括两个方面：电容电压的波动和电容电压的偏移。电压的波动是指一个周期内电压脱时值发生变化但平均值不变：电压偏移是指电压平均值发生变化，二者通常同时发生。电容电压波动过大，可能会造成某些功率管承受过高的电压面损毁.但通过选择较大容量的电容，可以使其得到抑制。相对面言，电容电压偏移危害更大。因为偏移的累积效应，最终可能造成多电平电路的期溃，即使采用大容量的电容也无济于事。平衡电容电压可以从硬件电路和控制算法两方面着手。硬件电路方面目前主要有两种方法：采用多个独立直流电源，或外加电压补偿电路向中点注人或抽取电流来均衡电容电压。这两种方法需要增加太多的设备，很难实用。通过改进控制策略来平衡电容电压无需增添硬件设备，具有较强的经济优势，因而成了目前研究的热点，也取得了一些成果，其中最重要的是基于虚拟空间失量的方法。但是这种方法的缺点也是很明显的：对于高于三电平的逆变器几平很难找到有效的控制方法。本文提出了一种新额的电容电压平衡拓扑，这种电路所需添加的硬件设备较少，控制方法简单，适用于任意电平的逆变器。仿真运行验证了该方法的可行性，
2基于电荷剧新的电客电压平衡控制 2.1电容电压失衡的原因
宏观上看，DCMLI电路电容电压之所以会失去平衡，主要是由于各着位电客工作状态不均衡所致。如果每一个箱位电容在一个周期内的能够追历所有工作状态，则电容平均电压总会维持平衡，不会产生偏移；当周期足够短时，电容电压的波动也会得到抑制。在进行空间矢量调制时，余失量实际上就是保证所有错位电容工作状态均衡的一种可能的选择，但可惜只有最底层的小失量才具有足够的余数，能够让所有猎位电容在同一状态下轮流一；其他失量无法保证猎位电容的追历性。这也是在高调制比以及电平数较高的情况下单纯依靠控制算法难以均衡电容电压的根本原因。换一个角度看，对于电容量相同的箱位电容，当电压不相等时，意味着电容上
图1基于电荷刷新的三电平逆变器
本文受常熟理工学院大学生实践创新训综计划项目支持
的电荷量也不相等，电压高的电容电荷量大。如果能够及时对电容电荷进行刷新，将电压高的电容上多余的电荷补充到电压低的电容上，动态维持箱位电容电荷量的相等，将会保证电容电压的平衡。
2.2电荷制新电路及工作原理
基于上述思想的电路拓扑(以3电平为例)如图1所示。
图1中虚线所示部分即为电荷剧新电路，由一个均衡电容和几个相应的切换开关组成。电容规格与指位电容相同，开关数量为箱位电容数量的2借。为使电荷能够双向流动，开关实际电路如图2所示。
图2开关拓扑
图1中四个切换开关的控制信号如图3所示。可见开关S，与S；同步,S,与S.同步，面S,与S,互斥。一个采样周期T内，在切换开关的作用下，均衡电容轮换与猎位电容接通，充当电荷"搬运工"的角色，不断刷新猎位电容的电荷，保持电荷的动态平衡，从而维持电压的平衡。当采样周期足够小时，电容电压的波动将会很小。
S,/s,
T/2
Sz/s
T/2
r
图3切换开关控制波形
均衡电容与位电容轮换接通的颠率越高，电容电压的平衡程度也越高，因此，在条件允许的情况下，应尽可能提高切换开关的频率.其下限是要保证在一个采样周期T内，均衡电容与所有位电容各接通一次。
当逆变器电平数增加时，均衡电容仍只需一个，切换开关数量会同比增加。四电平递变器需要6个切换开关（包括6个功率管，24 个二极管），五电平逆变器需要8个切换开关(8个功率管，32各二极管）。总的来看，增添的硬件设备数量不算太多，实际应用尚可接受
从控制角度来看，不管电平数是多少，切换开关的控制都很简单，只需保证均衡电容在一个采样周期内至少与箱位电容轮换接通次即可。无需检测电流，也不会影响到电压参考失量的合成，因此这一电路具有一定的应用价值。
3仿真验证
为验证前述电路的正确性，对三电平的DCMLI电路进行了仿真实验。
图4~图7是三电平DCMILI在低功率固数负载下的对比实验
作者简介：钟繁萍，男，白族，工学博士，制教授，常热理工学院电气与自动化工程学院投师，主要研究方向：电力电子与电气传动