2　级联型变流器拓扑结构和控制策略
2．1　多电平级联变流器的主电路拓扑结构
　　PENGF．Z等学者在1995年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式逆变器组合而成的新型多电平级联变流器的主电路拓扑结构。这种采用多电平结构的变流器可以不用变压器，直接并入中压配电网中用作电压调节、无功补偿和有源滤波装置，图1为多电平级联逆变器的单相结构，每个电桥都有其独立的直流电压源，幅值都相同均为E，在一个周期内，由n个单相逆变桥连接成的逆变器发出2n＋1个电平，这种结构的优点在于比较容易使逆变器工作在高电压的环境下。
　　多电平级联变流器由于采用分布式直流电压源供电，因此不用考虑其余形式多电平变流器需要顾及的直流侧电容均压问题，从而提高了变流器工作的可靠性，而且级联型变流器采用的是单相全桥变流器的串联布局，每一模块的结构完全相同，便于模块化设计，直流侧电压也较容易控制，采用这种结构的变流器在中高电压工作环境中有比较好的稳定性和抗干扰性。
2．2　级联型变流器的控制策略
　　如何控制级联型变流器是决定其性能的一个重要环节，多电平级联型变流器的控制策略主要分类 如图2。

　　在所有控制方式中，工频开关工作方式最早得到应用，其主要目的是减少传统两电平变流器在PWM方式下开关损耗高等问题。工频开关工作原理已在图1中得到演示。随着级联变流器的应用面越来越广，对变流器输出波形的要求也逐渐提高，工频开关模式已无法适应工业发展的要求。原用于两电平变流器的脉宽调制解调（PWM）经改进后应用在多电平领域。这些PWM控制方法主要分为两类：三角载波PWM和空间矢量法PWM，其中空间矢量法PWM实际上是数字技术在PWM中的应用，具有硬件电路简单、谐波含量低等优点，但当电平数大于5时，其计算过程变得较为复杂，所以矢量PWM
技术主要用于3电平的领域，应用面较窄。于是三角载波PWM方法便成为级联型变流器的通用的标准调制方法。其后出现的各种载波PWM方法都是在其基础上发展起来的。
　　以下用MATLAB仿真来描绘正弦相移PWM法的原理。变流器每个模块的SPWM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来的keff倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。设三角载波的开关频率是正弦波频率的kc倍，则一个三角载波周期所占的电角度为θc＝2π／kc，对于一个n模块的级联型多电平变换器，相邻三角载波之间的相移为θsh＝θc／n＝2π／（nkc），相应的输出SPWM波的等效载波频率为Keff＝nkc，图3所示为九电平级联型变流器在正弦移相PWM方式下工作的波形。

3　多电平级联型变流器的应用现状及其在电能质量综合治理中的应用前景　　
　　如前文所述，多电平级联型变流器有结构简单、控制方式简便的优点，因此在灵活电力系统和用户电力技术方面有广阔的应用，现有的各种应用中主要分为三类：交直流能量转换；高压大电机变频调速；电能质量综合治理见表1。　　
　　多电平变流器由于其自身结构的特点，所以在交直流能量转换上应用十分广泛。与传统的两电平电路相比，其控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低，因此在清洁能源的利用上可以起到重要的作用，可再生清洁能源例如风力能、太阳能等可先将电能储存在电容或蓄电池中，再通过级联型变流器将电能传输到电网中。而在高电压级别的高压直流输电中，多电平级联变流器由于其模块化设计的简单结构也得到较多的应用。

　　高压大电机变频调速是多电平级联变流器应用的另一重要领域。传统的两电平变流器在高压电机应用时有几点问题：①高频容易导致较高的dv／dt和浪涌电压将高压电机转子绕组绝缘击穿；②高频开关所产生的器件电压应力和开关损耗将降低电机效率；③高频开关产生很高的电磁干扰将干扰周围电子设备；而多电平级联变流器工作在工频时，便可以克服以上的问题。而将级联型变流器用于高压变频器领域，不但可以扩展原有两电平变流器的电压等级，更主要是减少变频器出口端的谐波含量。目前该类型产品的电压等级已达到6．3 kV，应用领域十分广阔。
　　多电平级联变流器在电能质量综合治理中的应用也开始受到人们的重视。电能质量直接影响到电 力系统的供电安全及供电质量。解决供电系统中的谐波、电压突变等问题，提高供电质量已迫在眉睫。目前国内外对电能质量的治理研究主要集中在低压系统电能质量的控制方面，不少实际装置也投入运行。但对于中高压系统的电能质量控制尚无广泛开展。从物理本质上讲，中高压系统的无功、谐波、和负序的产生及其治理与低压系统是一致的，其难点和关键是如何提高电能质量综合治理装置的电压等级和装置容量。从系统角度来说，如果在电网的主要节点安装中高压的电能质量治理装置，使得在系统的输电线路上传输的是三相对称且波形正弦的基波电流，这样不仅可以提高供电质量，而且可以提高输电线路利用率和输电系统的稳定性。多电平级联变流器的结构特点使得其成为高电压级别电能质量治理装置主电路结构部分的选择之一。在高压级别的无功补偿部分，多电平级联变流器已经得到广泛的应用，就基本拓扑结构而言，同为电能质量治理装置的电力有源滤波器、动态电压补偿器和无功补偿装置是一致的，只是控制策略有所不同。图4所示 为高压级别的电能质量综合治理的框架图。

　　在图4所示系统中，各补偿部分控制思路为：在中、高压等级的电能质量综合治理中，首先用无源无功补偿装置来补偿系统中的大部分无功功率；余下的小部分无功和负荷谐波由电力有源滤波器来补偿；系统中的谐波和电压不平衡则由动态电压补偿器来消除。

4　小结
　　多电平级联变流器比较适合应用于高电压、大容量工业领域，针对其结构的控制策略也正在不断地优化当中。本文提出在高电压等级的电能质量综合治理中采用级联型变流器作为主电路有其理论基础和实践意义，但中、高电压等级的电能质量治理在国内仍处于起步阶段，本文在用级联型变流器作为装置主电路方面作了一些探索。

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