高電壓轉(zhuǎn)換器與電動(dòng)車(chē)應(yīng)用：NPC多電平逆變器為何如此關(guān)鍵?

隨著能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，電流在傳輸和利用過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題。特別是，智能電網(wǎng)的增長(zhǎng)和可再生能源的使用對(duì)電能的“質(zhì)量”提出了更高的要求，例如減少諧波和在電網(wǎng)中平衡有功與無(wú)功功率的能力，因此需要使用靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它們由電力電子設(shè)備組成，動(dòng)態(tài)提供無(wú)功功率支持，在負(fù)載或發(fā)電波動(dòng)期間幫助穩(wěn)定電壓水平。通常，它們位于高電壓側(cè)(從30 kV到150 kV及以上)，由背靠背連接的受控整流器和逆變器組成，采用直流母線連接。

在處理高電壓時(shí)，由于電子開(kāi)關(guān)的限制傳統(tǒng)橋式整流器和兩電平逆變器并不適用。在幾十年前，僅使用同步旋轉(zhuǎn)機(jī)械。然而，基于“多電平轉(zhuǎn)換器”原理的新型切換轉(zhuǎn)換器拓?fù)浔婚_(kāi)發(fā)出來(lái)。在這種拓?fù)渲?，交流電壓由多個(gè)小電壓源之和生成(實(shí)際上是通過(guò)電容器實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論它們?cè)谕負(fù)渲腥绾芜B接)。由于在三相系統(tǒng)中用于AC/DC轉(zhuǎn)換和DC/AC轉(zhuǎn)換的拓?fù)湎嗤?，只是切換模式不同以管理能量流向的不同，我們可以更普遍地稱(chēng)之為“轉(zhuǎn)換器”而不是逆變器或整流器。

成本的降低以及材料技術(shù)的改進(jìn)(如碳化硅/氮化鎵IGBT和MOSFET)使這些轉(zhuǎn)換器對(duì)大約1 kV電壓的應(yīng)用也變得有吸引力，例如用于電動(dòng)車(chē)(EV)的牽引系統(tǒng)(實(shí)際上為800 V)或電池充電器。

直觀地說(shuō)，串聯(lián)更多的開(kāi)關(guān)可以降低每個(gè)器件上的電壓應(yīng)力，并通過(guò)多個(gè)電壓階梯的合成減少諧波，但也需要考慮電路和控制復(fù)雜性增加帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

為了理解這一概念，我們將研究一種多電平轉(zhuǎn)換器，重點(diǎn)關(guān)注其首批實(shí)現(xiàn)的拓?fù)渲?也可能是目前成本效益較高且電壓不太高應(yīng)用中仍然主要使用的一種)：中性點(diǎn)鉗位多電平逆變器(NPCMLI)。為了簡(jiǎn)化，以下內(nèi)容中僅討論逆變器模式，而無(wú)需研究如何實(shí)現(xiàn)整流控制。

中性點(diǎn)鉗位多電平逆變器的工作原理

我們來(lái)看一個(gè)連接到直流母線電壓Vdc?的逆變器典型支路。在圖1中，展示了通過(guò)一系列電容器生成多電平電壓的理論原理，通過(guò)提供訪問(wèn)每個(gè)電容器端子的連接點(diǎn)(稱(chēng)為節(jié)點(diǎn))。串聯(lián)電容器既作為逆變器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，也提供了多個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)。不同的拓?fù)淇梢杂糜趯⑦@些節(jié)點(diǎn)連接到輸出，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

每個(gè)電容器兩端的電壓滿足以下公式：

其中，n表示電平數(shù)，或者說(shuō)是逆變器相對(duì)于直流母線可用的節(jié)點(diǎn)數(shù)。因此，一個(gè)設(shè)計(jì)為n電平的逆變器通常需要1n?1個(gè)電容器。

NPCMLI通過(guò)串聯(lián)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并使用鉗位二極管將所需節(jié)點(diǎn)連接至輸出來(lái)生成多電平電壓波形。如圖2所示，這是一個(gè)5電平NPCMLI的典型支路。

電路中不同參數(shù)的關(guān)系如下：

· 電容器數(shù)：n=m?1

· 開(kāi)關(guān)數(shù)：l=2(m?1)

· 鉗位二極管數(shù)：j=(m?1)(m?2)

可見(jiàn)，隨著電平數(shù)的增加，電路的復(fù)雜性(包括開(kāi)關(guān)和二極管數(shù)量)迅速增加。對(duì)于高電平數(shù)的場(chǎng)景，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了其他拓?fù)洹?/p>

三電平NPCMLI分析

接下來(lái)我們將分析一個(gè)三電平NPCMLI，既是為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，也是因?yàn)樗噍^于兩電平逆變器是首個(gè)顯著改進(jìn)。

圖3展示了一個(gè)包含控制電路的三電平NPCMLI示意圖。

通過(guò)查看其中的開(kāi)關(guān)切換模式，我們可以了解如何生成多電平輸出電壓。假設(shè)從下到上命名四個(gè)開(kāi)關(guān)為S1?至S4?。通過(guò)打開(kāi)其中兩對(duì)開(kāi)關(guān)，并利用二極管，可以將相位端連接到所需的節(jié)點(diǎn)，如圖4所示(紅色路徑表示電流流向)。

以下表格總結(jié)了基于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的相電壓合成過(guò)程。需要注意的是，每次輸出電壓變化時(shí)，僅有兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變。

PWM調(diào)制與仿真

與兩電平逆變器類(lèi)似，為了在負(fù)載上生成正弦波電壓，可以使用PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)。在載波信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)，通過(guò)調(diào)制信號(hào)的平均值獲得與目標(biāo)正弦波值成比例的電壓。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過(guò)多種方法完成。最簡(jiǎn)單的一種方法是使用多個(gè)載波，每個(gè)電壓區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)載波。例如，對(duì)于一個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器，需使用兩個(gè)三角波載波：一個(gè)從0到?，另一個(gè)從?到1。調(diào)制信號(hào)為帶有?偏置的正弦波，其幅值為ma?(調(diào)制指數(shù))。通過(guò)比較正弦波與這兩個(gè)載波，并結(jié)合查找表，可以確定各個(gè)開(kāi)關(guān)的門(mén)極信號(hào)。

通過(guò)使用PLECS(一種由PLEXIM開(kāi)發(fā)的電力電子系統(tǒng)仿真平臺(tái))，可以得到相電壓和線電壓的仿真結(jié)果。如預(yù)期所示，三電平PWM調(diào)制的相電壓在正弦波的一半周期內(nèi)于0和Vdc?/2之間變化，另一半周期在Vdc?/2和Vdc?之間變化(見(jiàn)圖5)。

優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，三電平逆變器的線電壓波形更接近正弦波。這表明，即使沒(méi)有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，這種系統(tǒng)的諧波含量確實(shí)減少了。通過(guò)增加電壓電平數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波的更精確逼近，從而簡(jiǎn)化線性濾波器的設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰种频闹C波更少。

此外，使用更多電壓電平的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，每個(gè)開(kāi)關(guān)承受的電壓低于總電壓。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)的dV/dt降低，不僅減少了開(kāi)關(guān)應(yīng)力，還降低了開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾(EMI)。

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些挑戰(zhàn)。隨著電平數(shù)的增加，電路的復(fù)雜性和組件成本顯著提高。此外，復(fù)雜的控制策略可能會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的難度。

結(jié)論

多電平轉(zhuǎn)換器并非技術(shù)新貴，但研究人員和工程師仍在探索新的配置和控制策略，以提高其性能和適應(yīng)性。隨著材料和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，我們可以期待更高效和更緊湊的設(shè)計(jì)，用于電動(dòng)車(chē)或工業(yè)驅(qū)動(dòng)等新型應(yīng)用。然而，其復(fù)雜性和成本可能限制其在預(yù)算有限或簡(jiǎn)單應(yīng)用中的使用。