随着多电平变换技术的日益成熟,多电平功率变换器(Multilevel Converter, MC)在高压大功率场合已经得到了广泛应用,如高压变频器、有源电力滤波器等。MC的优点主要有可以承受较高的电压等级、能够控制电压电流谐波含量等[1,2],它的基本拓扑主要有钳位型和单元级联型[3,4]两类。
在工业中已经应用成熟的中高压变频器产品的技术方案主要有两种:①二极管钳位型多电平拓扑,西门子及ABB中高压变频器都有此拓扑的系列产品;②完美无谐波型级联H桥中高压变频器,罗宾康公司或利德华福公司采用此方案。
但是,这两种高压变频器为了降低电流谐波成分及输入输出隔离的需要,在交流输入侧都需要多脉冲工频移相变压器,因此存在体积庞大成本高、接线复杂等缺点。
基于高频变压器的级联式多电平变换器[5,6],近年来在电力电子变压器等领域受到广泛关注[7,8]。此类变换器在输入输出两侧都采用级联全控H桥级联变换器(或级联模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converters, MMC))拓扑,中间级采用双向DC-DC高频变换器,对比传统的移相工频变压器,系统的体积及质量大大减小。但是,此类变换器也存在明显的缺点,即输入、输出侧的H桥级联变换器及双向DC-DC变换器,使用了非常多的全控型功率开关器件及直流电容,系统损耗大,且控制算法比较复杂,可靠性低[9]。
为解决级联式H桥变换存在的上述问题,文献[10-13]将三相脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)逆变器线电压级联,可以应用于高压逆变器或者有源滤波器场合[10-13]。文献[14,15]提出采用三相全控桥线电压级联的整流器,对比传统的级联H桥变换器,在同等三相交流电压下,能够少用一半的功率开关器件,且直流电容的数量也可大大减少。
文献[16]为了进一步降低开关管的耐压等级,采用基于三相VIENNA变换器的线电压级联整流器方案,相比文献[14]的技术方案,开关管承受电压压力及使用数量都减半。图1为基于此拓扑的中高压变压变频器一种新型的拓扑结构,它的逆变级是三电平结构,与ABB中高压变频器ACS5000的逆变级类似。
本文针对三相线电压级联VIENNA变换器(Line- Voltage Cascaded three-phase-VIEENA Converters, LVC-VC)的PWM调制策略及直流侧电压均衡控制进行研究。分析此变换器的工作原理、等效电路及各支路的电流关系,设计了基于单周期控制的功率因数校正PWM调制策略,推导了此拓扑直流侧电容电压特性,并研究级联模块直流电压的均衡控制。
图1 一种中高压变压变频器的新型拓扑
图11 实验样机