学术简报︱单相升降压型五电平逆变器拓扑及控制

摘要

燕山大学电气工程学院的研究人员杨国良、张玉娜、陈泰余、贾艳晓、方一鸣，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文，通过分析现有五电平逆变器拓扑的优缺点，提出一种具有升降压能力的五电平逆变器拓扑。相对于传统的多电平逆变器，新升降压型五电平逆变器具有能够实现升降压、拓扑简单、易于实现控制、功率器件少、开关损耗小等优点。在载波层叠调制策略下，对所提逆变器进行开环仿真，证明拓扑的升降压能力。

基于传统的PR控制方法，对所提逆变器进行闭环设计并仿真。为了提高并网电流的质量，采用模型预测控制算法来对逆变器进行并网控制，通过仿真证明理论分析的正确性。并将这种控制方法与传统PR控制方法进行对比，突出模型预测的优越性。最后，基于该逆变器拓扑进行部分开环及闭环实验，验证了拓扑的可行性。

五电平逆变器发展至今，主要有三种基本的五电平逆变电路拓扑：二极管钳位式五电平逆变器、飞跨电容式五电平逆变器和级联式五电平逆变器。其中级联式五电平逆变器在实现较多电平输出时，拓扑结构中的器件数是最少的、控制逻辑简单、效率高、可靠性高且易于模块化。模块化的实现，使得电路发生故障时检修难度降低。因此，级联式逆变器在高功率和高电压场合应用中具有独特的优势。

在级联型五电平逆变器发展过程中，通过改进逆变器的拓扑来达到性能优化的目的。开关管和独立直流电源的数量、功率损耗、控制算法的复杂性、输出波形的总谐波失真及开关的稳态电压率是新型拓扑中的优化主题。

逆变器的交流输出电压峰值受到直流电源电压的限制，从而限制了逆变器的应用场合。逆变器工作中禁止直通状态，因此需要认真设计开关管的死区时间，增加了控制难度。

为了提高效率、改善波形和实现高频化，文献[7]提出复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变器。由耐压功率元器件构成的全桥电路实现基波频率波形，由低压高频率元器件构成的双Buck为基础的飞跨电容逆变电路，改善了波形，提高了整机效率。为减少钳位器件数量，文献[8]提出一种混合钳位四电平逆变器拓扑及其扩展五电平拓扑结构。

针对逆变器输出电压峰值受直流电源电压限制，从而限制了逆变器的应用场合这一缺点，文献[9-10]采用在拓扑的每个模块中附加一个DC-DC升压转换器的方法，组成级联升压型五电平逆变器，以便在直流输入电压较低时获得较高的输出电压。然而，附加的DC-DC升压型功率转换器，在增加系统的硬件成本的同时降低了系统的功率传输效率，且增加了系统的控制难度。

针对传统五电平逆变器存在的功率器件多、开关损耗大等问题，文献[11]提出了一种晶体管钳位H桥五电平逆变器。晶体管钳位H桥五电平逆变器，是在没有增加直流电源的前提下，通过增加晶体管钳位来增加输出电压的电平数，即可由传统的三电平输出增加至五电平，从而大大减小了逆变器的体积。

但是增加的两个电容，产生了电容电压平衡的问题，造成中点电位漂移。此外，仍然存在逆变器的交流输出电压峰值受到直流电源电压限制以及桥臂严禁直通，必须设置开关死区时间等问题。

针对逆变器输出电压峰值受直流输入限制，从而限制了逆变器的应用场合；同一桥臂上的两个开关管禁止同时接通而增加了系统控制难度；拓扑中包含器件数量较多等缺点，文献[12]提出了一种升压型五电平逆变器。该拓扑通过在前级级联一个Boost转换器来实现对直流输入电压的提升，从而解决了输出电压峰值受到直流电源电压的限制这一问题。相对于传统逆变器结构，该拓扑中功率器件数量较少，且不存在分压电容电压不平衡问题。但是，该逆变器前级转换器只能实现电压的升高，直流源电压的调节范围虽然有所扩大，但还是相对较小。

对此，本文提出一种升降压型五电平逆变器拓扑，前级的变换器既能升高直流源电压，又能降低直流源电压。因此，电压调节范围更大，应用场合更广，并对其进行了开、闭环仿真及实验验证。

图1 升降压型五电平逆变器拓扑结构

总结

通过查阅大量国内外文献，总结出现有多电平逆变器拓扑存在的共同缺点：输出交流电压的峰值受直流输入电压幅值的限制，拓扑器件多，逆变器因工作中严禁直通状态而需要设置死区时间等。因此，提出了单相升降压型五电平逆变器拓扑。在完成理论分析的基础上搭建数学模型，通过对比分析不同控制方法下对应的系统性能，突出体现了模型预测控制算法的优越性，并搭建实验平台完成了实验验证。

【原】学术简报︱单相升降压型五电平逆变器拓扑及控制