多电平交-直-交电压源型变频器的二极管钳位多电平逆变器结构优缺点

    二极管钳位式多电平结构是出现较早、应用场合较多的一种结构。这种结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行钳位，输出相应M电平相电压。二极管钳位式拓扑具有多电平逆变器共同的优点，但存在自身不足：①钳位二极管随电压不均匀；②器件所需额定电流不同。按最大额定设计将造成(M-1)(M-2)/2的开关元件容量上有所浪费，利用效率低；③直流侧电容由于一个周期内的流人和流出的电流可能不相等，造成不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象。而当进行有功传递时，如不附加恒压装置，必将导致M电平逐渐变为三电平(M为奇数)或两电平(M为偶数)。

    为解决以上问题，在传统的二级管钳位式多电平结构上出现了几种改造型结构。在两个相邻钳位二极管两端加上钳位电容的改进拓扑结构不但解决二极管串联问题，而且所加电容对开关器件关断时的过电压进行钳位。由于所加电容充放电的作用，减小了直流侧电容电压的不平衡性，且能实现电流的双向流动。另一种将两个相同变换器背对背使用的改进结构，左边作为整流器，右边作为逆变器，直流侧电容以相应接点进行连接，可较好的平衡电容电压。如图10-11所示。

    图10-11    结构

   (a)三电平逆变器；(b)变换器的一个桥臂；(c)M电平变换器的一个桥臂

    图10-11 (a)给出了三电平（中性点钳位）逆变器的结构。它可以用4.5kV的GTO晶闸管直接连接成3.3kW变频器。将变换器的一个桥臂作为参考，如图10-12所示。表10-3给出了GTO晶闸管的全部开关状态，每个桥臂获得0、E/2和E三种电平。这样就可在三相变换器上共同实现27种电平。

    表10-3    变换器一个桥臂的开关状态

    图10-11 (c)给出了M电平变换器的结构，此时要用(M-1)×2×3个GTO晶闸管，(M-1)×2×3个反馈二极管，（M-1）×(M-2)×3个钳位二极管和(M-1)个电容器。图10-12表示了一个桥臂上的开关根据表10-3制定的状态进行转换。图10-13表示了每种状态的电流方向。

    图10-12    开关状态

   (S11，14)、(S21，S24)、(S31，S34)是主开关，由控制脉冲控制开通。(S12，S13)、(S22，S23)、(S32，S33)是辅助开关，允许每相的输出与中性点相连。(VD11～VD32)与该运行有关。

    举例来说，M=51时直接与69kV电网相连，需要300个GTO晶闸管和反馈二极管，50个电容器和7350个钳位二极管。第二种类型变换器的优点如下：

    图10-13    电流流动方向

   (1)M很高时失真度很低，无需滤波器。

   (2)由于开关频率可低于500Hz（存在工频开关的可能性），因此对开关的约束很少。

   (3)可以控制无功功率的流动。

    主要缺点为：

   (1)随着电平数量的增加，二极管矢量急剧增加。

   (2)每个变换器的控制更为困难。

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