摘要
中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院的研究人员邹甲、王聪等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，针对H桥级联多电平变换器存在开关管及直流电容数量多、控制复杂等问题，提出一种三相线电压级联VIENNA变换器拓扑。
分析该拓扑的等效电路模型、各支路电流关系式及等效电平级数，设计基于单周期级联控制的功率因数校正脉宽调制（PWM）策略；推导出此拓扑直流侧电容电压的数学表达式，得出它的最小平均值及谐波成分的最大值；提出零序电流注入法实现级联变换器直流侧电容电压均衡控制。
仿真分析和实验结果表明，提出的新型变换器拓扑及其控制策略，其开关管的耐压大大降低，并具有较高的功率因数和较低的总谐波畸变率（THD），可以保持各模块直流输出电压均衡性，可作为新一代高压大功率变换器的整流级。
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
结论
本文提出了一种三相线电压级联VIENNA整流器拓扑及其控制策略，具有以下特点：
1）基于单周期级联控制的功率因数PWM调制策略，实现了输入交流电流正弦且功率因数接近1，不需要采样输入交流电压和乘法器。
2）实现了直流侧输出电压稳定控制，大大降低变换器直流母线电压等级；采用注入零序电流法可实现各模块VIENNA变换器直流电压均衡控制。
三相线电压级联VIENNA整流器可以作为新一代中高压大功率电力电子设备的整流级，所需开关管及直流电容个数少，耐压低，降低了变换器的成本和体积。
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