- 頭條燕山大學科研團隊提出一種新型飛跨電容型Zeta多電平逆變器2022-06-20 作者：王立喬、韓胥靜 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語燕山大學電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室的研究人員王立喬、韓胥靜、李占一、楊彬，在2022年第1期《電工技術學報》上撰文，提出一種新型飛跨電容型多電平逆變器，該逆變器由Zeta變換器進行演變推導而得，具有可升降壓、電容可自均壓、鉗位器件少、拓撲延展性好等優點，克服了傳統多電平逆變器在應用方面的局限性。
在大容量變換器領域，多電平逆變器具有其獨特的優勢，只需采用低壓小功率器件即可完成大功率電能轉換，交流側電壓的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）可通過增加輸出電平數得到有效降低，為設計濾波器提供便利，且輸出側電壓跳變較小，避免了瞬時過大的du/dt對器件的危害。因此，多電平逆變器不但廣泛應用于可再生能源發電以及大容量交流傳動系統，并且適用于高壓輸電系統、電能質量控制等領域。
傳統的多電平逆變器主要包括飛跨電容（Flying-Capacitor, FC）型、中點鉗位（Neutral Point Clamped, NPC）型及級聯H橋（Cascade H-Bridge, CHB）型，然而這三種基本拓撲均存在一定的不足，限制了其在一些特殊場合的應用。
中點鉗位型和飛跨電容型多電平逆變器需要對分壓電容電壓進行均衡控制，增加了系統控制難度，且向更多電平擴展時，需要大量的鉗位器件；級聯H橋型多電平逆變器雖然不存在直流側均壓問題，但需要大量獨立直流電源，成本較高。此外，這三種逆變器均屬于降壓型逆變器，應用于風能、太陽能等輸入電壓寬范圍變化的場合時存在局限性。
針對傳統多電平逆變器的缺陷，學界提出了許多新型多電平逆變器拓撲結構，如以雙Buck逆變器為基本單元的飛跨電容型雙Buck多電平逆變器、混合鉗位四電平逆變器、單相級聯七電平逆變器、單電源九電平逆變器等。這幾種逆變器雖然在電容均壓控制、拓撲延展性方面具有一定優勢，但仍只能夠實現升壓或降壓逆變。
為實現多電平逆變器升降壓能力，目前主要有幾種形式的解決方案：
一是將無源阻抗網絡加入到傳統多電平變換器拓撲的前端。有學者在傳統二極管中點鉗位型多電平變換器的基礎上加入Z源網絡，構成一種可升降壓的多電平逆變器，此方案不但引入數值較大的電感、電容等無源元件，而且需要的鉗位器件數量較多，拓撲結構復雜，另外需要采用相應的控制算法實現電容電壓的均衡控制。
二是采用兩級結構兼顧升降壓功能。有學者在傳統級聯H橋每個模塊前增加一級可升壓的DC-DC變換器，將輸入直流電壓升高，從而使電路具有升壓能力，但加入DC-DC環節增加了系統成本，降低了可靠性和效率。
三是從分析構成多電平變換器的基本結構單元出發，傳統電壓型逆變器無法實現升降壓逆變的根源在于其多由Buck斬波器演變而來，升降壓斬波器中的Cuk和Zeta變換器為脈沖電壓源型，可以作為基本單元擴展成為多電平逆變器。有學者提出了一種單級非隔離型雙Cuk多電平逆變器，以Cuk變換器作為基本單元，具有升降壓能力，但是該電路中無源器件較多，可靠性不高。
燕山大學電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室的研究人員在分析現有多電平變換器結構的基礎上，結合Zeta變換器特點，提出一種基于Zeta的新型飛跨電容型多電平逆變器。該拓撲通過將基本單元在輸入側并聯、輸出側串聯組合而成，中間電容器與輸出濾波器采用復用原則，減少了無源器件數量，可實現單級升降壓逆變，且具有電容自均壓、擴展能力較強的優點。在新能源發電等需要寬電壓輸入的應用場合具有一定的價值。
他們以Zeta五電平逆變器作為研究對象，介紹其調制方式及各個工作模態，分析了該逆變器正常工作時的開關器件應力、電容自均壓的實現、升降壓能力以及拓撲的擴展能力，并對Zeta五電平逆變器進行了仿真證明。最后搭建實驗樣機，驗證了理論分析和仿真結果的正確性。
研究人員最后指出：
1）新型飛跨電容型Zeta多電平逆變器采用容易實現的單極式載波相移調制策略，在相同載波頻率的情況下將其開關頻率等效提高，同時使其交流側輸出電壓的諧波畸變率有效降低。
2）該多電平逆變器只采用單級結構即可完成升降壓功能，克服了傳統多電平逆變器只能升壓或降壓的局限，適用于輸入電壓寬范圍變化的應用場合。
3）該逆變器電容具有自均壓能力，不需要復雜的均壓控制，且與傳統多電平逆變器相比，所需鉗位器件較少，更易于擴展為多電平逆變器。
本文編自2022年第1期《電工技術學報》，論文標題為“一種新型飛跨電容型Zeta多電平逆變器”，作者為王立喬、韓胥靜 等。
