飞跨电容钳位型多电平变换器

    图8-17所示为单相的飞跨电容三电平变换器的拓扑结构图。不难看出，飞跨电容钳位型三电平主电路只是用飞跨电容取代钳位二极管，因此其工作原理与二极管钳位电路相似。
    图8-17    单相的飞跨电容三电平变换器的拓扑结构图    以变频器A相桥臂输出为例，分析飞跨电容三电平变换器的基本工作原理，这里有三种开关组合状态模式：①当功率开关器件S1、S2导通，S3、S4关断时，此时Vam=Vdc/2（Vam表示A相幅值），如图8-18所示；②当功率开关器件S1、S3导通，S2、S4关断时，此时Vam=Vdc/2-Vc1=0;③当功率开关器件S1、S2关断，S2、S4导通时，此时Vam=-Vdv/2.这样Vam共有Vdc/2，0，-Vdc/2三个值，所以为三电平逆变器。    若将上述三电平扩展到通用的N电平的情况，则通用多电平电容钳位型逆变器单元如图8-19所示。
    图8-18    飞跨电容三电平变换器的基本工作原理的三种开关组合状态模式
    图8-19    多电平电容钳位型逆变器单元    通过和二极管钳位式多电平逆变器比较不难看出，这种拓扑结构虽省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。不过在电压合成方面，由于电容的引进，开关状态的选择更加灵活，使电压合成的选择增多，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。由此可知，电容钳位型多电平变流器的电平合成自由度和灵活性高于二极管钳位型多电平变流器。其优点是开关方式灵活，对功率器件保护能力较强，既能控制有功功率，又能控制无功功率，适合高压直流输电系统等，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。其主要缺点是：    ·需要大量的存储电容。如果所有电容器的电压等级都与主功率器件的相同，那么一个m电平的电容钳位型多电平变流器每相桥臂需要（m -1）×（m-2）／2个辅助电容，而直流侧上还需要（m-1）个电容。电平数较高时就增加了安装的难度，同时也增加了造价。    ·为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合。这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率和开关损耗大。    ·同二极管钳位型多电平变流器一样，电容钳位型多电平变流器也存在导通负荷不一致的问题。    这种高压变频器的代表是法国阿尔斯通( ALSTOM)公司生产的ALSPAVDM6000系列高压变频器，其逆变器结构如图8-20所示。由图8-20可见，功率器件不是简单地串联，而是结构上的串联，通过电容钳位，保证了电压的安全分配。其主要特点是：①通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级（如3. 3kV、4.16kV、6.6kV、10kV）的需要；②这种结构可使系统普遍采用直流母线方案，以实现在多台高压变频器之间能量互相交换；③这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统的可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单可靠，易于维护；④输出波形非常接近正弦波，可适用于普通感应电机和同步电机调速，而无需降低容量，没有dv/dt对电机绝缘等的影响，电机没有额外的温升，是一种技术先进的高压变频器；⑤ALSPAVDM6000系列高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉冲、18脉冲的二极管整流或晶闸管整流。若要将电能反馈回电网，可用晶闸管整流桥；若要求控制电网的谐波功率因数，及实现四象限运行，可选择有源前端。
    图8-20    逆变器结构