高速铁路多电平技术-高速铁路同相供电关键技术与理论

多电平技术[63]是用多个电平阶梯波来逼近期望电压波形。如图6.21所示，其中阶梯波电压从正的最大值到负的最大值之间有8个阶梯，所以称为8电平电压波形。各个阶梯高度可相等也可不相等。从波形质量上看，阶梯越多越能逼近正弦波形；同时在同样的输出电压下，阶梯越多对开关器件所承受的耐压要求越低。

图6.21　多电平电压波形

多电平实现方式有：钳位式多电平，包括二极管钳位式多电平、飞跨电容钳位式多电平和混合钳位式多电平；级联式多电平，包括具有独立直流电源的两电平单相全桥逆变器的级联和三电平单相全桥逆变器的级联以及三相半桥逆变器的级联；经变压器级联的多重叠加多电平。

1．方波逆变器多重叠加多电平

多个电压型方波逆变器可以通过输出变压器串联连接，构成串联多重化的结构。

图6.22是由N个单相全桥方波逆变器基本单元构成的串联多重化结构。N个单相全桥方波逆变器的输出电压相位依次相差 π/N、脉宽为θ=180°-φ 的方波，如图6.23所示。根据傅里叶分解每一个单相全桥式逆变器输出电压可表示为

图6.22　串联多重化结构

图6.23　方波逆变器输出波形

式中，ψi为第i个单相全桥逆变器相移角，其前“±”号根据实际是超前还是滞后进行选择，超前时取“+”，滞后时取取“-”；Ki为第i个输出变压器Ti的变比。那么串联后的总输出电压为

为达到平衡补偿的目的，必须使合成的输出电压阶梯波u尽可能逼近期望电压u*=f（t）。平衡补偿时待补偿的目标电压往往含有谐波，其中的谐波一般都是奇次谐波。为逼近目标电压，合成的输出电压中各次谐波应与目标电压中的谐波对应相等。为讨论方便，假定目标电压不含谐波，u*=Umsin ωt，那么，由4个单相方波逆变器串联后的合成电压逼近目标电压u*情况，如图6.24所示。最理想的情况是合成电压与目标电压完全相等，即u=u*=Umsin ωt。等式的左右两边对应相等，所以：

当n ≠ 1时，，则

图6.24　N=4时等宽阶梯波

当n=1时，，则

以N为奇数时为例，为了使式（6.18）和式（6.19）成立，可以令相移角ψ1=0，ψ2=π/N、ψ3=-π/N，ψ4=2 π/N，ψ5=-2π/N，…。也即，当i为奇数时，ψi=-（i-1）π/2N ；当i为偶数时，ψi=iπ/2N ；并且K2m+1=K2m（m为大于0的整数）。这时N个基本单元的输出电压波形相移角以竖轴为中心左右对称布置。如此一来，式（6.18）的第一项和式（6.19）的第二项恒为零，但是式（6.18）的第二项不一定为零。这说明有限个方波逆变器串联后的合成输出电压波形不可能完全等同于纯正弦波。但是我们可以针对性地消除某次谐波。为了消除n次谐波，与n次谐波对应的式（6.18）第二项必须为零，这需要调整串联基本单元的个数N和匹配变压器的变比Ki，这里不再赘述。

显然，多个方波逆变器通过变压器串联可以提高输出电压，增大输出容量，并可以改善输出电压的波形。在各个基本单元输出电压一定时，要想进一步提高输出电压和改善电压波形，必须增加串联的基本单元个数。

2．钳位式多电平

1）二极管钳位式多电平

我们先来看看两电平电路，图6.25（a）为两电平半桥电路，当开关T1导通、T2关断时，uao=E/2；而当开关T1关断、T2导通时，uao=-E/2。 T1和T2只能是一个导通一个关断，输出电平最多只有两种电平，故称为两电平电路。大多数逆变器都是由两电平电路组合而成，如单相全桥逆变器是由两个图6.25（a）所示的半桥并联而成，三相半桥结构逆变器是由三个图6.25（a）所示的半桥并联而成。

由图6.25（a）所示的多个半桥串联可以构成多电平电路。德国学者Holtz首先提出三电平电路，后由日本学者A Nabae对其进行了改进。三电平电路相当于由两个单相半桥串联，并加入了一对中性点钳位二极管，如图6.25（b）所示，它由两个直流分压电容C1=C2、四个主开关管T1～ T4、四个续流二极管和两个钳位二极管D1、D2组成。

图6.25　二极管钳位式多电平电路(www.xing528.com)

当开关管T1、T2导通，T3、T4关断，输出电压uao=E/2；

当开关管T2、T3导通，T1、T4关断，输出电压uao=0；

当开关管T3、T4导通，T1、T2关断，输出电压uao=-E/2。

输出电压共有三种电平，所以称为三电平电路。与图6.25（a）所示的两电平电路相比优势是：

（1）输出电压电平数增多了，更能保证输出波形质量。

（2）开关管承受的最大电压减小了，三电平开关管所承受的最大电压为E/4，而两电平开关管所承受的最大电压为E/2 。

（3）在开关管承受电压相同的条件下，三电平电路可以输出更高的电压，适合高电压、大容量系统使用。

把图6.25（b）所示的三电平半桥结构作为基本单元进行扩充，如两个三电平半桥并联可以构成三电平单相全桥逆变器，将三个三电平半桥并联可构成三电平三相半桥逆变器。图6.25（c）就是由三电平半桥电路并联而成，可直接用于三相120° 接线同相牵引供电系统平衡补偿系统。直流侧通过两个相等容量的电容进行分压，其中点O通过钳位二极管与各桥臂相连，实现中点钳位。每一个桥臂都与图6.25（b）完全相同，每一个桥臂都可以输出三种电平电压E/2、0、-E/2。与两电平三桥臂逆变器相比，在开关管所承受的最大电压相同的条件下，可以使输出电压和容量提高一倍。

这种多电平电路的缺点是电路中的二极管及开关数量多，连接方式烦琐，控制复杂，因此其应用受到极大的限制。

2）飞跨电容钳位式多电平

飞跨电容钳位多电平逆变器是由法国学者T.A.Meynard和H.Foch提出的。飞跨电容钳位三电平电路如图6.26所示，其中图6.26（a）为飞跨电容钳位三电平单相半桥逆变器，与图6.25（b）所示的二极管钳位三电平逆变器相比，用钳位电容取代了钳位二极管。通过钳位电容将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容的电压上，由此实现三电平输出。

当T1、T2导通，T3、T4关断时，输出电压uao=E/2；

当T1、T2关断，T3、T4导通时，输出电压uao=-E/2；

当T2、T3导通，T1、T4关断时，输出电压uao=0。

将两个三电平单相半桥并联就可以构成如图6.26（b）所示的飞跨电容钳位三电平单相全桥逆变器；将三个三电平单相半桥并联就可以构成图6.26（c）所示的飞跨电容钳位三电平三相半桥逆变器。

图6.26　飞跨电容钳位式多电平电路

飞跨电容钳位多电平电路可以避免在多电平逆变电路中使用太多的二极管，但增加了钳位电容，当电平数超过3个时，电容数量增加也相当可观。

3．级联式多电平

钳位式多电平是用一个高压直流电源供电，用多个直流电容串联分压，用钳位二极管和钳位电容将主开关管上的电压钳位在一个直流电容电压上，由此可以用低压开关器件也能达到输出高电压的目的。由于采用直流电容分压也就产生了直流电容均压的问题，不得不通过控制算法来解决这一问题，增加了控制的复杂程度。

经联式多电平是将多个两电平或三电平单相全桥逆变器直接串联构成多电平电路。

图6.27是单相全桥级联式多电平原理电路，其中图6.27（a）是由N个两电平单相全桥逆变器级联而成，而图6.27（b）是由N个三电平单相全桥逆变器级联而成。图6.28是由N个交直交逆变器级联而成的两相90° 接线平衡补偿系统。

在同样的开关器件耐压下，级联后的最大输出电压是单个逆变器的N倍，级联后的输出电压阶梯数也是单个逆变器的N倍。所以，级联后输出容量、输出电压及其波形质量都会大幅度提高。

图6.27　单相全桥级联式多电平

图6.28　交直交变流器的级联

与串联多重化一样通过级联可以增大输出电平数，改善输出电压波形；在同样的开关器件耐压下，级联逆变器个数越多，输出电压越高；反之，在同样的输出电压下，各开关器件承受电压可以大大降低。同时，级联多重化不需要直流电容分压，每一个直流电容都是相互独立的，所以也不存在直流电容均压的问题。

同相牵引供电平衡补偿系统直流侧并不需要直流电源，只需要用于能量交换的支撑电容；其次根据系统电压高低和补偿容量大小，可以自由选择级联逆变器的个数。由于这两个原因级联式逆变器结构在同相牵引供电平衡补偿系统中应用非常方便，与钳位式多电平电路相比具有一定的优势。