一種二極管箝位級聯拓撲在直驅風電系統中的應用研究

    圖1的電路結構是二極管箝位三電平和H

橋電路的結合。為獲得單相九電平輸出，二極管箝位型多電平變換器每相需要16個功率器件、56個箝位二極管，三相只需要一個直流電源，但是箝位二極管數量較多，對其耐壓要求較高，提高了系統成本，并存在電容電壓平衡問題，這給控制和實際應用帶來困難。常規兩電平級聯H橋多電平變換器為獲得九電平輸出需要同樣的功率器件，不需要箝位器件，但是三相共需要12路獨立直流電源，需要的獨立電源數量較多。圖1的電路結構，以兩個二極管箝位三電平橋臂構成五電平H橋，再以兩個五電平H橋實現單相九電平輸出，需要的功率器件一樣，每相只需要8個箝位二極管，三相共需要6路獨立直流電源，大大減少了箝位二極管和獨立直流電源的數量，從而綜合了兩種多電平電路結構的優勢。
    圖1的拓撲結構可以概括為多相永磁同步發電機+移相變壓器+12脈波整流器+三相二極管箝位級聯逆變器，其中功率單元的結構為移相變壓器+12脈波整流器+二極管箝位五電平H橋逆變器。采用這樣的電路結構方便進行模塊化設計，能夠在常用功率器件電壓等級的基礎上，進一步提高系統的功率等級和電壓等級，隨著多相永磁同步發電機應用的不斷增加，可以方便地提供多路獨立直流電源，電壓等級的提高使輸出不用接變壓器即可并入更高一級的電網成為可能。
    使用移相變壓器和12脈波整流器構成變流器的輸入環節，實現簡單，可靠性高，能夠在發電機側獲得接近正弦波的電流波形，提高電機側的功率因數，有效降低電機的損耗；二極管箝位五電平H橋單元構成的功率單元，能夠和常規H橋一樣方便地進行級聯，二極管箝位電路中點與12脈波整流器中點連接，能夠有效保持每個功率單元中點電位的平衡，從而降低了控制的難度。輸出電壓電平數的增加，可以大大降低輸出THD和dv／dt，使逆變器功率器件的開關頻率進一步降低，從而減小開關損耗，提高系統效率，同時減小輸出濾波電感的體積和重量，降低濾波器的成本。