基于Si和SiC器件的混合型级联多电平变换器及其调控优化方法.pdfVIP

2023 年 9 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No. 18 第 38 卷第 18 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2023 DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.221402 基于Si 和SiC 器件的混合型级联多电平 变换器及其调控优化方法 任 鹏 涂春鸣 侯玉超 郭 祺 王 鑫 （国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学） 长沙 410082 ） 摘要 针对现有级联型多电平变换器器件多、损耗大、功率密度低等问题，该文提出一种基 于Si 和SiC 器件的混合型级联多电平变换器（HCMC ）拓扑结构。HCMC 由全Si IGBT 器件的中 性点钳位（NPC ）型三电平单元与由Si IGBT、SiC MOSFET 器件混合的级联H 桥（CHB ）单元 串联构成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略，充分发挥SiC MOSFET 开关损耗低、 Si IGBT 通态损耗低的优势，并对NPC 单元直流侧电压和CHB 单元子模块数进行优化设计。此 外，为解决子模块电容电压不平衡问题，提出一种轮换均压控制策略。最后，在6kV 系统无功补 偿工况下进行仿真和实验，验证了 HCMC 拓扑结构和调制策略的可行性，并将 HCMC 和现有级 联型多电平变换器进行综合对比，证明了所提拓扑在保证输出性能的条件下大大降低了运行损耗。 关键词：混合多电平变换器 Si IGBT SiC MOSFET 混合调制 电压平衡策略 中图分类号：TM464 传统级联多电平变换器通常由相同的 Si 基器 0 引言 件模块串联构成，导致高电平数下装置整体的模块 随着电力电子技术快速发展，多电平变换器凭 数较多。有学者利用不同 Si 基器件模块串联以减小 借输出电平数多、谐波含量少和开关器件电压应力 装置级联数和体积，提高装置效率[9-14] 。文献[9]提 小等优势在电气传动、电力牵引和新能源发电等诸 出由高压与低压子模块串联的混合CHB 拓扑，利用 多场景中得到广泛应用[1-3] 。根据电路结构不同，多 高压子模块可大大降低装置整体级联数。文献 电平变换器可分为中性点钳位（Neutral Point [10-12]提出由三相半桥单元和 CHB 单元串联的混 Clamped, NPC ）型、飞跨电容（Flying Capacitor, FC ） 合级联拓扑，三相半桥单元与CHB 单元分别输出两 型、级联H 桥（Cascaded H-Bridge, CHB ）型和模 电平高压方波和高频整形波形，该拓扑有效减少了 块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, 级联数和整体损耗。在文献[10-12]的基础上，文献 MMC ）[4-6] 。其中，NPC 型和 FC 型变换器随着电 [13-14]分别提出NPC 三电平单元、T 型三电平单元 平数增加，钳位二极管和飞跨电容数量急剧增多， 与CHB 单元串联的混合级联拓扑，相较于两电平高 装置控制和设计难度大，限制其在高电平数工况下 压方波，三电平高压方波更有利于减小CHB 单元级 的应用。MMC 和CHB 变换器凭借其结构易于模块 联数，且三电平单元的调制自由度更高。以上基于 化、输出波形质量好、冗余度高等优点，成为多电 单一 Si 基器件的混合拓扑在功率密度和效率方面 平变换器的研究热点。但在高压大功率应用场景下， 均有改善与优化，但受 Si 器件物理极限的制约，装 MMC 和CHB 变换器子模块数多、体积大、效率低