一种二极管箝位级联拓扑在直驱风电系统中的应用研究

    图1的电路结构是二极管箝位三电平和H

桥电路的结合。为获得单相九电平输出，二极管箝位型多电平变换器每相需要16个功率器件、56个箝位二极管，三相只需要一个直流电源，但是箝位二极管数量较多，对其耐压要求较高，提高了系统成本，并存在电容电压平衡问题，这给控制和实际应用带来困难。常规两电平级联H桥多电平变换器为获得九电平输出需要同样的功率器件，不需要箝位器件，但是三相共需要12路独立直流电源，需要的独立电源数量较多。图1的电路结构，以两个二极管箝位三电平桥臂构成五电平H桥，再以两个五电平H桥实现单相九电平输出，需要的功率器件一样，每相只需要8个箝位二极管，三相共需要6路独立直流电源，大大减少了箝位二极管和独立直流电源的数量，从而综合了两种多电平电路结构的优势。
    图1的拓扑结构可以概括为多相永磁同步发电机+移相变压器+12脉波整流器+三相二极管箝位级联逆变器，其中功率单元的结构为移相变压器+12脉波整流器+二极管箝位五电平H桥逆变器。采用这样的电路结构方便进行模块化设计，能够在常用功率器件电压等级的基础上，进一步提高系统的功率等级和电压等级，随着多相永磁同步发电机应用的不断增加，可以方便地提供多路独立直流电源，电压等级的提高使输出不用接变压器即可并入更高一级的电网成为可能。
    使用移相变压器和12脉波整流器构成变流器的输入环节，实现简单，可靠性高，能够在发电机侧获得接近正弦波的电流波形，提高电机侧的功率因数，有效降低电机的损耗；二极管箝位五电平H桥单元构成的功率单元，能够和常规H桥一样方便地进行级联，二极管箝位电路中点与12脉波整流器中点连接，能够有效保持每个功率单元中点电位的平衡，从而降低了控制的难度。输出电压电平数的增加，可以大大降低输出THD和dv／dt，使逆变器功率器件的开关频率进一步降低，从而减小开关损耗，提高系统效率，同时减小输出滤波电感的体积和重量，降低滤波器的成本。