导言
为满意风力发电对高压、大功率和高品质变流器的需求，多电平变流器拓扑得到了广泛重视。变流器选用多电平办法后，可以在惯例功率器材耐压根底上，完成高电压等级，取得更多级（台阶）的输出电压，使波形更挨近正弦，谐波含量少，电压改变率小，并取得更大的输出容量。多电平变流器详细电路拓扑可分为5类：二极管箝位型、双向开关互联型、飞跨电容型、两电平变流器组合型、单相H桥级联型等。其间单相级联H桥型和二极管中点箝位型多电平拓扑结构简略，操控灵敏，近年来在大功率变频调速、无功补偿、大功率稳压电源等方面均有较多的运用；在PWM操控办法中，研讨较多的是特定谐波消除PWM调制、多载波SPWM调制、载波相移SPWM调制和空间矢量调制等。
尽管级联H桥型多电平拓扑和二极管中点箝位三电平拓扑的运用现已比较老练，可是当需求的电平数进一步添加时，前者需求更多的独立直流电源，后者则需求更多的箝位器材并存在电容电压平衡的问题，所以，现在二极管箝位多电平以三电平缓五电平为主。因而，将级联H桥和二极管箝位三电平拓扑相结合，则可以运用两者的优势，针对这种结构有不同的操控办法，如消谐波SPWM操控、SVPWM操控等。
本文针对二极管箝位五电平级联H桥拓扑，提出了一种消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的操控办法，经过选用不同相位的三角载波，使二极管箝位五电平H桥可以便利地发生多电平输出，一起使五电平功率单元可以便利地级联在一起。对这种拓扑在永磁直驱风电体系中的运用进行了开始探究，选用18相永磁同步发电机+移相变压器+12脉波整流器+二极管箝位五电平级联H桥，可以进一步进步输出电压和功率等级，为风力发电输出不必升压变压器即可直接并入中压电网供给了进一步的或许性。
1 、拓扑结构剖析
图1是本文选用的二极管箝位五电平级联H桥拓扑在直驱型变速恒频风电体系中的运用原理图，其间图1（a）为体系结构简图，图1（b）为二极管箝位五电平H桥功率单元原理图。图1（a）中风电机组拖动多相永磁同步发电机，永磁同步发电机为18相电机，共有6组输出绕组，每组绕组间相位差20°，每组绕组别离进入二极管箝位功率单元，共有6个功率单元构成三相逆变器，每2个功率单元进行级联构成一相输出，三相输出经过滤波电感并入电网。图1（b）中，输入为永磁同步发电机的一组三相绕组，经过三绕组移相变压器，移相变压器为DDY结构，匝比为1:1：根号3，副边两路输出的相位差30°，由12脉波二极管整流器整流得到独立的直流电源，其间直流侧电容由两个电解电容串联构成，电容的中点作为二极管箝位功率电路的中点，而且和两个6脉波二极管整流器的中点衔接，直流电经过二极管箝位五电平H桥进行逆变，输出单相交流电。由功率单元1、2、3别离和4、5、6级联构成三相输出。
图1的电路结构是二极管箝位三电平缓H桥电路的结合。为取得单相九电平输出，二极管箝位型多电平变换器每相需求16个功率器材、56个箝位二极管，三相只需求一个直流电源，可是箝位二极管数量较多，对其耐压要求较高，进步了体系本钱，并存在电容电压平衡问题，这给操控和实践运用带来困难。惯例两电平级联H桥多电平变换器为取得九电平输出需求相同的功率器材，不需求箝位器材，可是三相共需求12路独立直流电源，需求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桥完成单相九电平输出，需求的功率器材相同，每相只需求8个箝位二极管，三相共需求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，然后归纳了两种多电平电路结构的优势。
图1的拓扑结构可以归纳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，其间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。选用这样的电路结构便利进行模块化规划，可以在常用功率器材电压等级的根底上，进一步进步体系的功率等级和电压等级，跟着多相永磁同步发电机运用的不断添加，可以便利地供给多路独立直流电源，电压等级的进步使输出不必接变压器即可并入更高一级的电网成为或许。
运用移相变压器和12脉波整流器构成变流器的输入环节，完成简略，可靠性高，可以在发电机侧取得挨近正弦波的电流波形，进步电机侧的功率因数，有用下降电机的损耗；二极管箝位五电平H桥单元构成的功率单元，可以和惯例H桥相同便利地进行级联，二极管箝位电路中点与12脉波整流器中点衔接，可以有用坚持每个功率单元中点电位的平衡，然后下降了操控的难度。输出电压电平数的添加，可以大大下降输出THD和dv／dt，使逆变器功率器材的开关频率进一步下降，然后减小开关损耗，进步体系功率，一起减小输出滤波电感的体积和分量，下降滤波器的本钱。
2、 操控原理
消谐波SPWM可以直接用于二极管箝位型、电容箝位型多电平电路，也适用于其他类型的多电平结构，载波相移SPWM一般用在级联H桥型、电容箝位型多电平电路。本文针对图1的拓扑结构，选用消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的调制办法，可以较好地运用在二极管箝位五电平级联H桥电路中。
图2是所选用的载波调制原理图，其间图2（a）是a相二极管箝位功率单元级联结构图，图2（b）是载波调制办法原理图，以a相为例进行阐明。图2（a）中，二极管箝位五电平H桥功率单元1和单元4级联构成a相输出，假定图2（a）中功率单元1的两个三电平桥臂自左而右别离为桥臂1和桥臂2，功率单元4的两个三电平桥臂自左而右别离为桥臂3和桥臂4，对应图2（b）中，载波uc1、uc2和uc3、uc4别离为桥臂1和桥臂2运用的载波，载波uc5、uc6和uc7、uc8别离为桥臂3和桥臂4运用的载波，ua为a相正弦参阅波。载波uc1、ucz和uc3、uc4，uc5、uc6和uc7、uc8为幅值、相位彻底相同但方位不同的三角载波，对应功率单元中的每个桥臂，选用的是消谐波SPWM办法，桥臂1、2、3、4之间是载波相移SPWM办法，假定桥臂1的载波相位为0°，则桥臂2的载波相位为180°，桥臂3的载波相位为90°，桥臂4的载波相位为270°，因而图2所示的载波调制办法是消谐波SPWM和载波相移SPWM的结合。以功率单元1为例阐明，桥臂1的4个功率器材，S1和S3的驱动互补，S2和S4的驱动互补，ua与载波uc1进行比较作为S1的驱动信号，当ua》uc1时驱动为正，否则为负，相同ua与uc2比较作为S2的驱动信号；桥臂2的4个功率器材，S5和S7的驱动互补，S6和S8的驱动互补，ua与载波uc3进行比较作为S8的驱动信号，当ua》uc3时驱动为正，否则为负，相同ua与uc4比较作为S7的驱动信号。相同道理可以得到功率单元4的驱动波形。别离以三相正弦波作为调制波，即可得到三相二极管级联逆变器一切功率器材的驱动波形。
选用图2所示的载波调制办法，可以结合消谐波SPWM和载波相移SPWM两种办法的优势，前者输出谐波特性较好，后者简略坚持各桥臂间的功率平衡。一起选用这种办法能使逆变器在输出九电平的情况下等效载波频率加倍，可以下降器材的开关频率，减小开关损耗，进步逆变器功率，下降输出滤波器的体积和分量。
3、 仿真成果
依据以上拓扑结构和操控原理，运用仿真软件PSIM6．0搭建了体系模型。仿真参数如下：每一支路的直流侧电压为±400V，直流侧电容为3400μF（6800μF两串），功率器材为IGBT和二极管，为简化仿真，输出选用LC滤波+星接阻性负载，L=3mH，C=50μF，R=50Ω；输出电压频率为50Hz，开关频率为3kHz。
以下首要给出三相二极管箝位五电平级联H桥逆变器的仿真波形。图3所示是一相的相电压仿真波形及其FFT剖析，从图3（a）可以看出，输出相电压波形为9电平，最高渠道电压为1．6kV，图3（b）为对应的FFT剖析，可见谐波首要会集在开关频率的4n（n=1，2，3…）倍频率处，也即12kHz的整数倍频率邻近，可见选用这种操控办法，使逆变器的等效开关频率进步为本来的4倍。
图4为线电压的仿真波形及其FFT剖析，因为相电压波形为9电平，因而理论上线电压波形可以得到17电平输出，这一点在图4（a）中得到了证明，对线电压进行FFT剖析，见图4（b），谐波相同会集在12kHz的整数倍频率邻近。
图5是a相电流的仿真波形及其FFT剖析。从图5（a）中可以看到，输出电流波形十分挨近正弦波，图5（b）显现谐波含量十分小。
4、 试验成果
依据体系原理和仿真成果构建了试验体系。
试验参数如下：移相变压器变比为1:1：根号3，直流侧电容为两个6800μF电解电容串联，逆变器功率模块选用三菱公司IPM模块，操控器选用TMS320F2407+FPGA，负载参数与仿真相同，L=3mH，C=50μF，R=50Ω；输出电压频率为50Hz，开关频率为3kHz。因为受试验条件约束，试验中直流侧电压相对较低，将在随后的研讨中进一步进步电压等级。
以下是部分试验成果。图6是输入侧电压电流和直流侧电压波形，其间uia（Ch1）和iia（Ch3）别离是移相变压器输入侧a相电压和电流波形，udc是直流侧电压（Ch2）波形。从图中可以看到，电流波形挨近正弦波，和输入电压的相位根本共同，可见经过移相变压器和12脉波整流器，可以显着改进输入侧的电流波形质量，进步输入功率因数，下降发电机的谐波损耗，经过12脉波整流器得到的直流侧电压较为平稳，可以满意逆变器的需求。
图7是a相输出电压和电流波形，其间uoam是相电压波形（Ch1），ioa是电流波形（Ch2）。从图中可以看到，输出相电压波形为9电平，电流波形经过电感滤波后，波形质量也比较高，对应的谐波成份也比较少。
5、 结语
本文选用的二极管箝位五电平H桥级联拓扑，结合了两种多电平拓扑的优势，使输出电压在惯例二极管箝位三电平电路的根底上有了较大进步，相对于常用的单相级联H桥结构，需求较少的独立直流源，结合12脉波整流电路，对其在直接驱动型风电体系中的运用进行了开始探究，而多相永磁同步发电机现在的运用也逐步增多，可以供给所需的多路独立直流电源。选用消谐波
SPWM和载波相移SPWM相结合的载波调制办法，经过多路相位不同的三角载波与调制波比较，发生功率器材需求的驱动脉冲，操控简略，完成便利，根据DSP+FPGA的脉冲发生电路，使多路驱动的发生变得简略。仿真和试验成果表明，把消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的操控办法运用于二极管箝位五电平级联H桥拓扑中，可以进一步进步输出功率和电压等级，进步等效载波频率，下降器材的开关损耗和输出滤波器的体积，为直驱风电体系在输出没有变压器的情况下直接并入中压电网供给了或许。
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