一種新型的無變壓器級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)?/h1>

2011-07-25 07:05:56鄭澤東李永東

電工技術(shù)學(xué)報(bào)訂閱 2011年8期 收藏

關(guān)鍵詞：上橋鉗位橋臂

王 奎 鄭澤東 李永東

（清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

1 引言

在高壓大容量變頻調(diào)速領(lǐng)域，多電平變換器由于在提高電壓等級和減小輸出諧波上的巨大優(yōu)勢，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。雖然各種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層出不窮，但目前在工業(yè)上應(yīng)用最多的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是二極管鉗位式和 H橋級聯(lián)式結(jié)構(gòu)[1-2]。二極管鉗位式三電平結(jié)構(gòu)在中壓變頻調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但受限于器件耐壓等級，輸出電壓不能進(jìn)一步提高。若采用更高電平的話，則存在電容電壓難以平衡的問題。雖然采用背靠背結(jié)構(gòu)或者增加外部均壓電路能夠控制電容電壓的平衡[3-5]，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉗位二極管數(shù)量也急劇增加。在高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域，H橋級聯(lián)式結(jié)構(gòu)占有絕對的優(yōu)勢，不僅可以采用大量低電壓等級的器件實(shí)現(xiàn)高壓的輸出，而且具有結(jié)構(gòu)模塊化強(qiáng)、使用器件最少、可靠性高、輸入功率因數(shù)高、輸出不需使用濾波器等優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是需要使用移相隔離變壓器，而且電平數(shù)越多，需要的變壓器二次繞組也越多。而多繞組移相變壓器體積大，制造困難，成本也很高。

為解決移相變壓器帶來的H橋級聯(lián)變換器的缺點(diǎn)，本文提出了一種新型的無變壓器級聯(lián)多電平變換器拓?fù)?，它秉承了H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊化的優(yōu)點(diǎn)，通過功率單元級聯(lián)可以很容易地實(shí)現(xiàn)更高電平。最重要的是它的所有電容處于懸浮狀態(tài)，可采用單一直流電源供電而不需要移相變壓器，采用背靠背結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，這也是傳統(tǒng)H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)難以做到的。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可用于高壓直流輸電系統(tǒng)，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)稍有不同[6-8]。

2 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[4]中彭方正教授提出了一種多電平逆變器的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如二極管鉗位式，電容鉗位式等）都能夠從中派生而來，這給新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究提供了一條重要的思路。遵循一定的規(guī)律和原則對通用拓?fù)溥M(jìn)行簡化可以得到許多新的拓?fù)鋄5,9]。文獻(xiàn)[10]中也介紹了一種基于基本單元串-并（并-串）思想生成多電平變換器拓?fù)涞姆椒ǎF(xiàn)有的多電平拓?fù)浒ㄍㄓ猛負(fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以通過基本單元先并后串或者先串后并的方法得到。本文提出的新型級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)湔怯赏ㄓ猛負(fù)浣Y(jié)構(gòu)派生而來。如圖1所示，圖1a為五電平通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只保留最外側(cè)的基本單元（圖中陰影部分）便可得到圖1b所示新拓?fù)湟唬撏負(fù)浯嬖谝恍﹩栴}：第2級的兩個(gè)基本單元由于電容直接串聯(lián)并且內(nèi)側(cè)兩個(gè)開關(guān)管和第 1級的電容并聯(lián)，因此輸出不獨(dú)立，內(nèi)側(cè)兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通。如果將第2級的兩個(gè)單元拆分，使其互相獨(dú)立，可選擇的開關(guān)狀態(tài)更多，由此得到圖1c所示新拓?fù)涠D1b的第一級和第二級還可以直接簡化成二極管鉗位型或電容鉗位型三電平結(jié)構(gòu)，如圖 1d和圖1e所示。從另外一個(gè)角度看，圖 1d和圖 1e相當(dāng)于將圖1c的中間基本單元由兩電平結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成三電平結(jié)構(gòu)，這樣在輸出同樣電平數(shù)的情況下使用元件更少。本文主要對新拓?fù)涠归_研究，結(jié)果具有一定的通用性。其M電平橋臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 通用多電平拓?fù)浼捌溲莼疐ig.1 Generalized multilevel inverter topology and derived topologies

圖2 新拓?fù)銶電平橋臂結(jié)構(gòu)Fig.2 M-level phase leg of the novel topology

由圖 2可以看出，M電平新拓?fù)涿肯鄻虮塾?M-3個(gè)基本單元級聯(lián)組成，可分成上橋臂、中間單元和下橋臂三個(gè)部分。上下橋臂分別由M-2個(gè)基本單元級聯(lián)組成，每增加一個(gè)電平，只需上下橋臂各增加一個(gè)基本單元即可，結(jié)構(gòu)簡單，模塊性強(qiáng)。

在通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，鉗位器件為開關(guān)管和電容，其中每相橋臂最外側(cè)開關(guān)管為主管，用來產(chǎn)生需要的電平，內(nèi)側(cè)開關(guān)管為鉗位開關(guān)管，和鉗位電容一起將每個(gè)器件電壓鉗位在一個(gè)電容電壓的水平[4]。新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在通用拓?fù)浠A(chǔ)上作了簡化，但也保留了一定的鉗位開關(guān)管和鉗位電容，其中最外側(cè)的開關(guān)管為主管，內(nèi)側(cè)的開關(guān)管為鉗位開關(guān)管，所有電容均為鉗位電容。按照所需器件類型的不同，將新拓?fù)浞謩e與二極管鉗位型、電容鉗位型、H橋級聯(lián)型以及通用拓?fù)渥鲆粋€(gè)比較，每相橋臂所需的器件數(shù)量見下表。

表 多電平結(jié)構(gòu)每相所需器件數(shù)目比較（電平數(shù)為M）Tab. Devices required in different topologies (M-level)

由表1可以看出，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用的主開關(guān)管數(shù)量相同，只是鉗位器件種類、數(shù)量不同。二極管鉗位、電容鉗位以及通用多電平拓?fù)涫褂玫你Q位器件（二極管、電容或開關(guān)管）都隨著電平數(shù)M呈二次方快速增長，結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，不適合更高電平的需求。H橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)雖然使用的器件最少，但需要特殊制造多繞組移相隔離變壓器，當(dāng)電平數(shù)增多時(shí)變壓器二次繞組也增多，不僅制造困難，而且也增加了系統(tǒng)的體積和成本。新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)使用了鉗位開關(guān)管以及鉗位電容，但數(shù)量和M成正比，而且結(jié)構(gòu)模塊化，易于擴(kuò)展，增加一個(gè)電平只需增加兩個(gè)基本單元級聯(lián)即可，既保留了H橋級聯(lián)多電平變換器固有的優(yōu)勢，而且還省去了移相變壓器，因此非常適合于電平數(shù)極多的場合。

新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的三相逆變器結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。

圖3 新拓?fù)淙嗄孀兤鹘Y(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of the 3-phase inverter of the new topology

3 開關(guān)函數(shù)模型

在圖2所示M電平結(jié)構(gòu)中，設(shè)所有基本單元的電容電壓相同均為VC，直流母線電壓為udc。定義每個(gè)基本單元的開關(guān)函數(shù)為

為保證在每個(gè)開關(guān)時(shí)刻橋臂內(nèi)部串聯(lián)電容電壓與母線電壓相等，須滿足

式中，upp1，up1n1，un1n分別為上橋臂、中間單元和下橋臂兩端電壓。

對于上橋臂的基本單元，開關(guān)函數(shù)為1時(shí)電容旁路；對于下橋臂的基本單元，開關(guān)函數(shù)為1時(shí)電容接入。因此有

可以得到

式中，sUi，sLi分別為上、下橋臂基本單元開關(guān)函數(shù)。

由式（3）可以看出，在任意時(shí)刻上橋臂開關(guān)函數(shù)之和與下橋臂開關(guān)函數(shù)之和相等，即上橋臂開關(guān)狀態(tài)為1的基本單元數(shù)與下橋臂開關(guān)狀態(tài)為1的基本單元數(shù)相等。

對于輸出任意電平VO= nVC(n=0, 1,…,M-1)，滿足

由此可以得到

式中，sM為中間單元開關(guān)函數(shù)。

由式（6）可看出，對于任意電平輸出，只需滿足上橋臂或下橋臂開關(guān)函數(shù)與中間單元開關(guān)函數(shù)之和等于要輸出的電平即可。

4 冗余開關(guān)狀態(tài)以及電容電壓平衡控制

基于以上兩條原則，以圖1c所示五電平新拓?fù)湟幌鄻虮蹫槔?，討論輸出不同電平時(shí)可選的開關(guān)狀態(tài)。由于上下橋臂所有基本單元都是獨(dú)立的，相互之間輸出電平互不影響，因此輸出同一電平時(shí)有大量冗余開關(guān)狀態(tài)可供選擇。

（2）當(dāng)VO=VC時(shí)，分為中間單元開關(guān)狀態(tài)為0或1兩種狀態(tài)。

因此一共有10種開關(guān)狀態(tài)。

（3）當(dāng)VO= 2VC時(shí)，分為中間單元開關(guān)狀態(tài)為0或1兩種狀態(tài)。

因此這種情況下一共有18種開關(guān)狀態(tài)。

（4）當(dāng)Vo= 3VC時(shí)，分為中間單元開關(guān)狀態(tài)為0或1兩種狀態(tài)。

因此一共有10種開關(guān)狀態(tài)。

由于冗余開關(guān)狀態(tài)多，采用空間矢量 PWM調(diào)制時(shí)空間矢量的選取就比較復(fù)雜[6]。采用載波層疊PWM 調(diào)制策略時(shí)，電容電壓平衡可以通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴▽?shí)現(xiàn)。首先檢測各個(gè)單元電容電壓和橋臂電流大小，當(dāng)電流方向?yàn)闃虮哿飨蜇?fù)載時(shí)，中間單元電容在sM= 1時(shí)放電，sM= 0時(shí)充電；上橋臂單元電容在sUi= 1時(shí)旁路，在sUi= 0時(shí)充電；下橋臂單元電容在sLi= 0時(shí)旁路，在sLi= 1時(shí)放電。當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)載流向橋臂時(shí)情況則正好相反。

以輸出電壓VO= 2VC以及電流方向?yàn)闃虮哿飨蜇?fù)載為例，若中間單元電壓高于給定值，則控制sM=1使其放電，同時(shí)控制上橋臂電壓最低和下橋臂電壓最高的單元輸出為 1。若中間單元電壓低于給定值，則控制sM= 0使其充電，同時(shí)控制上橋臂電壓最低的兩個(gè)單元和下橋臂電壓最高的兩個(gè)單元輸出為 1。這樣，在每個(gè)開關(guān)時(shí)刻都能保證電壓最高的電容放電和電壓最低的電容充電，實(shí)現(xiàn)電容電壓的動(dòng)態(tài)平衡。

5 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法的正確性，在仿真軟件包 Matlab/Simulink平臺上搭建了新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的五電平模型并進(jìn)行了仿真。所采用的參數(shù)為：電容容量C=1100μF，母線電壓udc= 2000V，電容電壓VC=500V，負(fù)載電流有效值Irms=20A。

圖 4a為一相橋臂 7個(gè)懸浮電容電壓波形，圖4b為橋臂輸出相電壓波形，可以看出各個(gè)懸浮電容電壓保持穩(wěn)定且基本重合，輸出相電壓波形為五電平。圖4c為三相電流波形。

圖4 懸浮電容電壓與相電壓、電流仿真波形Fig.4 Simulation results

硬件實(shí)驗(yàn)平臺以 TI公司最新推出的電機(jī)控制專用浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335為控制器核心，功率器件采用IGBT。母線電壓設(shè)置為100V，懸浮電容電壓為25V。懸浮電容電壓和橋臂輸出相電壓、相電流如圖5a和圖5b所示。受示波器通道數(shù)限制，圖 5a中只給出了上下橋臂各一個(gè)基本單元電壓和中間單元電壓，平均值分別為 26.6V、25.0V和24.6V，其余懸浮電容電壓用電壓表監(jiān)測也完全正常，都控制在25V左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，懸浮電容電壓基本實(shí)現(xiàn)了平衡控制。

圖5 懸浮電容電壓與橋臂相電壓、相電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental results

6 結(jié)論

本文提出的無變壓器級聯(lián)型多電平新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅省去了傳統(tǒng)H橋級聯(lián)逆變器中的移相變壓器，減小了系統(tǒng)的體積和成本，而且還具有模塊性強(qiáng)，使用器件少，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本文研究了其工作原理以及開關(guān)狀態(tài)確定方法，提出通過檢測電容電壓和電流方向選擇合適的冗余開關(guān)狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)懸浮電容電壓平衡控制。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合于高壓大容量多電平變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

[1] Rodriguez J, Jih Sheng L, Peng Fangzheng.Multilevel inverters: a survey of topologies, controls,and applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(4): 724-738.

[2] Bernet S. Recent developments of high power converters for industry and traction applications [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, 15(6):1102-1117.

[3] Tolbert L M, Peng Fangzheng. Multilevel converters for large electric drives[C]. 13th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998, 2: 530-536.

[4] Peng Fangzheng. A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(2):611-618.

[5] 李永東, 肖曦, 高躍. 大容量多電平變換器——原理·控制·應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[6] Lesnicar A, Marquardt R. A new modular voltage source inverter topology [C]. 10th European Conference on Power Electronics and Applications,2003.

[7] Marquardt R, Lesnicar A. New concept for high voltage–modular multilevel converter[C]. 35th Annual Power Electronics Specialists Conference.

[8] Allebrod S, Hamerski R, Marquardt R. New transformerless, scalable modular multilevel converters for HVDC-transmission[C]. 39th Annual Power Electronics Specialists Conference, 2008: 174-179.

[9] Wang Chenchen, Li Yongdong. A survey on topologies of multilevel converters and study of two novel topologies [C]. 6th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2009:860-865.

[10] 陳阿蓮, 何湘寧, 吳洪洋, 等. 基于基本單元串-并(并-串) 思想生成多電平變換器拓?fù)涞姆椒╗J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 19(2): 41-46.Chen Alian, He Xiangning, Wu Hongyang, et al.Multilevel converter topologies based on seriesparallel and parallel-series connections of basic cells[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(2): 41-46.

猜你喜歡

上橋鉗位橋臂

靈武長棗

農(nóng)家書屋(2024年5期)2024-07-09 02:49:00

一種基于ghg 坐標(biāo)系的三電平四橋臂逆變器簡化空間矢量脈寬調(diào)制方法

電工技術(shù)學(xué)報(bào)(2023年16期)2023-08-30 02:44:26

鴨子上橋

地理教育·當(dāng)代幼教(2019年11期)2019-09-10 07:22:44

三角高程上橋在梅汕客專中的應(yīng)用研究

山東工業(yè)技術(shù)(2019年22期)2019-08-26 01:20:29

橋臂梗死的臨床分析

中國實(shí)用神經(jīng)疾病雜志(2018年9期)2018-05-25 01:01:08

二極管鉗位型三電平APF電流環(huán)的分析和設(shè)計(jì)

電測與儀表(2016年20期)2016-04-11 11:39:46

IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路的研究與仿真

通信電源技術(shù)(2016年4期)2016-04-04 02:57:10

基于MMC的鐵路功率調(diào)節(jié)器方案對比

電氣傳動(dòng)(2015年4期)2015-07-11 06:10:56

有源鉗位反激式光伏并網(wǎng)微逆變器的效率分析

電測與儀表(2015年2期)2015-04-09 11:29:02

橋臂梗死18例臨床及影像特征分析

中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)(2015年20期)2015-01-11 03:01:27

電工技術(shù)學(xué)報(bào)2011年8期

電工技術(shù)學(xué)報(bào)的其它文章

車用新型AC-DC矩陣式變換器

基于電磁斥力原理的高速觸頭機(jī)構(gòu)仿真分析與設(shè)計(jì)

基于LCL濾波的大功率三相電壓型PWM整流器

光伏高效軟開關(guān)DC-DC變換器的數(shù)字化控制與實(shí)現(xiàn)

IGBT電壓擊穿特性分析

小型直流電磁繼電器溫度場仿真分析