非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型多電平逆變器調(diào)制方法研究

王鵬帥 韓如成

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

級(jí)聯(lián)型多電平逆變器基于低壓小容量逆變器級(jí)聯(lián)的組合方式，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)，較適合七電平或九電平以上的多電平逆變器應(yīng)用場(chǎng)合，具有易實(shí)現(xiàn)模塊化、易于擴(kuò)展和調(diào)制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。所以近幾年級(jí)聯(lián)型多電平逆變器在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、大功率有源電力濾波等場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

傳統(tǒng)的 2H橋級(jí)聯(lián)型多電平逆變器，各單元直流電源電壓相等，各級(jí)聯(lián)單元采用相同的開關(guān)器件，在級(jí)聯(lián)的基本單元數(shù)目為N的情況下，其輸出的最大電平數(shù)為（2N-1），并且需要N個(gè)獨(dú)立的直流源。需要數(shù)目眾多的獨(dú)立直流源在一定程度上限制了級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的應(yīng)用范圍[4]。另一方面，當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目為N時(shí)，需要的開關(guān)器件數(shù)目為4N，數(shù)目眾多的開關(guān)器件致使調(diào)制電路非常的龐大和復(fù)雜，所以如何簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成為多電平逆變器領(lǐng)域一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。最近各國(guó)學(xué)者提出了幾種新型級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)鋄5-7]。

本文在新型拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)之上，提出一種非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)潆娐罚撏負(fù)潆娐方Y(jié)合混合型拓?fù)潆娐芬约胺菍?duì)稱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮了不同類型開關(guān)器件的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，減少了開關(guān)器件的使用從而簡(jiǎn)化了調(diào)制電路。不同的拓?fù)潆娐分挥写钆渑c之相適應(yīng)的調(diào)制方法才能充分體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于對(duì)稱型的拓?fù)潆娐氛{(diào)制方法研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，如多載波正弦脈寬調(diào)制法、相移SPWM法、諧波消除法等，而非對(duì)稱型的拓?fù)潆娐氛{(diào)制方法的研究相對(duì)較少。但是不對(duì)稱的現(xiàn)象在很多場(chǎng)合都存在，比如：光伏并網(wǎng)重要環(huán)節(jié)的級(jí)聯(lián)式逆變器由于光伏電池的 V-I特性不同、接收光強(qiáng)的差異以及經(jīng)過按MPPT算法后的DC/DC輸出等都會(huì)造成逆變器的直流源電壓等級(jí)的不同，即所謂的非對(duì)稱[8]。

由于存在上述問題，本文在一種新型非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)之上，提出一種與之相適應(yīng)的調(diào)制方法。該方法兼具階梯波和正弦脈寬調(diào)制[9]的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了新型拓?fù)潆娐返膬?yōu)勢(shì)。文章最后對(duì)提出的方法進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了該方法的正確性與有效性。

1 非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)多電平逆變器的拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

文獻(xiàn)[7]提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)直流源V1=V2=…=Vn，并且開關(guān)器件均采用如圖所示的IGBT時(shí)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即為對(duì)稱型多電平逆變器。當(dāng)V1≠V2≠…≠Vn，且各單元采用不同類型的開關(guān)器件時(shí)，該拓?fù)潆娐肪头Q為非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其工作原理和各開關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓，見表1。

表1中輸出電壓為H橋部分開關(guān)器件t1和t2導(dǎo)通時(shí)的輸出，合理控制H橋部分的開關(guān)器件的通斷，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的反向電壓輸出。

圖1 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 基本單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出電壓Vo及其對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)

如果令第一個(gè)直流電壓源v1為基準(zhǔn)電壓，且

那么，這種級(jí)聯(lián)型逆變器就稱為對(duì)稱多電平逆變器，其最大輸出電壓可表示為

式中，n為H橋的個(gè)數(shù)，而其最多有效地輸出電平數(shù)為

不對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在不增加H橋數(shù)目的基礎(chǔ)上，增加輸出電壓的電平數(shù)。在文獻(xiàn)[7]中提出了一種不對(duì)稱多電平逆變器的電壓選取方案，其最大輸出電壓和電平數(shù)可由下式表示：

當(dāng)vj= 2j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

對(duì)應(yīng)的最大打壓等級(jí)：

當(dāng)vj= 2j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

當(dāng)vj= 3j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

其對(duì)應(yīng)的最大電壓等級(jí)：

當(dāng)vj= 3j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

當(dāng)圖 1中的電路結(jié)構(gòu)采用非對(duì)稱式的電路結(jié)構(gòu)，并且開關(guān)器件采用不同類型的開關(guān)器時(shí)，該級(jí)聯(lián)型逆變器電路結(jié)構(gòu)就稱為非對(duì)稱混合型多電平逆變器。

2 調(diào)制方法的研究

本部分通過二單元級(jí)聯(lián)與三單元級(jí)聯(lián)的拓?fù)潆娐穪?lái)進(jìn)行對(duì)上文中提出的非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)多電平逆變器的調(diào)制方法進(jìn)行研究。

2.1 兩單元級(jí)聯(lián)

對(duì)于圖2中的兩單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一單元的開關(guān)器件采用GTO，第二個(gè)單元?jiǎng)t采用IGBT，由于GTO具有更高的耐壓值，而IGBT則具有更高的開關(guān)頻率，所以第一個(gè)單元采用消諧波 PWM而第二單元采用SPWM，不同于傳統(tǒng)SPWM的地方是其調(diào)制波為正弦調(diào)制波us與第一單元的輸出電壓的波形之差，即

圖2 二單元級(jí)聯(lián)電路

其調(diào)制和輸出波形在0～π區(qū)間內(nèi)的如圖3所示。

對(duì)第一單元的輸出電壓波形進(jìn)行傅里葉分析可得

在n=5時(shí)，令cos（5θ1）=0，可以得到開關(guān)切換角θ1=π/10。

2.2 三單元級(jí)聯(lián)

對(duì)于圖4中的三單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一單元和二單元均采用耐壓值較高的開關(guān)器件，如GTO，而第三單元?jiǎng)t采用開關(guān)頻率較高的器件，如IGBT。

其調(diào)制方法為：第一單元采用固定觸發(fā)角驅(qū)動(dòng)，以消除5次諧波，第二單元采用給定的觸發(fā)角驅(qū)動(dòng)法，而第三單元采用高頻載波的SPWM控制法用來(lái)改善波形消除諧波。需要指出的是第三單元的調(diào)制波是正弦波us與一二單元的輸出電壓瞬時(shí)值波形之差的電壓波形 us=（up1+up2）。各個(gè)單元的輸出電壓up1、up2、up3的串聯(lián)疊加，就可以合成圖中所示的輸出電壓uo的波形。

圖4 三單元級(jí)聯(lián)電路

圖5 調(diào)制和輸出波形

圖5（c）中所示的輸出電壓波形的傅里葉級(jí)數(shù)展開為

式中，n為一二單元輸出電壓所含有的諧波次數(shù)，理想情況下，給定的基波電壓V1，可以通過計(jì)算得出開關(guān)角θ1θ2θ3使高次諧波全部為零。這時(shí)V(wt)=V1sin(wt)。對(duì)于三相的多電平逆變器，每相中的三次諧波可以在線電壓中自動(dòng)消除。本文要實(shí)現(xiàn)的目的是計(jì)算出基波電壓，并且消除5次和7次諧波。要解決的問題就是下面的式子：

3 仿真結(jié)果

在仿真軟件包Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了二單元和三單元非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的模型，對(duì)本文中提出的調(diào)制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文中提出的調(diào)制方法的正確性。

3.1 二單元級(jí)聯(lián)仿真

仿真參數(shù)：V1=3500V, V2=1500V，負(fù)載R=10Ω,L=0.01H，載波比：fc/fr=50，調(diào)制度 M=0.85，開關(guān)切換角：θ1=π/10。設(shè)置仿真時(shí)間為 0.04s，仿真結(jié)果如下。

仿真結(jié)果分析：從仿真結(jié)果可以看出，多電平逆變器的電壓輸出等級(jí)得到提高，同時(shí)5次諧波得到了很好的抑制。但是電壓波形受到影響，具有較多的高次諧波，不過諧波問題可以在增加級(jí)聯(lián)數(shù)目的條件下得到很好地解決。

圖6 二單元級(jí)聯(lián)仿真

這是一個(gè)有三個(gè)未知數(shù)的超越方程組?？梢杂泻芏喾N方法來(lái)得到這三個(gè)開關(guān)角，本文采用在Matlab中編寫m文件來(lái)計(jì)算得到。本文中定義調(diào)制比

3.2 三單元級(jí)聯(lián)仿真

仿真參數(shù)：V1=4000V, V2=2000V, V3=1000V，負(fù)載R=10Ω，L=0.01H，載波比：fc/fr=50。

設(shè)置調(diào)制度m=1.5，計(jì)算超越方程組：

文獻(xiàn)[4]中關(guān)于超越方程組的分析，設(shè)置初始切換角度：θ1=40°, θ2=56°, θ3=80°，在 Matlab 中編寫 m文件，經(jīng)過迭代計(jì)算可得：θ1=39.76°,θ2=55.99°, θ3=81.78°。設(shè)置仿真時(shí)間為 0.04s，仿真結(jié)果如圖7所示，從輸出波形頻譜圖7（b）中可以看出5次和7次諧波得到了很好的抑制。

圖7 三單元級(jí)聯(lián)仿真

仿真結(jié)果分析：從3單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可以看出，較2單元聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸出電壓的波形得到改善，減少了高次諧波的產(chǎn)生。同時(shí)可以看出，開關(guān)切換角的確定方法正確，5次和 7次諧波得到了很好的抑制，含量極少。

4 結(jié)論

本文在新型級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的基礎(chǔ)之上，研究了非對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)情況下該新型拓?fù)涞恼{(diào)制方法。提出了階梯波和正弦脈寬調(diào)制相結(jié)合作用于該新型拓?fù)潆娐返乃悸罚摲椒ǔ浞职l(fā)揮了不同開關(guān)器件的優(yōu)勢(shì)，對(duì)非對(duì)稱的情況尤其適用，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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