調(diào)制方式和載波移相角度對H橋級聯(lián)型變流器輸出性能的研究

盧文立

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州 516003）

調(diào)制方式和載波移相角度對H橋級聯(lián)型變流器輸出性能的研究

盧文立

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州 516003）

H橋級聯(lián)型變流器具有結(jié)構(gòu)單元簡單、易于模塊化等特點(diǎn)，在中高壓場合中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對H橋級聯(lián)型變流器調(diào)制策略進(jìn)行了研究，定量分析了子模塊采用不同的調(diào)制方式，載波移相角度不同的變流器輸出，并通過仿真驗(yàn)證了定量分析的正確性。

H橋級聯(lián)型變流器 調(diào)制方式 載波移相角度

在電力電子器件耐壓水平未有實(shí)質(zhì)性突破的情況下，學(xué)者們通過研究變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其能夠應(yīng)用于中高壓場合。目前應(yīng)用于中高壓場合的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有:二極管箝位型多電平變流器，電容箝位型多電平變流器，H橋級聯(lián)型變流器。相對于其他兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，H橋級聯(lián)型變流器采用H橋結(jié)構(gòu)，易于模塊化，適合拓展，控制方法相對簡單，直流側(cè)相互獨(dú)立，支持冗余操作，當(dāng)某個(gè)功率單元故障，可將其旁路，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，在無功補(bǔ)償和諧波抑制領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。而其中變流器的調(diào)制策略對系統(tǒng)的輸出性能具有重要的影響，因此對H橋級聯(lián)型變流器調(diào)制策略的研究具有重要的意義。

文獻(xiàn)［1］研究了不同采樣方法下，單極倍頻SPWM調(diào)制的輸出性能。文獻(xiàn)［2］研究了半周期單極倍頻應(yīng)用于鏈?zhǔn)絊TATCOM。文獻(xiàn)［3］研究了載波移相角度對變流器輸出電壓的諧波分析，但是沒有定量的分析輸出性能。文獻(xiàn)［4］研究了H橋逆變器的倍頻調(diào)制。上述文獻(xiàn)集中研究了H橋級聯(lián)型變流器單極倍頻調(diào)制方式下，輸出電壓的諧波分析，但是沒有進(jìn)行定量分析。本文對H橋級聯(lián)型變流器載波移相調(diào)制策略進(jìn)行了分析，對H橋級聯(lián)型變流器的子模塊采用雙極性、單極倍頻調(diào)制，載波移相角度為π/N、2π/N的情況進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，比較了不同調(diào)制下，輸出性能的優(yōu)越，并搭建了仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了定量分析的正確性。

1　H橋級聯(lián)型變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及子模塊調(diào)制方式

圖1中，uSa，uSb，uSc為網(wǎng)側(cè)三相電壓，元Mjk（其中相數(shù)j=a，b，c；子模塊編號k=1，2，…，N），H橋級聯(lián)型變流器交流側(cè)輸出電壓為uout。本文對子模塊采用雙極性調(diào)制和單極倍頻調(diào)制方式，H橋變流器采用載波移相SPWM調(diào)制進(jìn)行研究。

如圖1中子模塊結(jié)構(gòu)圖所示，假設(shè)調(diào)制波為ur，三角載波為uc。當(dāng)采用雙極性調(diào)制時(shí)，uc小于ur時(shí)，S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷；當(dāng)uc大于ur時(shí)，S1和S4關(guān)斷，S2和S3導(dǎo)通。當(dāng)采用單極倍頻調(diào)制時(shí)，uc小于ur時(shí)，開關(guān)S1導(dǎo)通，開關(guān)S2閉合；uc大于ur時(shí)，開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2導(dǎo)通；uc小于-ur時(shí)，開關(guān)S3導(dǎo)通，開關(guān)S4閉合；uc大于-ur時(shí)，開關(guān)S3閉合，開關(guān)S4導(dǎo)通。

2　不同調(diào)制策略下輸出電壓的數(shù)學(xué)分析

2.1雙極性載波移相SPWM調(diào)制

H橋級聯(lián)型變流器子模塊采用雙極性調(diào)制方式，每個(gè)子模塊載波依次錯(cuò)開的2π/N， H橋級聯(lián)變流器的輸出電壓為［5］:

式中M為調(diào)制度，N為子模塊的個(gè)數(shù)，ωr為調(diào)制波的角頻率，Vdc為子模塊直流側(cè)的電壓，F(xiàn)為載波比，Jn（·）為n階貝塞爾函數(shù)。

當(dāng)m為N的整數(shù)倍時(shí):

從式（5）中可以看出，H橋級聯(lián)的輸出電壓諧波的角頻率為mNF ωr，最低次的諧波角頻率為NFωr，等效開關(guān)頻率提高了N倍。

2.2單極倍頻載波移相SPWM調(diào)制

H橋級聯(lián)型變流器子模塊采用單極倍頻調(diào)制，當(dāng)子模塊的載波錯(cuò)開的角度是θ1=π/N為半周期單極倍頻載波移相，當(dāng)子模塊的載波錯(cuò)開的角度是θ2=2π/N為全周期單極倍頻載波移相兩種調(diào)制方式。

采用單極倍頻載波移相調(diào)制時(shí)，H橋級聯(lián)變流器的輸出電壓為:

其中為子模塊載波錯(cuò)開的角度，其中θ為θ1或θ2。

2.2.1半周期單極倍頻載波移相調(diào)制

當(dāng)m為2N的整數(shù)倍時(shí):

從式（9）可以看出，H橋級聯(lián)型變流器輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為的附近2Nωc，系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率提高了2N倍。

2.2.2全周期單極倍頻載波移相調(diào)制

①當(dāng)級聯(lián)單元N為偶數(shù)時(shí)

m為N的整數(shù)倍時(shí):

當(dāng)m為其他整數(shù)時(shí):

輸出電壓化簡為:

從式（12）可以看出，輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為Nωc的附近，系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率提高了N倍。

②當(dāng)級聯(lián)單元N為奇數(shù)

當(dāng)m為2N的整數(shù)倍時(shí):

當(dāng)m為其他整數(shù)時(shí):

輸出電壓化簡為:

式（15）可以看出，輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為2Nωc的附近，系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率提高了2N倍。從上面的數(shù)學(xué)分析可以得到:采用全周期單極倍頻載波移相調(diào)制時(shí)，等效開關(guān)頻率與級聯(lián)單元的個(gè)數(shù)有關(guān)。當(dāng)級聯(lián)的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，等效開關(guān)頻率為單個(gè)H橋開關(guān)頻率的N倍；當(dāng)級聯(lián)的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，等效開關(guān)頻率為單個(gè)H橋開關(guān)頻率的2N倍。

3　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前文數(shù)學(xué)分析的正確性，利用PSIM9.0對雙極性載波移相調(diào)制、半周期單極倍頻載波移相調(diào)制和全周期單極倍頻載波移相調(diào)制進(jìn)行了仿真，其中仿真參數(shù)ωr為314rad/s，載波比F為10，子模塊直流側(cè)電壓值為100V。

H橋級聯(lián)變流器采用雙極性載波移相調(diào)制，子模塊個(gè)數(shù)為3，仿真波形如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，采用雙極性載波移相調(diào)制時(shí)，H級聯(lián)變流器子模塊個(gè)數(shù)為3時(shí)，輸出電壓電平數(shù)為4，當(dāng)有N個(gè)子模塊，電平數(shù)為N+1，級聯(lián)后的輸出電壓的波形得到了極大的改善。從圖2（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在500Hz附近，級聯(lián)后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1500Hz附近。雙極性載波移相調(diào)制提高了系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率，當(dāng)有N個(gè)子模塊，等效開關(guān)頻提高了率N倍，改善了輸出電壓的波形。

H橋級聯(lián)變流器采用半周期單極倍頻載波移相，子模塊個(gè)數(shù)為3，仿真波形如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，采用半周期單極倍頻載波移相時(shí)，H級聯(lián)變流器子模塊個(gè)數(shù)為3時(shí)，輸出電壓電平數(shù)為7，當(dāng)有N個(gè)子模塊，輸出電壓的電平數(shù)為2N+1。圖2（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1000Hz附近，級聯(lián)后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在3000Hz附近，等效開關(guān)頻提高了率2N倍。

H橋級聯(lián)變流器采用全周期單極倍頻載波移相，子模塊個(gè)數(shù)為3，仿真波形如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，采用全周期單極倍頻載波移相時(shí)，H級聯(lián)變流器子模塊個(gè)數(shù)為3時(shí)，輸出電壓電平數(shù)為7，當(dāng)有N個(gè)H橋單元時(shí)，且N為奇數(shù)時(shí)，輸出電壓的電平數(shù)為2N+1。對比圖3（a）和圖4（a）H橋級聯(lián)輸出電壓，以及圖3（b）和圖4（b）輸出電壓的頻譜，可以看出:在級聯(lián)單元個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，全周期單極倍頻載波移相和半周期單極倍頻載波移相，輸出電壓的電平數(shù)和等效頻率都相等，諧波含量也相同，兩種方式是等效的。

H橋級聯(lián)變流器采用全周期單極倍頻載波移相，子模塊個(gè)數(shù)為4，仿真波形如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，采用全周期單極倍頻載波移相時(shí)，H級聯(lián)變流器子模塊個(gè)數(shù)為4時(shí)，輸出電壓電平數(shù)為5，當(dāng)有N個(gè)H橋單元時(shí)，且N為偶數(shù)時(shí)，輸出電壓的電平數(shù)為N+1。圖5（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1000Hz附近，級聯(lián)后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在2000Hz附近，等效開關(guān)頻提高了N倍。

通過上述的數(shù)學(xué)分析和仿真驗(yàn)證，可以得到:雙極性載波移相調(diào)制、半周期單極倍頻載波移相調(diào)制和全周期單極倍頻載波移相調(diào)制都能夠提高系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率，而且級聯(lián)后的輸出電壓基波一樣，都為子模塊輸出電壓基波的N倍。當(dāng)H橋級聯(lián)型變流器子模塊個(gè)數(shù)為N時(shí)，雙極性載波移相調(diào)制輸出電平數(shù)為N+1，等效開關(guān)頻率提高N倍；半周期單極倍頻載波移相調(diào)制輸出電平數(shù)為2N+1，等效開關(guān)頻率提高2N倍。而全周期單極倍頻載波移相調(diào)制的輸出電平數(shù)與N的奇偶性有關(guān)，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，輸出電平數(shù)為N+1，等效開關(guān)頻率提高N倍；當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，輸出電平數(shù)為2N+1，等效開關(guān)頻率提高2N倍。

4　結(jié)語

本文對H橋級聯(lián)型變流器采用雙極性載波移相，半周期單極倍頻載波移相和全周期單極倍頻載波移相三種調(diào)制方式下的輸出電壓進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，并通過仿真驗(yàn)證了數(shù)學(xué)分析的結(jié)論，這些結(jié)論對于H橋級聯(lián)型變流器不同應(yīng)用場合中，開關(guān)調(diào)制策略的選用具有一定的指導(dǎo)作用。

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