大容量并網(wǎng)系統(tǒng)中新型組合七電平逆變器的研究

劉 威,甘 雪，李 清

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

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大容量并網(wǎng)系統(tǒng)中新型組合七電平逆變器的研究

劉 威,甘 雪，李 清

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

為了解決新能源大容量并網(wǎng)接口電路中多電平逆變器使用的器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題,筆者構(gòu)建了一種簡(jiǎn)化的新型組合七電平逆變器拓?fù)?同時(shí)設(shè)計(jì)了適于該拓?fù)涞乃妮d波交錯(cuò)SPWM調(diào)制策略及四載波層疊調(diào)制策略。通過(guò)MATLAB/Simulink軟件對(duì)新型組合七電平逆變器進(jìn)行了仿真,并與傳統(tǒng)的二極管鉗位式七電平逆變器在相同的仿真條件下作了對(duì)比分析,其結(jié)果:前者基波電壓幅值為240.8 V,后者基波電壓幅值為160.3 V;兩種電路拓?fù)涞妮敵鲭妷褐C波畸變率(THD) 分別為23.71%和23.64%,兩者的諧波分布情況基本一致。由此驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化拓?fù)浼罢{(diào)制策略的可行性與有效性。

大容量并網(wǎng);新型組合;七電平逆變器;四載波交錯(cuò)SPWM調(diào)制

相比傳統(tǒng)兩電平逆變器,多電平逆變器具有許多優(yōu)勢(shì)[1],因此,廣泛應(yīng)用于高壓大功率交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、高壓直流輸電、電力有源濾波器以及新能源發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中[2]。自上世紀(jì)80年代初日本學(xué)者A.Nabae等人提出二極管中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器以來(lái)[3],很多學(xué)者相繼提出了具有研究?jī)r(jià)值的多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略[4-6],如今已經(jīng)形成了二極管鉗位型、飛跨電容型以及級(jí)聯(lián)型三類(lèi)基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是,由于基本的多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,有源開(kāi)關(guān)管以及無(wú)源器件使用的比較多,因此如何簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并提出相應(yīng)的調(diào)制策略,提高裝置性能,則成了研究多電平逆變器目的之一。文獻(xiàn)[7]研究了非對(duì)稱(chēng)混合多電平逆變器,并提出了一種非對(duì)稱(chēng)H橋具有通用性的新型載波交錯(cuò)調(diào)制策略,在輸出相同電平數(shù)時(shí),比傳統(tǒng)多電平逆變器所使用的功率器件少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;文獻(xiàn)[8]通過(guò)組合傳統(tǒng)的鉗位多電平拓?fù)渑c兩電平橋臂,得到一類(lèi)新的多電平拓?fù)?與傳統(tǒng)多電平拓?fù)湎啾?在輸出相同電平數(shù)的情況下,簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文在現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一種簡(jiǎn)化的新型組合七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即通過(guò)把傳統(tǒng)二極管三電平逆變器中的零電平擴(kuò)展為含有雙向開(kāi)關(guān)的三電平半橋結(jié)構(gòu),從而更進(jìn)一步簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時(shí)針對(duì)新型組合七電平逆變器拓?fù)渥陨淼墓ぷ魈攸c(diǎn),提出了適合該電路拓?fù)涞乃妮d波交錯(cuò)SPWM調(diào)制策略,并詳細(xì)分析了其調(diào)制原理。

1 新型組合七電平逆變器

1.1 主電路拓?fù)浞治?/p>

本文構(gòu)建的新型組合七電平逆變器拓?fù)淙鐖D1所示,由四個(gè)分壓電容(C1～C4)、六個(gè)二極管(D1～D6)、六個(gè)帶反向并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)管(S1～S6)以及開(kāi)關(guān)管(S7)組成。通過(guò)合理的開(kāi)關(guān)組合,該電路拓?fù)淇梢孕纬善邆€(gè)輸出電平。七電平逆變器拓?fù)淦骷?shù)量如表1所示。

圖1 新型組合七電平逆變器主拓?fù)?/p>

表1 七電平逆變器拓?fù)淦骷?shù)量

由表1可知,相比傳統(tǒng)七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用的有源開(kāi)關(guān)管以及無(wú)源器件相對(duì)較少,從而有利于降低成本、減小裝置體積以及提高系統(tǒng)效率。

1.2 工作模態(tài)分析

為了方便地分析,假設(shè)圖1中的四個(gè)分壓電容(C1～C4)上的電容不波動(dòng),且每個(gè)分壓電容上的電壓等于E/4,則新型組合七電平逆變器通過(guò)開(kāi)關(guān)管按照一定的規(guī)律動(dòng)作可以輸出七種電平。不同輸出電平對(duì)應(yīng)的工作模態(tài)如圖2 所示。

圖2 工作模態(tài)等效電路

由上述七種工作模態(tài),可得七種輸出電平與開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合的關(guān)系,如表2所示。

表2 七種電平對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

注:其中“1”表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,“0”表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。

從表2中可得到以下規(guī)律:開(kāi)關(guān)管S1和S3、S2和S4分別互補(bǔ)導(dǎo)通;在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)的非零輸出狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)管S5、S6和S7只能有一個(gè)導(dǎo)通;開(kāi)關(guān)管S2和S3分別在正半周期和負(fù)半周期保持常通。

2 調(diào)制策略機(jī)理分析

模態(tài)分析只是對(duì)新型組合七電平逆變器拓?fù)涔ぷ髟淼姆治?如何根據(jù)輸出電壓uA0對(duì)應(yīng)的七種開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律設(shè)計(jì)出合理的調(diào)制策略是本文的關(guān)鍵。

從期望輸出的PWM電平段的變化分析,在輸出0～E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)3和4之間切換,此時(shí)只有S3(S1與S3互補(bǔ)導(dǎo)通)和S5頻繁交替動(dòng)作;在輸出E/4～2E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)2和3之間切換,此時(shí)只有S5和S7頻繁交替動(dòng)作;在輸出2E/4～3E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)1和2之間切換,此時(shí)只有S6和S7頻繁交替動(dòng)作;在輸出0～-E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)4和5之間切換,此時(shí)只有S2(S4與S2互補(bǔ)導(dǎo)通)和S6頻繁交替動(dòng)作;在輸出-E/4～-2E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)5和6之間切換,此時(shí)只有S6和S7頻繁交替動(dòng)作;在輸出-2E/4～-3E/4電平段時(shí),電路拓?fù)湓诠ぷ髂B(tài)7和5之間切換,此時(shí)只有S7和S5頻繁交替動(dòng)作。因此,在輸出電壓正半周期和負(fù)半周期內(nèi)頻繁動(dòng)作的開(kāi)關(guān)管分別依次為S3、S5、S7、S6和S2、S6、S7、S5;同時(shí),開(kāi)關(guān)管S7和S5、S6和S7在正半周期頻繁交替動(dòng)作時(shí)輸出電平分別在E/4和2E/4、2E/4和3E/4之間切換,但是在負(fù)半周期頻繁交替動(dòng)作時(shí)，輸出電平分別在-2E/4和-3E/4、-E/4和-2E/4之間切換。

基于上述的分析,要得到期望輸出的PWM電平波形,需要四個(gè)載波與正弦波相比較,在相交處產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的控制極信號(hào),分別控制四對(duì)頻繁交替動(dòng)作的開(kāi)關(guān)管(S3和S5、S2和S6、S5和S7、S6和S7)。載波位置的分布有兩種自由度[9]:垂直分層和水平相移分布,為了與輸出電壓波形的分層階梯波對(duì)應(yīng),本文采用垂直分層分布,其調(diào)制原理如圖3(a)所示。為了簡(jiǎn)化載波產(chǎn)生的過(guò)程,這里讓調(diào)制波在正、負(fù)半周期分別向下、向上平移2個(gè)載波的幅值,此時(shí)載波就可以設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱(chēng)的四載波,從而得到四載波層疊調(diào)制算法,其調(diào)制機(jī)理如圖3(b)所示。

圖3 調(diào)制策略原理

由圖3可知,在調(diào)制波正半周期,S1與S3互補(bǔ)導(dǎo)通,輸出0～E/4電平段時(shí),開(kāi)關(guān)管S3和S5互補(bǔ)導(dǎo)通,輸出E/4～3E/4電平段時(shí),開(kāi)關(guān)S5和S6的開(kāi)關(guān)次數(shù)之和為S7的開(kāi)關(guān)次數(shù),S3和S7的開(kāi)關(guān)頻率之和為載波頻率,所以總的開(kāi)關(guān)頻率等效為兩個(gè)載波頻率;在調(diào)制波負(fù)半周期,S2與S4互補(bǔ)導(dǎo)通,輸出0～-E/4電平段時(shí),開(kāi)關(guān)管S2和S6互補(bǔ)導(dǎo)通,輸出-E/4～-3E/4電平段時(shí),開(kāi)關(guān)S5和S6的開(kāi)關(guān)次數(shù)之和為S7的開(kāi)關(guān)次數(shù),S2和S7的開(kāi)關(guān)頻率之和為載波頻率,所以總的開(kāi)關(guān)頻率等效為兩個(gè)載波頻率。同時(shí),從整體來(lái)看,同一電平段以及相近兩電平段之間的切換都是按照正弦波規(guī)律進(jìn)行的,因此,理論上由上述調(diào)制原理得到七電平PWM輸出電壓波形是可行的和有效的。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型組合七電平逆變器工作原理的合理性以及該拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的四載波交錯(cuò)SPWM調(diào)制策略的正確性與可行性,通過(guò)MATLAB/Simulink軟件對(duì)新型組合七電平逆變器進(jìn)行了仿真,并與傳統(tǒng)的二極管鉗位式七電平逆變器在相同的仿真條件下作了對(duì)比分析。仿真條件設(shè)置:輸入電壓Udc=400 V,幅值調(diào)制比m=0.8,載波頻率fc=3 kHz。

傳統(tǒng)二極管鉗位七電平逆變器采用載波層疊SPWM調(diào)制策略時(shí)輸出電壓與頻譜圖和新型組合七電平逆變器采用四載波交錯(cuò)SPWM調(diào)制策略時(shí)輸出電平與頻譜圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4(a)和圖5(a)可知,當(dāng)輸入電壓和幅值調(diào)制比相同時(shí),后者基波電壓幅值為240.8 V,前者基波電壓幅值為160.3 V,所以后者的直流電壓利用率大約是前者的1.5倍,這也驗(yàn)證了上述關(guān)于相比傳統(tǒng)七電平逆變器,新型組合七電平逆變器能提高直流電壓利用率的理論分析;由圖4(b)和圖5(b)可知,兩種電路拓?fù)涞妮敵鲭妷褐C波畸變率(THD)分別為23.71%和23.64%;最大次諧波相對(duì)基波的含量都在11%左右;其它次諧波相對(duì)諧波含量都在5%以下;同時(shí)兩者的諧波分布情況也基本一致,諧波主要集中分布在載波的整數(shù)倍次附近。

圖4 二極管鉗位型七電平逆變器輸出電壓與頻譜

圖5 新型組合七電平逆變器輸出電壓與頻譜

綜上所述,新型組合七電平逆變器采用四載波交錯(cuò)SPWM調(diào)制策略時(shí)比傳統(tǒng)二極管鉗位七電平逆變器采用載波層疊SPWM調(diào)制策略時(shí)的直流電壓利用率高,兩者的輸出電壓諧波含量及分布情況基本一致。

4 結(jié) 論

針對(duì)解決新能源大容量并網(wǎng)接口電路中多電平逆變器使用的器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題,本文通過(guò)組合傳統(tǒng)二極管鉗位三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和帶雙向開(kāi)關(guān)的三電平半橋單元,構(gòu)建了一種新型組合七電平逆變器,并提出了相應(yīng)的調(diào)制策略。經(jīng)理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論:

1) 相比傳統(tǒng)七電平逆變器拓?fù)?該拓?fù)涫褂幂^少的器件,即能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)七電平逆變器相同的輸出電壓性能,從而簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),解決了新能源大容量并網(wǎng)系統(tǒng)中接口電路用七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)可以把該單相組合拓?fù)鋽U(kuò)展到三相組合拓?fù)洹?/p>

2) 該調(diào)制策略使新型組合拓?fù)浜芎玫膶?shí)現(xiàn)了期望電壓的輸出;同時(shí)其設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到其它類(lèi)似組合拓?fù)湔{(diào)制策略的研究中。

由于篇幅有限,本文仍存在一些問(wèn)題沒(méi)有研究,如分壓電容平衡、開(kāi)關(guān)管損耗及耐壓等問(wèn)題,后續(xù)工作將重點(diǎn)研究上述問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on new composite seven level inverterin large capacity grid connected system

LIU Wei, GAN Xue, LI Qing

(Schoole of Electric Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to solve the problems of multilevel inverter used for the new energy large capacity grid connected interface circuit, including complex devices and circuit structure, this paper constructed a simplified new composite seven level inverter topology, and designed four-carrier staggered SPWM modulation and four-carrier cascade modulation. Through MATLAB/Simulink, the simulation of the new inverter was made, the result of which being compared with that of the traditional diode clamp type seven level inverter. The comparison shows that: the former fundamental wave voltage amplitude is 240.8 V, while the latter is 160.3 V; the output voltage harmonic distortion (THD) of two kinds of circuit topology are respectively 23.71% and 23.64%, both distributing in the same way. Thus, the feasibility and validity of the simplified topology and modulation strategy are verified.

large capacity grid connected system; new composite; seven level inverter; four-carrier staggered SPWM modulation

2015-12-29。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民用航空局聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1333122) ；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2012JY0120)；太陽(yáng)能技術(shù)集成及應(yīng)用推廣四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(TYN2015-09和2013TYNZ-02)。

劉 威(1988—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)技術(shù)。

TM464

A

2095-6843(2016)02-0161-04