一種新型9電平升壓逆變器

薛映霞，陳慶，張旭，何鳳有

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

一種新型9電平升壓逆變器

薛映霞，陳慶，張旭，何鳳有

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

單相小功率光伏并網(wǎng)往往采用先升壓再逆變的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，效率進(jìn)一步提升受到限制且輸出電壓電平數(shù)較少。研究了一種新型9電平升壓逆變器，采用投切電容的方式實(shí)現(xiàn)升壓和逆變——投切電容式9電平逆變器，可同時(shí)完成升壓和逆變，為提高系統(tǒng)效率提供有效途徑。在分析投切電容式9電平逆變器拓?fù)涔ぷ髟淼幕A(chǔ)上，采用低次諧波最小原則的階梯波調(diào)制算法。該升壓逆變系統(tǒng)具有開關(guān)頻率低、電壓階梯多、電流質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn)。最后通過軟件仿真及硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型逆變器的可行性及算法的正確性。

投切電容；9電平；階梯波調(diào)制；低次諧波最小原則；逆變器

目前單個(gè)光伏組件輸出電壓相對(duì)于電網(wǎng)電壓峰值較低，變換器輸入電壓相比輸出電壓峰值低得多，實(shí)踐中單相小功率光伏并網(wǎng)常常采用先DC/DC升壓再DC/AC逆變2個(gè)過程。目前DC/DC變換器效率雖然可達(dá)到95%以上，但是采用單級(jí)式并網(wǎng)是進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)效率的有效途徑。

多電平逆變器因其電壓階梯數(shù)多、電流質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)引起了眾研究學(xué)者的高度重視。傳統(tǒng)的單相多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單相橋式逆變器、級(jí)聯(lián)H型等結(jié)構(gòu)［1-3］。實(shí)踐中單相橋式逆變器電平數(shù)較少且無法完成升壓；單相級(jí)聯(lián)H型逆變器可以完成升壓，但是直流側(cè)需（n-1）/2個(gè)獨(dú)立的直流電源，2（n-1）個(gè)開關(guān)器件（n為輸出電平數(shù)），需要的開關(guān)器件和獨(dú)立直流源較多［4］。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文研究了一種單相9電平投切電容式（SC）逆變器，只需要n+3個(gè)開關(guān)器件（n≥5），（n-3）/2個(gè)投切電容和若干二極管，當(dāng)輸出電壓的電平數(shù)較多時(shí)，相對(duì)級(jí)聯(lián)H型結(jié)構(gòu)逆變器，SC逆變器所用開關(guān)器件明顯減少且直流側(cè)只需1個(gè)電壓源，可以同時(shí)完成升壓和逆變。本文研究投切電容式9電平逆變器工作原理，采用低次諧波最小原則階梯波調(diào)制算法控制獲得較好的性能。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

圖1給出了9電平SC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。拓?fù)渲兄缓?個(gè)直流電壓源E，開關(guān)器件S2與S11～S13互斥工作，C1～C3為投切電容。

圖1 9電平SC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 SC-9L inverter topology

主開關(guān)S2開通時(shí)，二極管VD1～VD5全部導(dǎo)通，直流側(cè)電源向3個(gè)SC充電，等效電路如圖2a所示。S2關(guān)斷時(shí)，從開關(guān)S11～S13開通，二極管全部阻斷，等效電路如圖2b所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)點(diǎn)1～4的電壓分別為 E，2E，3E，4E。通過對(duì) S31～S34，S411～S412以及S421～S422不同開關(guān)狀態(tài)的組合，即可得到-4E，-3E，-2E，-E，0，E，2E，3E，4E 9種電平，輸出電壓峰值是直流側(cè)電壓的4倍，與傳統(tǒng)的先升壓再逆變結(jié)構(gòu)相比，輸出電壓的電平數(shù)增多，系統(tǒng)的效率得以提高。開關(guān)狀態(tài)表如表1所示。

圖2 主、從開關(guān)分別開通時(shí)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagrams of master and auxiliary switches work respectively

表1 開關(guān)狀態(tài)表Tab.1 Switches states table

由表1可知，輸出狀態(tài)2E和E之間切換（或-2E和-E之間切換）時(shí)同時(shí)有6個(gè)開關(guān)器件動(dòng)作，輸出狀態(tài)E和0之間切換（或-E和0之間切換）時(shí)同時(shí)有3個(gè)開關(guān)器件動(dòng)作，其余相鄰狀態(tài)之間切換有2個(gè)開關(guān)器件動(dòng)作。為保證逆變器可靠工作，狀態(tài)切換時(shí)均先關(guān)斷再開通，開關(guān)死區(qū)換流通路如圖3所示。因換流時(shí)間內(nèi)負(fù)載電流的方向不同，當(dāng)i＞0時(shí)換流回路由i1和i21組成，當(dāng)i＜0時(shí)換流回路由i1和i22組成。

圖3 SC-9L逆變器換流回路分析Fig.3 Commutation current analysis of SC-9L inverter

輸出電壓為±E和0時(shí)主開關(guān)S2閉合，3個(gè)從開關(guān)斷開，3個(gè)投切電容處于充電狀態(tài)；結(jié)構(gòu)中投切電容C1電壓波動(dòng)最為嚴(yán)重，以圖3中標(biāo)記電壓電流方向?yàn)檎较颍敵鰻顟B(tài)為2E，3E，4E，-2E，-3E，-4E時(shí)，輸出電壓正方向與輸出電流正方向相同時(shí)處于放電狀態(tài)，相反時(shí)處于充電狀態(tài)，每個(gè)采樣周期TS電壓變化量為iTs/C，累計(jì)1個(gè)工頻周期內(nèi)電容電壓即可算得電容電壓波動(dòng)范圍。通過適當(dāng)選擇3個(gè)投切電容的容量即可實(shí)現(xiàn)投切電容電壓在一定范圍內(nèi)的自平衡。

IGBT開關(guān)器件和二極管的設(shè)置主要考慮工作過程中開關(guān)處承受電壓方向以及開關(guān)器件切換過程中死區(qū)時(shí)間的換流回路，如開關(guān)S31，S32，S33承受雙向電壓、電流雙向流動(dòng)（當(dāng)負(fù)載不是純阻性時(shí)電流流向存在與電壓正方向相反的狀態(tài)），故采用等效的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)。

2 調(diào)制策略

調(diào)制算法的選擇對(duì)多電平逆變器的輸出性能起關(guān)鍵作用。由于階梯波調(diào)制法易于實(shí)現(xiàn)，且開關(guān)頻率低，開關(guān)器件S11，S12，S13，S2，S34，S411，S412，S421和S422在1個(gè)工頻周期內(nèi)開關(guān)2次，器件開關(guān)頻率100 Hz；開關(guān)器件S31，S32和S33在1個(gè)工頻周期內(nèi)開關(guān)4次，器件開關(guān)頻率200 Hz，所有器件的平均開關(guān)頻率為125 Hz。本文采用此算法實(shí)現(xiàn)逆變。圖4是根據(jù)低次諧波最少的原則計(jì)算開關(guān)角的原理圖［5-6］。

圖4 階梯波調(diào)制策略示意圖Fig.4 Schematic diagram of stair waveform modulation strategy

圖4中，αA,αB,αC,αD,αE依次為輸出階梯波與理想正弦波的相交角度，幅值為kE(k=0～4)，則參考正弦波的幅值為4E。按低次諧波最少原則實(shí)現(xiàn)，則圖4a中階梯波的等效面積與正弦波等效面積相等。因此按圖4b中兩扇形部分面積相等即可計(jì)算α1～44個(gè)開關(guān)角，以此控制逆變器輸出階梯波。求得α1～4分別為

由上一節(jié)對(duì)電容電壓波動(dòng)分析及本節(jié)調(diào)制算法可計(jì)算的跌落最嚴(yán)重的電容C1電壓跌落最大幅值ΔU為

式中：I為負(fù)載電流峰值，cosφ為功率因數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab2014a/Simulink中對(duì)投切電容式9電平逆變器各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：直流側(cè)電壓E=24 V，投切電容器電容C1～3=4 700 μF ，所帶負(fù)載為阻感負(fù)載：電感L=23 mH ，電阻 R=8 Ω ，采樣時(shí)間 T=25 μs，頻率為50 Hz。

圖5給出了輸出電壓電流、投切電容電壓（以C2為例）和主開關(guān)S2的仿真波形。由仿真結(jié)果可知電壓電流波形較好，主開關(guān)S2波形顯示了投切電容處充電狀態(tài)的時(shí)刻，電容C2波形顯示投切電容電壓實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的平衡。

圖5 階梯波調(diào)制輸出仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of output based on step pulse modulation

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用TMS320C28346+CPLD控制器，采樣時(shí)間T=25 μs,直流母線電壓E=24 V,3個(gè)投切電容C1～3=9 400 μF,阻感負(fù)載：電阻8 Ω,電感23 mH，輸出工頻電壓。

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的輸出電壓電流、投切電容電壓如圖6、圖7所示。

圖6 輸出電壓電流波形Fig.6 Waveforms of output voltage and current

圖7 投切電容電壓波形Fig.7 Voltage waveforms of switch capacitors

圖6是負(fù)載電壓及電流波形，可知輸出電壓每個(gè)階梯電壓略低于理論的電壓24 V，這是因?yàn)榇嬖诙O管和開關(guān)器件的壓降及電容電壓波動(dòng)導(dǎo)致的，但在可接受范圍內(nèi)（小于20%），不會(huì)嚴(yán)重影響電流質(zhì)量，可見負(fù)載電流較好。圖7為3個(gè)投切電容電壓波形，可見實(shí)現(xiàn)了投切電容電壓的相對(duì)穩(wěn)定。驗(yàn)證了提出的電容投切式9電平逆變器的可行性及低次諧波最小原則階梯波調(diào)制算法的正確性。

5 結(jié)論

本文研究了投切電容式9電平逆變器，采用了基于低次諧波最小原則產(chǎn)生階梯波的調(diào)制算法。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓電流波形較好，投切電容電壓波動(dòng)在允許范圍內(nèi)自平衡，證明了所提拓?fù)涞目尚行约八惴ǖ恼_性。同時(shí)為更多電平升壓逆變器的實(shí)踐提供了好的思路。

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A Novel Nine Level Booster Inverter

XUE Yingxia，CHEN Qing，ZHANG Xu，HE Fengyou
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China）

Traditional topologies always need to boost firstly and invert voltage in the field of low-power single-phase photovoltaic grid-connected system，the two-stage structure owns lower efficiency and less output voltage levels.A novel nine level booster inverter was developed，and throw-cut mode of the capacitors was applied，which was switch capacitors nine level inverter.Booster and inverter were accomplished simultaneously，so system efficiency was also improved.Based on analysis of circuit topology，step waveform modulation algorithm with minimum low-order harmonics principle was employed to alternate voltage.Satisfactory performances of low switching frequency，more voltage levels and desired current quality were obtained.The validity and superiority are verified by simulation and experimental results.

switch capacitors；nine-level；step waveform modulation；principle of minimum low-order harmonics；inverter

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170607

2016-01-19

修改稿日期：2016-10-13

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，煤礦深井建設(shè)與提升基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)（2016TFC060096）

薛映霞（1992-），女，碩士研究生，Email：853869152@qq.com