中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器研究

陳賢明

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003）

1 前言

多級(jí)逆變器在中、大功率的電氣裝置中應(yīng)用日益廣泛，用于各種需要變頻的裝置中，如風(fēng)機(jī)、水泵、卷?yè)P(yáng)、軋機(jī)和抽水蓄能電站等，為節(jié)能減排起著很大的作用，因此得到較大的發(fā)展。其中二極管中點(diǎn)箝位多級(jí)逆變器占有較大份額，近年來(lái)在風(fēng)力、太陽(yáng)能光伏發(fā)電中也要用較大功率逆變器，為使運(yùn)行過(guò)程中得到接近正弦波形輸出，省掉濾波器，通常使用脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制，然而對(duì)中點(diǎn)箝位（Neutral Point Clamped,NPC）三相三級(jí)逆變器電路拓?fù)溲芯浚昧薖WM控制后，會(huì)導(dǎo)致逆變器內(nèi)元件損耗、發(fā)熱不均勻，從而使逆變器無(wú)法得到充分利用，因而中點(diǎn)活箝位（Active Neutral Point Clamped,ANPC）的多級(jí)逆變器［1－3］被提出，保證了逆變器內(nèi)各元件損耗、發(fā)熱均勻。文獻(xiàn)［4］對(duì)中點(diǎn)活箝位三相三級(jí)逆變器進(jìn)行了研究和仿真，得出了預(yù)期的結(jié)果。由于近期對(duì)如光伏、風(fēng)能發(fā)電的逆變器輸出電壓的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更趨嚴(yán)格，因此大力研究多于三級(jí)的ANPC逆變器，本文在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上，對(duì)五級(jí)（5 Level）的5L-ANPC的逆變器進(jìn)行研究，并對(duì)它作了Matlab/Simulink仿真，為實(shí)際的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。

2 NPC三相三級(jí)逆變器作PWM控制時(shí)的問(wèn)題

如圖1所示為用于并網(wǎng)的二極管中點(diǎn)箝位三相三級(jí)逆變器的電路圖，它每相由4只電力電子開(kāi)關(guān)元件（以下簡(jiǎn)稱T管），二極管D組件和2只箝位二極管組成。

圖1 并網(wǎng)的二極管中點(diǎn)箝位三相三級(jí)逆變器

圖1中還畫(huà)出逆變器輸出電流的正方向。

當(dāng)T1、T2導(dǎo)通a相輸出+電平，T2、T3導(dǎo)通輸出0電平，T3、T4導(dǎo)通輸出－電平。 圖2（a）、（b）所示分別為T(mén)1用脈寬調(diào)制PWM控制,T2恒導(dǎo)通，輸出Va為+電平時(shí)，電流ia為正向、負(fù)向時(shí)的路徑。當(dāng)PWM斷開(kāi)，T1關(guān)斷，Va為0電平時(shí)，電流ia的續(xù)流路徑如點(diǎn)線所示。當(dāng)ia為正:0→D5→T2→a,當(dāng)ia為負(fù):a→T3→D6→0，注意T3必須在T1關(guān)斷，經(jīng)死區(qū)延時(shí)后開(kāi)通，即T2、T3導(dǎo)通保證0電平下，ia雙向?qū)ā?/p>

應(yīng)該指出,中點(diǎn)箝位三級(jí)逆變器內(nèi)圈的6只T管無(wú)法作PWM控制，比如T2作PWM控制時(shí)，T2斷開(kāi)瞬間正向流動(dòng)的ia無(wú)通路。所以實(shí)際上只能用外圍的6只T管即T1、T4、T5、T8、T9、T12作PWM控制。由于它們的開(kāi)關(guān)損耗大，發(fā)熱比內(nèi)圈的6只T管大許多。為解決這個(gè)問(wèn)題，ANPC多級(jí)逆變器，即在箝位二極管上反并聯(lián)T管的方案被提出。

圖2 +電平輸出ia為正向和負(fù)向路徑

3 ANPC原理說(shuō)明

逆變器某相輸出電壓變到零電平或從零電平變出都會(huì)引起有關(guān)的T管的開(kāi)關(guān)損耗。圖3所示為ANPC三級(jí)逆變器一個(gè)相電路，這里箝位二極管D5、D6各 反 并 聯(lián)了T5、T6的T管。通常 T1、T6 同 步 導(dǎo)通，T4、T5同步導(dǎo)通。當(dāng)T1、T2導(dǎo)通，而T3、T4關(guān)斷時(shí)輸出Va為高電平，而T6導(dǎo)通保證了T3、T4的均壓，因此可省去它們的均壓電阻以及帶來(lái)的損耗。以下仍假定電流ia是感性的，不能瞬間變化，可以看出有了T5和T6后，在“0”電平下，感性負(fù)荷電流續(xù)流路徑除了0→D5→T2→a和a→T3→D6→ 0外，還有0→T6→D3→a和a→D2→T5→0?？梢钥闯鲇辛薚5、T6后保證了內(nèi)圈T管T2和T3作PWM控制，當(dāng)PWM控制為“0”不導(dǎo)通時(shí)，Ua為“0”電平，為感性負(fù)荷電流ia續(xù)流提供了通路，這就使內(nèi)圈T管作PWM控制成為可能。

圖3 ANPC三級(jí)逆變器a相

表1所示為一個(gè)相的3L-ANPC電路工作的6種狀態(tài)，除了輸出Va為+、－狀態(tài)外，零電位輸出有4種狀態(tài)，上臂有兩種0上1、0上2, 下臂有兩種0下1、0下2。應(yīng)該指出這里0電平已不再是NPC情況下T2、T3同時(shí)導(dǎo)通,而是互補(bǔ)導(dǎo)通的。在ANPC電路產(chǎn)生0電平的上下途徑各有2種選擇，有可能使逆變器中的T管開(kāi)關(guān)損耗均勻化，有利于充分發(fā)揮T管的能力。

表1 單相ANPC的工作狀態(tài)

4 中點(diǎn)活箝位的5級(jí)(5L-ANPC)逆變器

為了滿足逆變器輸出完美的正弦電流，會(huì)用到5L-ANPC逆變器,圖4所示為它的一個(gè)相電路，它在3L-ANPC的一相，附加一個(gè)充電到Vd/2的電容器C和兩個(gè)T管組件，它能生成5電平Vd、Vd/2、0、-Vd/2和-Vd。

圖4 5L-ANPC逆變器的一相

表2所示為5L-ANPC一相電路的工作狀態(tài)，第1行表示8個(gè)電力電子組件，out代表圖4的a點(diǎn)輸出電平。項(xiàng)目C中i>0和i<0代表當(dāng)i為正(從a點(diǎn)輸出)和為負(fù)時(shí)，電容器C的充放電情況，0代表不充也不放，+代表充電，－代表放電。1至8號(hào)元件下,■代表T或D管導(dǎo)通,可以看出總共有16個(gè)工作狀態(tài)。只有輸出為+Vd/2和－Vd/2時(shí)，電容器C才有充電和放電情況，逆變器正常工作，應(yīng)適當(dāng)選擇工作狀態(tài)，以保證電容器C的電壓基本穩(wěn)定，另外要保證元件開(kāi)關(guān)損耗均勻分布。

表2 5L-ANPC一相電路的工作狀態(tài)

圖5為產(chǎn)生5電平方波的T管驅(qū)動(dòng)。當(dāng)i>0時(shí)，選用導(dǎo)通T管以保證電容器C上電壓穩(wěn)定。正半波左側(cè)時(shí)令T3、T5、D2管開(kāi)通產(chǎn)生Vd/2，C充電，接著T1、T3、T5開(kāi)通產(chǎn)生Vd，C不充不放，當(dāng)T7、T1、D2開(kāi)通產(chǎn)生Vd/2，C放電。同樣負(fù)半波－Vd/2時(shí)先充后放電，－Vd時(shí)不充不放。一周波內(nèi)在Vd/2電平下，分別有兩次充放電，有利于C的電壓穩(wěn)定。

為了得到正弦波輸出電壓，要用PWM控制，上述T管導(dǎo)通是PWM在通態(tài)”1”下，在正半波斷態(tài)”0”下導(dǎo)通的T管依次為T(mén)1T3D6、T1T3D6和T7D4D2。圖5上畫(huà)出了各個(gè)電平下應(yīng)導(dǎo)通的T管，D管是自動(dòng)導(dǎo)通，未標(biāo)出。據(jù)此可畫(huà)出電流正半波下，T1、T3、T5、T7的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，T3、T7是恒導(dǎo)通互補(bǔ)信號(hào)，T5為PWM信號(hào)，T1左、右兩側(cè)為PWM信號(hào),中部為恒導(dǎo)通。電流負(fù)半波情況類(lèi)似。圖5下部表示出了T管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況。

圖5 產(chǎn)生五電平方波的T管驅(qū)動(dòng)

5 5L—ANPC三相五級(jí)逆變器的仿真

圖6所示為5L-ANPC中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器的Matlab/Simulink［6－8］仿真結(jié)構(gòu)圖，模塊ANPC—5LI代表逆變器。

圖6 5L-ANPC中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器變器的Matlab/Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖

圖7所示為模塊ANPC—5LI的展開(kāi)圖，其a相的展開(kāi)和圖4相同。圖8為產(chǎn)生圖5下方a相的T1至T8驅(qū)動(dòng)信號(hào)Drv a的驅(qū)動(dòng)電路，Drv b,Drv c相同。其中，Usa為幅值為1的a相同步電壓，ga為由單周控制OCCa產(chǎn)生的PWM信號(hào)，注意這里選用Usa幅值的一半作為Vd/2和Vd的分界。

三相用的三個(gè)單周控制［5］模塊OCCa、OCCb、OCCc完全相同，圖9所示為OCCa的展開(kāi)圖。它的輸入:被控信號(hào)是逆變器a相輸出電流ia，同步信號(hào)來(lái)自正弦波發(fā)生器sinewave，（三相的相位互差2π/3）參考信號(hào)Refa采用的是同步信號(hào)和Ref的乘積，受Ref控制。比較器compa比較ia的積分Vint和和參考值Refa，當(dāng)Vint大于Refa，其輸出翻轉(zhuǎn)，通過(guò)RS觸發(fā)器輸出關(guān)斷信號(hào)，要使OCC中比較器正確比較，交流的ia和Refa均需用絕對(duì)值，圖9中的開(kāi)關(guān)Switch用于積分器1/S清零用。注意這里逆變器輸出電流ia，要跟隨其參考信號(hào)Refa,亦即a相正弦波發(fā)生器。

圖6中逆變器的輸出經(jīng)三相電抗器L接至三相負(fù)荷電阻。此外還有逆變器直流側(cè)電源E1、E2，一些用于電壓、電流測(cè)量的單元，電流有效值顯示以及若干用于顯示仿真結(jié)果的示波器Scope等。5LANPC中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器仿真電路元件參數(shù)如下：直流電源E1、E2=300V，五級(jí)逆變器電容器 C充電150V，1000μF，二極管D管壓降0.8V，全控型開(kāi)關(guān)T管IGBT,管壓降1V，通態(tài)電阻Ron=0.001Ω，吸收電路電阻Rs=100kΩ，電感La=Lb=Lc=L=5mH，負(fù)荷電阻Ra=Rb=Rc=5Ω，單周控制用的時(shí)鐘頻率clk=2k Hz，仿真用參考值Ref=(1—7)*10-4安·秒。

圖7 模塊ANPC-5LI的展開(kāi)

圖8 逆變器a相T1—T8驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路Drv a

圖9 OCCa模塊的展開(kāi)

圖10 參考值Ref變化時(shí)逆變器a相電流ia的變化

圖10所示為靜態(tài)仿真時(shí)，當(dāng)OCC模塊輸入?yún)⒖贾礡ef變化時(shí)，逆變器輸出a相電流ia的有效值變化，可以看出兩者接近成正比關(guān)系。

圖11 5L-ANPC中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器Matlab/Simulink仿真結(jié)果

圖11所示為5L-ANPC中點(diǎn)活箝位三相五級(jí)逆變器在Ref=0.00025安·秒下的仿真結(jié)果。圖11（a）為a相負(fù)荷電流ia和負(fù)荷電壓Ua，顯然它們均為較好的正弦波；（b）為三相負(fù)荷電流ia、ib、ic；（c）為逆變器a相輸出電感La上的電壓波形，它保證了逆變器輸出五級(jí)電壓波形到負(fù)荷上正弦波形的過(guò)渡；（d）為單周控制OCCa單元的輸入信號(hào)的積分Vint和參考信號(hào)Refa的比較情況，波形非常理想；（e）為逆變器a相輸出端對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)間的電壓，它是一個(gè)五級(jí)脈沖電壓波形；（f）為逆變器直流側(cè)電源E1輸出電流id的波形；（g）為T(mén)1、T3、T5、T7管的控驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，和圖5中電流正半波下的驅(qū)動(dòng)要求相同；（h）為三相的五級(jí)逆變器的a、b、c電容器 C（見(jiàn)圖4）上充放電情況，它們的初始電壓為逆變器直流側(cè)電源電壓E1=E2的一半，即150V，可以看出在逆變器運(yùn)行過(guò)程中有充電、放電以及保持恒定過(guò)程。

這里可看出在三周波內(nèi)電壓約有2V下降。為了使其在允許范圍內(nèi)，電容器容量選擇很重要，并要計(jì)及負(fù)荷電流的大小。

6 結(jié)論

本文對(duì)5L-ANPC的中點(diǎn)箝位三相五級(jí)逆變器工作原理及其控制方法進(jìn)行了初步探討，并進(jìn)行實(shí)例仿真，結(jié)果基本滿意，其輸出電流波形正弦，五級(jí)逆變器中的各相電容器電壓基本穩(wěn)定。

從圖5看出，現(xiàn)有控制方法各相的T1、T5、T2、T8作PWM控制，開(kāi)關(guān)損耗大，發(fā)熱高，而其它T管恒導(dǎo)通損耗小，導(dǎo)致T管發(fā)熱不均勻。

應(yīng)該指出圖5的T管驅(qū)動(dòng)脈沖的生成，實(shí)際隱含著功率因數(shù)為1，即負(fù)荷側(cè)電壓、電流同相情況。實(shí)際在電流滯后或越前于電壓，T管控制更為復(fù)雜，對(duì)維持五級(jí)逆變器中電容器C的電壓恒定也更困難。另外圖5中Vd和Vd/2的時(shí)間分界點(diǎn)，選在正弦同步電壓1/2幅值處，是否是最優(yōu)等尚待進(jìn)一步探討。

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