混合多電平逆變器功率均衡分布的研究

王源匯 南余榮

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

混合多電平逆變器在級(jí)聯(lián)單元數(shù)相同時(shí)能夠輸出更多電平數(shù)，具有更好的電壓波形，減少輸出總諧波畸變(Total Harmonic Distortion)。憑借這些優(yōu)勢(shì)，混合多電平逆變器在有源電力濾波器、高壓大功率電機(jī)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。拓?fù)渲胁捎貌煌Y(jié)構(gòu)或者相同結(jié)構(gòu)不同開(kāi)關(guān)器件或不同電壓比的逆變器稱(chēng)為混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器［1-2］。

通常，飛跨電容式多電平逆變器，二極管鉗位式逆變器，H橋逆變器以及相互間的組合構(gòu)成了混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器?；旌喜粚?duì)稱(chēng)多電平逆變器相比傳統(tǒng)的多電平逆變器，采用不同直流電壓比時(shí)輸出更多電平數(shù)的電壓;高低壓?jiǎn)卧捎貌煌拈_(kāi)關(guān)管如低壓高頻單元采用IGBT，而高壓低頻單元采用GTO(Gate turnoff thyristor)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)的損耗［3-4］。

混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器采用混合調(diào)制方法，相比傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)多電平逆變器，在相同單元數(shù)時(shí)輸出電壓得到明顯改善?；旌隙嚯娖侥孀兤鞯恼{(diào)制思想:在不同直流電壓比時(shí)，高壓?jiǎn)卧捎没l的方法，輸出主要電壓和有功功率，低壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)t采用高頻的PWM 調(diào)制，改善輸出波形［5-6］。

本文對(duì)采用傳統(tǒng)調(diào)制策略，特別是低調(diào)制比時(shí)的多電平逆變器各單元輸出電壓及功率分布進(jìn)行分析。同時(shí)通過(guò)對(duì)比較電平的取值進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出一種新的調(diào)制方法，使高壓?jiǎn)卧诘驼{(diào)制比時(shí)依然能夠有效地輸出電壓，使功率分布不均衡的狀況得到改善。

1 混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器

目前已有的混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器由H橋、二極管鉗位式、飛跨電容式、半橋等組合構(gòu)成［7-8］。各種拓?fù)渚哂胁煌膬?yōu)缺點(diǎn)，考慮到級(jí)聯(lián)單元數(shù)、輸出電壓電平數(shù)等因素，圖1為本文構(gòu)建的采用不同電壓比的三單元混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器。

圖1中的Ed2，Ed3高壓?jiǎn)卧獮閭鹘y(tǒng)H橋結(jié)構(gòu)，低壓直流單元Ed1采用二極管鉗位式逆變橋，采用不同電壓比不同結(jié)構(gòu)的三單元組成混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器。

各個(gè)單元在采用不同電壓比時(shí)，輸出電壓電平數(shù)會(huì)不同。如果每一個(gè)功率單元輸出的最大電平數(shù)為mj，則各功率單元直流側(cè)電壓按下式設(shè)置時(shí)［9］:

可以得到最多的輸出電平數(shù):

但過(guò)大的電壓比使得合成輸出電壓產(chǎn)生跳變，含有大量諧波。為避免輸出電壓跳變，能夠采用高頻PWM調(diào)制，則混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器各獨(dú)立直流電源電壓比均為整數(shù)比，滿(mǎn)足以下限制［10-11］:

式中Vj表示第j個(gè)單元的直流電壓。

在(3)式的范圍內(nèi)，混合多電平逆變器采用不同直流電壓比，高壓?jiǎn)卧敵鲭妷赫枷嚯妷夯妷旱谋戎狄膊幌嗤?2］。當(dāng)高壓?jiǎn)卧敵龌妷撼^(guò)參考信號(hào)基波電壓，系統(tǒng)產(chǎn)生功率倒灌問(wèn)題，降低系統(tǒng)效率［13］。如圖2 所示。

由圖2可見(jiàn)，最高壓?jiǎn)卧敵鲭妷夯ú怀^(guò)參考電壓基波的條件:

圖1 三單元混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器

圖2 不同直流電壓比時(shí)高壓?jiǎn)卧妷?/p>

在混合調(diào)制策略中，高壓?jiǎn)卧捎帽容^電平的方式輸出合成電壓，因此，比較電平的選取對(duì)于合成電壓的輸出有較大的影響。同時(shí)比較電平的選取會(huì)對(duì)系統(tǒng)過(guò)調(diào)制產(chǎn)生影響，過(guò)調(diào)制使得低壓?jiǎn)卧谝恍r(shí)間間隔內(nèi)不能合成參考信號(hào)［14-15］，從而影響輸出電壓的諧波含量。比較電平的選取可以用下式表示:

式中ψj表示第j個(gè)單元的比較電平。

而傳統(tǒng)的混合調(diào)制策略在全調(diào)制比內(nèi)采用固定值的比較電平:

2 混合調(diào)制策略

2.1 多電平逆變器傳統(tǒng)調(diào)制策略

基于輸出電壓電平數(shù)和功率倒灌的考慮，三單元混合不對(duì)稱(chēng)逆變器采用 V1∶V2∶V3=1∶1∶2 的電壓比。

設(shè)輸出相電壓的參考電壓為:

式中m為調(diào)制比，0≤m≤1。

單元3在傳統(tǒng)調(diào)制策略下輸出三電平電壓，傅里葉表達(dá)

式為:

次高壓?jiǎn)卧妮敵鲭妷焊道锶~表達(dá)式為:

單元1的輸出電壓為:

在傳統(tǒng)的混合調(diào)制策略中，采用常值的比較電平與參考電壓信號(hào)比較輸出合成電壓。在低調(diào)制比時(shí)，高低壓?jiǎn)卧敵龉β史植疾痪庥葹槊黠@。如圖3所示。

圖3 不同調(diào)制比下各單元輸出電壓(V1∶V2∶V3=1∶1∶2，ψ2=1，ψ3=2)

由圖3中，在調(diào)制比 ma=0.5時(shí)，最高壓?jiǎn)卧敵鲭妷簽榱汶妷?，其余單元均輸出有效電壓，此時(shí)各單元功率輸出分布明顯不均衡。當(dāng) ma=0.7 時(shí)，各單元均正常輸出電壓，功率分布較均衡。

由式(5)，比較電平可以在一定范圍內(nèi)變化。對(duì)于不同的直流電壓比，比較電平的變化范圍也隨之改變。

表1中可以看到，在滿(mǎn)足式(3)直流電壓比的情況下，比較電平的變化范圍隨著電壓比的不斷增大而減小，當(dāng)直流電壓比為式(3)中最大比值時(shí)(即V1∶V2∶V3=1∶2∶6)，比較電平的選取只有一種情況。當(dāng)三單元混合逆變器直流電壓比 1∶1∶1≤V1∶V2∶V3≤1∶1∶3 時(shí)，比較電平ψ2和ψ3在式(5)的范圍內(nèi)變化。

三單元混合多電平逆變器中，比較電平ψ2、ψ3分別可以在［0…1］、［0…2］內(nèi)變化，而比較電平在此間隔范圍內(nèi)變化對(duì)輸出電壓的影響，如圖4所示。

表1 三單元混合逆變器不同直流電壓下比較電平的范圍

圖4 比較電平對(duì)輸出電壓諧波的影響

圖4 中，調(diào)制比一定時(shí)，表1間隔內(nèi)變化的比較電平對(duì)輸出電壓諧波的變化非常小。因此，在調(diào)制比一定時(shí)，通過(guò)改變比較電平的大小，在不影響輸出畸變的情況下，調(diào)節(jié)單元的輸出電壓，改善單元的功率分布不均衡。在低調(diào)制比時(shí)，減小比較電平ψ3的取值，高壓?jiǎn)卧梢暂敵龈叩幕妷汉凸β?，調(diào)節(jié)功率的均衡分布。

由上文分析，比較電平變化，在不影響輸出電壓諧波畸變的同時(shí)，可以調(diào)節(jié)單元的輸出功率。

2.2 新型混合調(diào)制策略

因此，提出一種新的調(diào)制方法，在不同調(diào)制比時(shí)，通過(guò)改變比較電平的取值，調(diào)節(jié)各單元的輸出功率，使各單元在全調(diào)制比范圍內(nèi)均能輸出電壓，改善各單元功率分布不均衡的問(wèn)題。

通過(guò)式(6)、(7)，高壓?jiǎn)卧敵龉β时葹?

圖5 功率單元線(xiàn)性輸出時(shí)的比較電平

上式中，最高功率單元輸出功率在相有功功率流動(dòng)中占63.36%。次高壓功率單元及低壓?jiǎn)卧敵鲇泄β史謩e達(dá)到相有功功率的 23.52%和13.12%。

在全調(diào)制范圍內(nèi)，通過(guò)不斷調(diào)整比較電平的取值，使混合多電平逆變器各功率單元在任何調(diào)制比時(shí)，均能保持功率均衡的線(xiàn)性輸出。圖5中，在全調(diào)制范圍內(nèi)，各單元功率輸出分別為63.36%，23.52%，13.12%時(shí)的比較電平。

3 多電平逆變器仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證新提出的調(diào)制方法的正確性，本文通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。采用混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器拓?fù)?，直流電壓比V1∶V2∶V3=1∶1∶2;正弦調(diào)制波頻率為50 Hz，三角載波頻率為4 000 Hz。

當(dāng) 調(diào)制比ma=0.4，采 用傳統(tǒng)常值比較電平的混合多電平逆變器，其高壓?jiǎn)卧敵鲭妷?，波形如圖6(a)所示，在傳統(tǒng)調(diào)制策略下，輸出電壓為零電壓，導(dǎo)致輸出功率分布不均衡。系統(tǒng)總諧波畸變?nèi)鐖D6(b)所示。而采用新調(diào)制方法的高壓?jiǎn)卧敵鋈鐖D7(a)，單元仍線(xiàn)性功率輸出，各單元間功率輸出比成線(xiàn)性。

圖6 仿真輸出波形

圖7 仿真輸出波形

圖8 仿真輸出波形

當(dāng)調(diào)制比ma=0.8時(shí)，新的調(diào)制策略的合成輸出電壓與采用傳統(tǒng)調(diào)制策略的合成輸出電壓相比，高壓?jiǎn)卧β瘦敵稣急扔兴岣?，有利于各單元保持功率均衡。如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)采用傳統(tǒng)調(diào)制策略的混合多電平逆變器各單元輸出功率，特別是低調(diào)制比時(shí)，功率分布失衡的問(wèn)題。本文在混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器調(diào)制策略上做出改進(jìn):

(1)新調(diào)制策略并不改變輸出電壓諧波畸變。

(2)在全調(diào)制比范圍內(nèi)，改變比較電平的取值從而調(diào)節(jié)輸出單元功率分布的新調(diào)制策略。

仿真結(jié)果表明，各單元輸出功率隨調(diào)制比成線(xiàn)性變化。新調(diào)制策略可以有效的均衡各單元功率分布。

從仿真驗(yàn)證的結(jié)果可以看出，新調(diào)制策略下，相合成輸出電壓并沒(méi)有變化，單元功率分布呈線(xiàn)性關(guān)系;單元間內(nèi)部功率流動(dòng)將發(fā)生較大的變化。因此對(duì)低壓?jiǎn)卧拈_(kāi)關(guān)損耗及鉗位電壓的影響需要進(jìn)一步的研究。

［1］胡天彤，白首華，海路，等.一種非對(duì)稱(chēng)多電平逆變器的研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42(1):4-6.

［2］楊興武，高淳，姜建國(guó).混合多電平逆變器調(diào)制技術(shù)研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(10):47-51.

［3］張?jiān)?，孫力，王要強(qiáng).非對(duì)稱(chēng)混合多電平逆變器功率均衡方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(18):15-20.

［4］馮曉華，陳勁操，沈書(shū)林，等.混合級(jí)聯(lián)多電平逆變器在DVR中的應(yīng)用研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(2):92-94.

［5］JIE ZHANG，YUNPING ZOU，XIAN ZHANG，et al.Study on a modified multilevel cascade inverter with hybrid modulation［J］.IEEE Power Electronics and Drive Systems，2001，20(4):379-383.

［6］MANJREKAR M D，STEIMER P K，LIPO T A.Hybrid multilevel power conversion system:a competitive solution for high-power applications［J］.IEEE Trans on Industry Application，2000，36(3):834-841.

［7］鄭宏，黃健，孫玉坤，等.混合多電平逆變器拓?fù)浼罢{(diào)制方法［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(3):198-202.

［8］張?jiān)?非對(duì)稱(chēng)混合多電平逆變器調(diào)制策略及功率均衡控制研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［9］劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［10］C RECH，J R PINHEIRO.Impact of hybrid multilevel modulation strategy on Inputand outputharmonicperformances［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(3):967-977.

［11］周京華，蘇彥民，沈傳文，等.基于多點(diǎn)平逆變器通用組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)制策略研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(8):31-35.

［12］孫醒濤，孫力，張?jiān)?采用不可控整流的混合不對(duì)稱(chēng)多電平逆變器控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(9):43-49.

［13］徐赟，鄒云屏，丁凱.一種改進(jìn)型級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浼捌漕l譜分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(4):77-85.

［14］ZAMBRA D A B，RECH C，PINHEIRO J R.Impact of the hybrid multilevel modulation strategy on the semiconductors power losses［J］.IEEE transactions on Industrial Electronics，2006，32:2740-2745.

［15］M D MANJREKAR，T A LIPO.A generalized structure of multilevel powerconverter［J］Power Electronic Drives and Energy Systems for Industrial Growth，1998，1:62-67.