级联H桥多电平逆变器的新型SHEPWM开关方案

第48卷第10期 2014年10月 电力电子技术 8，0 0014 级联满园，蔡 鸿，李 宋 (华东交通大学，电气与电子工程学院，江西南昌330013) 摘要：级联各单元结构相同，易于模块化和扩展具有电 压冗余等特点，而得到了广泛应用。此处针对其多波段调制模式及特定谐波消除脉宽调制(统开 关方案存在功率不平衡问题，提出一种新的开关方案，该开关方案利用相电压冗余性，调整B，各单元电平输出。新开关方案使各波段输出功率更均衡，理论分析和实验验证了该开关方案相对传统方案 的优越性，对级联型多电平逆变器具有一定的实际意义。 关键词：逆变器；多波段：开关方案 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2014)10001903 A f E I 30013，is it of to at of a of is in he of is to be it to a to in o51 167006)；o201 141 引 言 出波形质 量好、输出滤波器尺寸小等优点，在中高压大容量 逆变器控制中得到了广泛应用。多波段术，秉承了传统时又 能解决传统献1 提出四段式开关模式下的阶梯波运用改进的同伦算法对其进行求解；文献【2】提出 了六段式开关模式的阶梯波，使调制比扩展到了 01的范围，但对于多开关模式的选择缺乏相应 系统性及理论性的指导，不具有通用性；文献【3】 提出一种级联型七电平逆变器双波段模式。可将 基金项目：国家自然科学基金(51167006)；江西省青年科 学基金(201 14定稿日期：20140228 作者简介：叶满园(1978一)，男，安徽蒙城人，副教授，研究 方向为电力电子与电力传动。 调制比扩展至0355，1，但其对充分合理的理论依据；文献46提出一系列功 率均衡控制策略用于解决该类方法应用于级联型 逆变器时出现的各单元功率不平衡问题。 此处针对上述所提出的的多波段术的传统开关方案存在功率不均衡问题，提出 一种更合理的开关方案。 2级联相级联七电平逆变器如图1所示。 H 图1单相级联七电平逆变器 ， ， 为直流电压源，大小均为E，i 为 后级滤波电流，同时，i 也是各单元输出电流和相 19 第48卷第10期 2014年1力电子技术 8，0 0014 电流。2,m，H ，H，输出电 压， 为逆变器相电压，即m+ m。其中， 每个单元桥输出3种电平状态。为方便描述，以单 元桥H 为例，定义电平状态如下： ，开关管V V 导通 m=8：葬羹薯 ： ：喜 () 【一层，开关管V ，V， 导通 3 多波段既电平逆变器梯形调制图2电平逆变器输出相电压波形的快 速傅里叶变换表达式为： 6 0， 为偶数 ( ) 16r=4E(肌)窆p (凡 )，凡为奇数(2) L k=1 式中：0蛳；b 为谐波系数；p 在+1，下降沿处记一1；此处定义调制比m=4个数。图2核心思想 为在调制度从大到小变化的过程中。如果采用传 统的谐波时得不到对应的开关角度值，就将相电压 波形中最高电平等级的电压波形向下镜像折叠 从而得到一个新的与较低调制度相匹配的相电压 波形。然后利用变换后的相电压波形建立新的 可求解出与较低调制度相 对应的开关角度。当调制度进一步减小时继续上 述过程。通过数值计算可知A。B。别为O485，107，O352，06451和【0，0391。因 此，采用这A，B， 将七电平逆变器的调制比拓宽至【0，107，这一点 对于电机变频调速控制具有重要意义。 ?H ? i； ；! 竺2 n 2 广广广叶 ；： ； 。 一 州 al a)七电平多波段b)级联七电平逆变器多波段控制 图2 of 新的多波段开关方案 41 统级联七电平逆变器多波段的0 段开关方案，如图33与 m， 。在直流电压源投入工作后，电流方向示意图如 图4所示。可见，当逆变器工作于始终处于充电状态。在某些电池供电场合，如太 阳能电池、燃料电池供电系统，长时间工作于此模 式将会加剧直流侧电压不均衡，使输出电压变形 影响波形质量。最重要的是，该开关方案无法运用 传统功率均衡控制策略，对逆变器进行均衡控制。 (a)传统方案 (b)新方案 图3 波段开关方案 一 图4传统 of 此。这里根据级联型多电平逆变器相电压 冗余特点提出了图3。重新分配脉冲后，逆变器各单元只工作于放电 状态这将有利于对逆变器进行功率均衡控制。 令i 滞后相电压基波 。角度 ，则有： 1= 1p) (3) 式中： 为相电压基波幅值；为基 波角频率。 根据图3b，以例说明 功率计算过程，令单元输出电压 1(H 则有：I)1) 周期对 称的函数。根据傅里叶分析可得： r丌 ul(m) ( )1 wt)d(ot)=2E() U 由i 和1)算式可知H 输出瞬时功率为： 1)：1)I) 一 )2 (5) 由式(5)可知H 输出有功功率为： Po(m) 1 (6) 用同样方法可求得，H：有功功率为： Po(m) 1)=p(7) 周期对称，用a。，1Ta 分别替代式(7) 中的o,2和Po(m)=2T (8) 根据以上计算过程计算出传统联各单元输出功率，在新方案中H 与H 的输出 功率相等，均为巩一传统方 案中前者与后者的功率方向不一样。因此，则认为 新的开关方案比传统方案更趋于功率平衡，更有 利于做功率均衡控制。 42 5于是将 此，与传统，无法进行功率均衡控制，且可能出现直流电压 源变化，输出波形变形等问题。为此，这里提出了 图5= 11 i：； -： _H H ：i； ?_H HH l ：i； 开0l ! n! n r 日 丁f。 3 _2 H 卜_一： (a)传统方案 (b)新方案 图5 波段开关方案 种方案中输出有功功率对照如表1所示。 发现新的H，输出功率相 等，传统方案中P0 m 为负，表明单元处于充电状 态，这不利于改善波形质量及均衡功率。 表1 o(m)Po(m)Po(m) 传统方案 2A r 一2,4 r 2A T 新方案A(2A ( A=E一”表示吸收功率。 5新开关方案可行性验证 为验证新方案可行性这里在单相级联七电 平逆变器实验样机上进行可行性验证。该样机采 用3120作为驱 动。开关管选择入直流 侧电压为22 V，224 于新 的开关方案打破了传统方案的完全14周期对称 结构，是，此处拟采用计数 器实现多电平逆变器的多波段实验中，325。开关 角度采用同伦算法结合牛顿迭代法求得，个角度分别为44907 3。76418 9。和87531 4。， 实验波形及频谱如图6a，波段3个角度 分别为26431 8。，38545 3。和50457 5。，实验波 形及频谱如图6c，吾 违 量 垂垂 言言 (125 ) (b)m=03时相电压频谱 t(2 ) f(125 ) (c)m=025时相电压波形(d)m=025时相电压频谱 图6实验波形及频谱 图6c，7次谐波得到了消除，即 验证了多波段同时也证明了采用计数器方式实现低频次 以获得不错的效果。 6 结 论 此处针对多波段联多电平逆变器时出现的功率不平衡等问题进 行了理论分析和研究，提出了一种新的开关方案， 该方案利用级联多电平逆变器输出电压的冗余 性，调整了B，调整后的脉冲模式各衡。且易于实现功率均衡控制。理论分析和实验 验证了新方案应用于级联多电平逆变器的正确性 和可行性，以及相对于传统开关方案的优越性。 参考文献 1】宋平岗，官二勇级联多电平逆变器全调制比的特定 谐波消除J电工技术学报，2006，21(9)：8187 【2】 N， M， J，et - o 004，19(2)：4783官二勇，宋平岗，蒋一泉链式逆变器低开关频率的双 波段研究【J】电工电能新技术，2006，25(1)：5458