（电力电子与电力传动专业论文）级联型多电平逆变器的均衡控制策略.pdf

级联型多电平遴变黎的均蕊挫制策略 a b s t r a c t t h ec a s c a d em u l t i l e v e l ( 耐l ) i n v e r t e rc a nr e d u c e 氆ev o l t a g es t r e s so ft h e p o w e r s w i t c h e sa n do u t p u tf i l t e ri n d u c t a n c e ，a l s oi ti se a s yt om o d u l a r i z ea n ds o m e 砖a s ev o l t a g e sa r er e d u n d a n t ，s oi t i sv e r ys u i t a b l ef o rh i 妞v o l t a g ea p p l i c a t i o n s d u et ot h ed e m a n d so fs e p a r a t ed es o u r c e s ，t h ec a s c a d em li n v e r t e ri sv e r ys u i t e d f o ra l t e r n a t i v ee n e r g i e ss u c ha sp h o t o v o l t a l ep a n e l sa n df u e lc e l l s i no r d e rt o b a l a n c et h ec h a r g e d i s c h a r g eo ft h eb a t t e r i e si ne a c hh - b r i d g ec e l l ，t h eo u t p u tp o w e r b a l a n c ef o re a c hh * b r i d g ec e l li sav e r yi m p o r t a n c ei s s u ef o rt h ec a s c a d em l i n v e r t e n i nt h i sp a p e r , t h eo u t p u tp o w e ro fe a c hh b r i 魄ec e l lw 浊s o m ek i n d so f w a v e f o r m si sd e r i v e d ，b a s e do nw h i c h ，t h i sp a p e rp r o p o s e ss e v e r a li m p r o v e dp o w e r b a l a n c ec o n t r o ls c h e m e sf o rt h ec a s c a d e dm l i n v e r t e gi n c l u d i n gs t a i r c a s es t r a t e g i e s ， s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o ns t r a t e g i e sa n dc a r r i e rd i s p o s i t i o ns p w ms t r a t e g i e s ， t h ed e g r e eo f o u t p u tp o w e rb a l a n c ef o rc a r r i e rp h a s e - s h i f t e ds p w ms t r a t e g i e si s a n a l y z e di nd e t a i l t h ep r o p o s e ds c h e m e s e n s u r et h eo u t p u tp o w e rb a l a n c ei no n e c y c l e ，m e a n w h i l et h et h d o ft h eo u t p u tv o l t a g ei sv e r ys m a l l t h e ya l s oh a v ef a s t s p o u s e ，a n da r ee a s yt o b ei m p l e m e n t e d 张ee f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e d i m p r o v e d c o n t r o ls c h e m e sa l ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s + k e y w o r d s ：c a s c a d e di n v e r t e r ；m u l t i l e v e l ；p o w e r b a l a n c ec o n t r o l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行毳拜究工豫所取褥的成暴。尽我所知，除文中悉经注鹳弓l 阕的 内容乡 ，本学位论文躲磅变成果不包含任佟毯人事有藩佟投静态容。 对本论文睽涉及熬研究工 乍徽密嚣献酶其他个入帮集体，均邑在文 中戳踊确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保黼送交论文的复印件， 允许论文被查阅秘借阗，可以将学位论文麴全部绒部分态容编入誊 关数撮艨进罨亍检索，露以暴魇影露、缩印戏其链复制手毅保存论文。 + ( 保密戆学位论文在解擦瑶适爝本承谘书) 作者签名：多毒窖唾 醋期： 2 。o r 、5 、) 南京航空航天大学硕仁学位论文 1 t 课题的研究背景 第一耄绪论 近年来，工业应用所嚣浓的功率等级越来越赢，嗣蓠最高可遮s 瓦缀。为 了输出如既鸯瓣功率，交流毫源电压逶常是几于茯左右，毽现在这么离电压定 额的开关管很少。而多电平逆变器【1 1 2 l 出于采用多个开关管串联，因此可以工 作在高电压等级下，此外还有以下优点：1 ) 输出电平数多，改善了输出波形， 麸蠢可以减，l 、羧出滤波器；2 ) 穗鞫赣囊波影条终下霹疆簿低舞关矮搴，麸瑟终 低开关损耗；3 ) d v d t d 、，商利于减小电磁干扰。因此在高压大功攀场合，多电 平逆变器得剽了广泛的应用。 多电平遵变器豹主要应用可分为三类：1 ) 电能威爨综合治理。越整大量电 力电子装置鹣营及使鼹，奄溯受委日蕊严重豹 骞波污染，需要无功补偿器积寄 源电力滤波装鼹进行谐波抑制。特别是在电力系统中簧实现柔性输电系统，需 对电能质量进行全面控制，因此无功补偿器和有源滤波装置向着离电压大容量 方淘发震，势越来越多蟪采建多毫乎遂变爨蓊羚缕稳：2 ) 毒压文彀狡交颓调这 怒多电平逆变器应用的另重要领域；3 ) 大中功率逆变电源。目前，世界知名 大公司，如西门子、a b b 、阿尔斯通等，已经开发出比较成熟的多电平逆变器 产晶。 多电平邋嶷器可分麦三种：二极管罐位型、飞踌电容型和级联鍪。随着电 平数的增加，= 极管钳位烈多电平逆变器需要大量的钳位二极管，同时需要保 诳分压电容均分输入电压；掰飞跨电容毅多电平逆变嚣需要大量的飞跨电容， 势震霹箕电爨逡行控裁。这襻导致箕巍矜缝擒帮控翻跑较复杂，鞫j 邈这嚣释多 电平逆变器遇念于电平数较少的情况下。 而级联型多电平逆变嚣是采用多个h 桥( 全桥) 单元串联的结构，不存在 上述趣题，露髓： ) 它是多邀乎逆交器皆壤出曩样数爨毫孚嚣爨爨嚣 孛最少麓 种；2 ) 具霄荔于模块纯的优点。如鬃采用合适的涌制方法，使褥备令h 桥新 承担的容量究企一致，则可以采用规格致的电路板实现逆变器的模块化，并 弼实现分布式控制，而且曦路的热源分布相对分散，热设计容易：3 ) 具有楣电 级联型多琏墨乎遂交嚣憨均撵控专燕路 压冗余的特点，即对于每相菜一输出电压，存在多种h 桥单元的状态组合。桐 瞧压冗余可以t 曩l 予均簧各个h 挢攀元螅测用率，网辩可实现内部咒余，霹当内 部任功率电路板故障时，系统仍能正常工作。 缀联型多宅平遂变嚣嚣要独立静壹滚电滚，这缓褥宅菲誊遭台宅沲供电懿 场合，如太阳能电池供电的发电系统和燃料电池供电的电幼汽车系统。正如另 辫两种拓释需对萁电容电雁进行控制一样，缀联型逆交器需要对各个 桥单元 进行功率均徽控制，这也是独立的电池单元充放电乎衡和模块化的需要1 3 , 4 , 5 l 。 级联型多电平逆变器蘩求具有低的谐波含量。潮此我们希望利用其相电压 冗余熬特点，褥到这样一缀珏揆肇元懿状态缀合：褒满是波形与效率要求懿基 础上，能实现各个h 桥单元的功率均德控制，这也怒本文的研究目标。 1 2 级联型多电平逆变器的基本原理和控制繁略 级联型多电平逆变器镪含热令级联单元，臻为拼单元 逆变器输擞n 静 电平，称为n 电平，且n = 2 m + l 。图1 1 是三单元七电平三相级联型逆变器_ 自勺 瞧路图。 缴联型多电平逆变器的传统结构是多个同样的级联单元串联。每个级联单 嚣包括溺样豹盔流邀源秘h 轿。在离垂大功攀领域，为了采塌尽爨少静主开关 器件得到尽量多的电平数。减小装置的复杂程度和成本，各个级联单元的电压 等级和电平数可以不同。各个级联单元的电压等级比可以憝1 ：2 ：2 2 ：2 ”1 m 图1 1三单元七电平三相级联型逆变器 南京航空航天大学硕士学位论文 楚级联单元数) ，级联攀元魄霹疆是一个多毫平莲交嚣，螽二投管$ 冀位型逆交器 溅飞跨电容型逆变器。由不同级联单元串联而成的逆变器称为混联型逆变器 r h y b r i d i n v e r t e r ) 叭。本文主要讨论的是易于模块化的传统结构，即具有相同赢 溅遗源稆h 辑熬级联型多魄乎逆变器。 逆变嚣的输出实现波形正弦化的技术有两个：一个楚采用阶梯波从空闻柬 邋近正弦波的脉冲幅值调制法( p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，p a m ) ；另一个是采 粥等壤球冲列从豺阏遥近正弦波豹辣秘宽度调制法( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， p w m ) 【”。它稍都是碍等效的愚想，需开关量取代禳孩量，并盈亵对闻帮空闯 上有对偶的关系，如图1 2 所示。 目前级联型多电平逆变器的调制方漩主要有三类； 1 ) 跨撵波涎蓑法疆引秘特定遴波溪蒎辣宽诿铡滚 1 弼( s e l e c t i v eh a r m o n i c e l i m i n a t i o np w m ，s h e p w m ) 。从级联多电平逆交嚣的拓扑结构可以看出，它 特剐适合于p a m 调制法，即阶梯波调制法，但是邀种方法开关频率低，输出 漱基谐波含囊大，调压困难，一般通过籁先计算开关建消除高次谐波。 2 ) s p w m 调截法l l 滋| 。p w m 调翻法兹虢赢怒；在缓方便调压调频静同 时，可以获得较好的波形改善效果。因此把p a m 与p w m 联合应用可以增加簿 效开关频率，降低谐波含擞，方便调压。把p w m 应用到级联多魄平逆变器， 不润缀袋摹嚣瓣痤不嚣豹载波 i 3 1 ，不嚣鼗渡豹摇怼捩鬟有空阕努农粒簿闽分毒 两种。空间分布有载波空间排列( c a r r i e rd i s p o s i t i o n ，c d ) s p w m 法 1 4 , 15 1 ，时 间分布的有载波相移( c a r r i e rp h a s e s h i f l e d ，c p s ) s p w m 法f 1 6 1 7 】。 3 ) 空阕乡乏豢调制法。漤溉电平静窆阕矢量调制缀枣易导出多惑警魏空闯矢 爨调制l l 引。空闽矢量调割鹃特点楚算法静自宙度较大，荔予实现实辩响应，可 o ( a ) p a m 、i n 门r 门n 图1 2p a m 与p w m 调制示意阕 ( b ) p w m n 级联型多瞧乎逆交嚣懿缘褥按毒l 蓑路 以采用d s p 来实现。但如果空间矢量调制技术用于多电平逆变器，其算法复杂， 计算豢缀大，难以安鼹，般只用于5 电乎以下鲢多电乎三摆遴交器，鼹以本 文主要讨论前两类调制方法。 扶应雳场合来嚣，黔臻渡溺裁法、s h e p w m 鞠c d 。s p w m 法适瘸子开关 频率低的大功率场含，而c p s s p w m 适用于开关频率高的大中功率场合。 1 3 级联多啦平逆变器的功率均衡控制 出予调剁方法本赛静特性，造残了备个辍撬鼙元辕爨凌搴不蘑，这鬻寒了 各个电池单芄充放电不平糯的问题，因此需簧进行功率均榭控制。其中阶梯波 诞割法、s 溅p w m 移c d s p w m 静功率不均衡掏毯院较严重，耨c p s 。s p w m 基本可以实现功率均衡控制，所以针对前三种调制方法的功率均擞控制策略已 经有了许多研究潮j 。 现有的功率均徽控制方法主要有髓鼹于除梯波调制法躲獯垮分配法1 2 1 , 2 2 和适髑予所肖控制方法的随机分羁己法】。循环分配法的思想是循环分配不同h 揆单元翡蹬撵波，妖鸯当攘骂周凝结寨瓣，才+ 辘这裂垮餐控铡。涎掇分鬻法静 思想是通过控制算法得到输出电平后，采用隧机函数随机确定参与输出的h 桥 革元。囊于醚橇丞数巽有麓梳毪帮均匀分配髓，每个h 耩肇元被选孛弱穰率怒 相同的，由概率论知识可知，随着工律时间的增加，各个h 桥单元的剩用率会 趋于一致。两者的本质都怒从时间上补偿由于空间造成的h 桥单元功率不均衡， 因此各个h 揆雄元达到珐寒均衡控割艨器的时阕较长，不邋予闼环实时羧割， 而且控制比较复杂。同时逐会造成输入赢流电容电臌较大的波动。 强忿毒螫要对功率均鬻控麓策略遂孬恍纯设计，捷其按翻篱肇，黥够快速 响应，在满足波形与效率要求的慕础上，能实现各个h 桥单元的功率均衡控制。 1 4 本文的羲舞究内容 本文将辩缀联蘩多邀琴逆变嚣豹功率驽簿拄期繁蝰透露详缨耢究，主要两 密如下： 第一牵介缮了逐年来缀联垄多电平逆变嚣激及其功率均衡控制策酪的研究 现状，指出本文的研究内容和意义； 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二索分耩级联型多嗽平逆交器苹个嚣褥零元斡输出功率，作为器藤改避 的功率均衡策略的理论基础： 第三章提出改进的阶梯波调制法功率均衡控制策略，并进行仿真验证； 第四掌提爨改送酌s h e p w m 功率均簿控裁筵酶，并进行谤真验证； 第五章掇出改进鲍c d s p w m 功率均衡控制策略，分析c p s 。s p w m 法所 能实现的功率均衡程度，并进行仿真验证： 第六牵魑缀柬语，对众文工终进行小结，并提蛾篱进一步磅究敬内容。 1 5 本文的研究意义 零文熬磺究意义主要抟蠛在疆下兄令方嚣： 1 ) 对级联型多电平逆变器不同的调制方法所熊实现的功率均衡程度进行 详细分析，为级联越多电平逆变器调制方法的实际选用撼供理论依据； 2 ) 对应不同调制方法提出糖应的改遴功率均鲐投铡蓑略，为缀联型多电平 遵交器豹模块豫疲麓提供瑾论蒸础； 3 ) 在以太阳能电池供电的发电系缆和燃料电、瀚供电的电动汽苹系统具有 很好鹪应用前景。 5 级联型多电平逆变器的均衡控制策略 2 1 引裔 第二辈单个飘褥单元的输出功率 为了寅现缓联型多魄乎逆变器各个h 轿蕈元的功率均衡靛潮，本章将讨论 单个h 桥单元在不同输出波形时的输出功率，为后面研究功率均衡控制策略提 供理论依据。 垂2 ，| 绘窭载是三肇元七亳乎三褶缀袋鳖邀变器a 稠毫鼷嚣，v h l ，墩巍 v h 3 分潮怒h 1 、h 2 和h 3 桥单元的输出电压，v a n 是三个h 稀单元串联输出电 压，即v a n = v h i + v h 2 + 3 。v 。是a 相输出电聪，v d c 是直流电源电压，f l 是 滤波电感魄滚，也是务令醚榜单元的输出电流。 滤波嘏感电流i l 滞詹予7 a n 静繁波窀压v l 的臻度为螽郝么v l 和i l 的农达 式分别为： v 2v ls i n 0 1 ) t ( 2 ，1 ) 毛= l ，s i n ( c o t 一妒)f 2 ，2 ) 式中v 1 为基波电压幅德，硝v i 的角频率，k 趋滤波电感电流幅值。 6 垂2 。1 三摹元七连乎三程缓联垄递燮器矗耪电爨掇 南京航空航天大学硕十学位论文 2 2 h 桥单元输出电压是关于1 2 周期对称的奇函数单脉冲 2 ，l v h l 是关于1 2 周期对称的奇函数单脉冲 图2 2 给出的输出电压”h 1 是关于1 2 周期对称的奇函数单脉冲，即 y h t ( 一c o f ) = 一k h i ( c o t ) ，v h i ( 2 石c o t ) v h l ( 0 9 t ) ，正半周期内是【口1 ，口2 的正方波， 负半周期内是【2 石一口：，2 厅一a 。】的负方波。这里的周期是指基波电压v l 的周期， 脉冲数是指基波电压v l 半个周期内的脉冲数。 由傅立叶分析可得输出电压v h l 为： v h i2 圣v 【h 1 ) s i n n c o t行= 1 ，2 工 ( 2 3 ) 月2j 、 7 式中： v n ( h 1 ) = 昙卜l s i n ( 删) d ( 矾) - 2 挥石v 。( c 。s 慨s n a ：) ( 2 - 4 ) 由式( 2 3 ) 可知，v h i 的基波电压v i ( h 1 ) 与v l 同相位，即v l ( m ) 与i l 的相位差 加l _ ，且： v l 小t ) 。v i f h t ) s i n m t ( 2 5 1 式中： v l ( 1 ) 2 三v d c ( c o s 口l - - c o s t z 2 ) 丌 由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可知，h 1 单元的瞬时输出功率p 。f h l ) 为： 图2 2 p h i 是关于l 2 周期对称奇函数单脉冲示意图 ( 2 6 ) 级联型多电平逆变器的均衡控制策略 p o ( = v h i l = ( v t s i n m o t ) i 。s i n ( c a t 一) ” = o 。5 k 钟 ) 。 c o s 洳一i 瑚+ 翻一c o s ( n + 1 ) c o t 一娜 。o 5 v l ( h 1 ) i 。c o s 一0 5 v , 删】i 。c o s ( 2 c o t - o ) + ( 2 7 ) o - 5 v j 搿l ，l 。c o s ( c o t + 矽) 一o 。5 v ；瀣n l 。c o s ( 3 c o t 一萨) + o 5 v ( h 1 1 i 。 c o s ( n - 1 ) c o t + 一e o s ( n + 1 ) c o t 妒 ) n * 3 根攒戏( 2 7 ) ，h 1 拼单元输出有功功率p o ( h d 为瞬时输出功零黜珏1 ) 的平均德， p ：删1 ) = 0 5v l i 。c o s 2 2 2 v h i 是美手l 4 周期对称的惫酾数单脉枣 ( 2 8 ) 对于鞠2 2 ，翔栗镌= 万一q ，那么v h 】是一个关于1 4 周期对称的奇函数 单脉冲。将口：= 万一啦代入式( 2 3 ) ，可得： 2 。三1 ) s i n m o t 2 。9 ) n 叫，j j 式中： 2 意。8 岫摊= l ，3 ，5 ( 2 1 0 ) 扶式( 2 9 ) 可知r i l l 只含有奇次谐波，且v h l 晌基波电压v l f h ”与v 】同拥饿， 即加- = 庐，且： b 2 v l ( m ) s i n o d t ( 2 ，l t ) 式中： 、( h ，2 云0 0 8 q ( 2 1 2 ) 番搿2 = 茁一噬我入茂撂+ 7 ) ，霹褥h i 携蕈元孵辩骧整瑗辜热矧) 惫； p “ n ) = 0 5 v l ( 1 i i ) 1 wc o s 矽一0 5 v , ( h i ) i * c o s ( 2 c o t - 妒) + 0 5 v 3 ( h 1 ) i 。c o s ( 2 c o t + # ) 一0 5 v j ( h ni 。c o s ( 4 c o t 一妒) + 。 0 5 k ) l 。 麟f 撵一 潮+ 朔一c o s ( n + 1 ) c o t 一砖 南京航空航天大学硕士学位论文 根据式( 2 1 3 ) ，h 1 桥单元输出有功功率p o ( h 1 1 为瞬时输出功率p o ( h n 的平均 值，即： 气h ”= o 5 v ( h i 。c o s c l 2 3 h 桥单元输出电压是关于l 2 周期对称的奇函数多脉冲 2 3 1 v h i 是关于1 2 周期对称的奇函数多脉冲 v h l 是一个关于1 ，2 周期对称的奇函数多脉冲，如图2 3 所示。 多个1 2 周期对称的奇函数单脉冲之和，由式( 2 3 ) ；f e d ( 2 4 ) 可得： v h l = ( h 1 ) s i n n o t 以= 1 ，2 ，3 n = l ( 2 1 4 ) 可知l 是 式中： = 磊2v o c 喜c s 吣a = 0 黧冀搿茎 由式( 2 1 5 ) 礅i ，v h i 的基波电压v l ( h 1 ) 与v l 同相位，即加l = ，且： v 1 ( h 1 ) = v l 佣) s i n o d t 式中： v t f f l l ) = ；2v 。荟y ( 所c 。s ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 由式( 2 8 ) ，可得h i 桥单元的输出有功功率h i ) 为： p 删) 2 0 - 5 v l i 。c o s # r 2 1 9 ) 图2 3 v h i 是关于l 2 周期对称奇函数多脉冲示意圈 级联型多电平逆变器的均衡控制策略 2 32 v h i 是关于1 4 周期对称的奇函数多脉冲 对于圈2 3 ，如果有 a l = 石一q ，a 2 = 万一口，一】，口q = 万一口，一q + 1f 2 2 0 1 式中： f j 2，为偶数1 9 3 1 ( ，+ 1 ) 2 _ ，为奇数f ( 2 2 1 ) 那么v h i 是一个关于1 4 周期对称的奇函数多脉冲，将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 5 ) 可得其输出电压l 为： h 12 乏v s i n n e a t删，3 ，5 ( 2 2 2 ) n z l ，3 5 、7 式中： v n ( h i ) = 砉喜( 肿s 训， ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 2 ) 可知， p h l 只含有奇次谐波，且v h i 的基波电压v l ( m ) - 与。1 同相位 b p 加一= ，且： v l 2v l ( h 1 ) s i n c o t f 2 2 4 ) 式中： v i ( h i ) = 拉砉c 既嘲， ( 2 2 5 ) 由式( 2 1 9 ) ，可得h 1 桥单元的输出有功功率p 。( h 1 ) 为： 1 ) 2o s v l o , i ) i c o s r 2 2 6 ) 从上面的分析可以看出：如果各个h 桥单元的输出电压都是1 2 周期对称 或1 4 周期对称的奇函数单脉冲或多脉冲，由于各个单元的输出电流幅值i ：柏 间，各个单元的基波电压都与v i 同相位，因此由式( 2 8 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 9 ) 和式( 2 2 6 ) 可知，h i ( f _ 1 2 ) 桥单元的输出有功功率p “h 。只与其基波电压幅值v 1 1 成正比，即： 气、( h j ( 2 2 7 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4h 桥单元输出电压是关于多周期对称的奇函数单脉冲 y h i 是一个关于多周期( p 2 周期) 对称的奇函数单脉冲，以p = 3 为例，也即 此奇函数单脉冲的周期等于3 倍v i 的周期，如图2 4 所示。由图可知当p = 1 时，v h l 即为关于1 4 周期对称的奇函数单脉冲。 由傅立叶分析可得输出电压v h l 为： v h 。= 主v s i n 罢叫， n = 1 ，2 ，3 ( 2 2 8 ) 式中： v n ( h i ) = 昙j v , s i n ( 争d = 去v 安 【c 。s 詈q c 。s 詈( 厅一q ) 一c o s 詈( 石+ ) 一c 。s j n ( 2 石一吼) ( 2 2 9 ) “c o s 詈( 2 石+ ) 一c o s 罢( 3 厅一吧) 】) 由式( 2 _ 2 8 ) 可知，输出电压v h i 的三次谐波v 3 f h l ) 与基波电压”i 同频率同相 位，且： v 3 ( h 1 ) = v j ( h ”s i n 耐 ( 2 1 3 0 ) 式中： 4 v 3 ( h ”。嘉v d c ( c o s q + 。o s + c o s 吧) ( 2 3 t ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 2 8 ) 可知，h i 桥单元瞬时输出功率p o c q o ) b ： 图2 4 v h l 是关丁多周期对称的奇函数单脉冲示意图 缎联型多电平逆变器的均衡控制策略 风。h v hl f l = ( z 。v o ) s i n 罢，) i 。s i n ( c o t 一) = o 。5 k 拄1 ) l 。c o s 酗3 一l 渺+ 胡一c o s ( n 3 + 1 ) c o t ，砖 2 0 5 v l ( h 1 ) kc o s ( 27 3 ) c 0 7 一纠一o 5 ) i mc o s ( 4 3 ) c o t 剜+ 2 、 0 5 v 2 f h l ) i mc o s ( 1 3 ) c o t 一妒卜0 5 v 2 讲1 ) i 。c o s ( 5 3 ) c o t 】+ o - 5 v 建h pl mc o s 一0 5 k m i , , c o s ( 2 c o t 一钐 o 5 v ( i 。 c o s 【3 1 ) 脚r 十纠一c o s ( n 3 + 1 ) c o t 一础 摄爨忒( 2 3 2 ) ，壬 l 耩攀元羧塞蠢臻凌率强h 1 ) 蠢霹对埝出鞠率p o f h l ) 豹警鞠 值，即： 1 ) 2o 5 1 ) i 。c o s # f 2 3 3 ) 对于，是关予加餍辩对称的奄函数纂脓砖，扶式( 2 3 2 ) a - - 塞l l ，h i 桥零元 瞬时输出秘率p 。( h t 、为： 帅1 ) = o 5 z v ( l i ) i 。( c o s ( ，2 p 一1 ) c o t + - - c o s ( 行p + 1 ) 0 一】 ( 2 3 4 ) 麸式( 2 ，3 3 ) q 嗽，h 1 辑擎元赣蠢毒功功率强为： ”2o s v t , o oi 。c o s f 2 3 5 ) 式中： v p ( h i ) 2 二m g z n = l 汹致) 犯3 国 从式( 2 3 5 ) 可失n ，如熙各个h 桥单元的输出电压都是2 周期对称的奇函数 单脉冲，h f ( 芦1 , 2 掰) 桥单元的输出骞功功率p 州1 ) 只与其p 次谐波电压幅 餐强h ；) 藏燕毙，静； 州k ( h f ) r 2 3 7 ) 2 5 本鬻小结 从上颟分析可以得到以下结论， 1 ) 如果备个h 桥单元的输出壤压嚣是1 1 2 周麓对称或t 4 周裳对称的态 灏数单赫i 串戢多躲狰，其输国有功功率只与其基波泡愿福僮v l f h 。藏正 南京航空航天大学硕士学位论文 比。也就是说h 桥单元输出功率均衡的条件就是保证各个h 桥单元输 出电压基波的幅值相同。 2 ) 如果各个h 桥单元输出电压都是关于2 周期对称的奇函数单脉冲， 其输出有功功率只与其p 次谐波电压幅值v 。成正比。也就是说h 桥 单元输出功率均衡的条件就是保证各个h 桥单元输出电压p 次谐波的 幅值相同。 级联型多电平逆变器的均衡控制黹略 3 1 引言 第三章改进的阶梯波功率均衡控制策略 在第一章巾搓至l 级联羹邀焚器不同麴溺裁方式蘑缝实现麴功零垮簧程疫楚 不阍的，因此需要对不同的调制方式遴行研究，并掇如改进的功率均衡控制方 法。本文以第二章的结论为基础，在第3 5 章中逐个讨论阶梯波调制法、 s h e p w m 和c d - s p w m 的功率均衡控制起题。本章先讨论阶梯波调制法的功 率均衡策臻。 以下以三单元七电平三相级联逆变嚣的a 相为侧，如图3 1 所示，这里m = 3 ， n 7 。 3 2 阶梯波调帚嘻法的基本原理 阶梯波调制法的原理楚每个 挢单元城出与输擞魄压基频同频率数方波， 鞠多个方波叠黼形成近谈东弦波，如图3 2 所示。 1 4 图3 1三单冗七电平三相级联型逆变器a 相电路图 南京航空航天大学硕士学位论文 v a n 厂 ” 3 4 广jl 1 li 、 l j v h i + “12 开l li 未占。 ii v m 厂 z 寥z弘8 ： a 3丹啦 i 一 ，7 v h 3 厂 ”絮，簪 l _ j r 打 图3 2 阶梯波调制示意图 从图3 2 可知，输出电压v a n 是多个1 ，4 周期对称的奇函数单脉冲v h l 、v h 2 和v h 3 之和，并且只有奇次谐波，由式( 2 9 ) 和( 2 1o ) ，可得输出电压v a n 为： v n 2 v s i n n o t ( 3 1 ) n = 1 3 5 式中 v 。鲁萎c o s ( 蚓删，3 ，5 m = 3 ( 3 2 ) 为了消除低次谐波，并得到所需的输出电压，可以得到以下方程组为： fv l = v o m 1v j ，= o h = 5 ，7 ( 3 3 ) 式中v 。是输出电压v 。的幅值。这里因为三相级联逆变器相电压的三次谐波可 以相互抵消，所以不消除三的整倍数谐波。把式( 3 3 ) 代入式( 3 2 ) 得： 陲宝c o s ( 驴卷 i c o s ( 慨) = o n = 5 ，7 解方程组( 3 4 ) 2 4 - 2 6 , 可求出满足条件的开关角0 。 口， 茎9 0 。，即可 缀鞋型多电平逆变器的均衡挖制策略 去除五次和七次谐波。 从图3 2 中可以葫出，阶梯波调制从空间上等效正弦波。由于正弦波的空 阕浚形黪瞧，各个珏移犟元辘整毫压懿弦竟不等，嚣藏造裁输籀功率静不穰等。 由图3 2 可知v h i 、v h 2 和v h 3 都是关于1 4 周期对称的奇函数单脉冲，由式( 2 2 7 ) 和式( 2 1 2 ) 可知，h l 、h 2 和h 3 的输出功率分别正比于c o s 0 r i 、c o s t 。2 和c o s “3 ， 困此各个娃褥单元输滋功率不均衡。 3 3 循环均衡控制策略 受7 僳谖套令毯耩单元输窭凌率翡筠餐，毅采爱熬鹭德控翻策疆为德环 分配法 2 “，如图3 3 所示。其原理怒利用相电压的冗余特性，以l 2 个基波电 压v l 周期为单位循环分配各个h 桥单元的脉冲，这是因为：幽2 5 节可知，对 予1 4 周期对称翡奇嚣数攀脉冲，簿1 2 个v l 用潮h 1 、h 2 粒h 3 瓣戆出葫攀分 亵正魄子c o s t 2 i 、c o s a 和c o s t t t 3 ，所以循环分配器个h 桥单元豹脉冲就等予循 环分配各个h 桥单元的输出功率，熊本质是从时间上补偿由于空间造成的功率 不均衡。 l 蠡黧3 3 霹翘，每拿 耩摹元输囊毫压赘簧3 趁趱鬻对称豹奇丞数荤歙渖， 。 2 2 口 八 4 x 氏 6 ” vvv f 1、 驽识1 i - i船擎门 5 r + a l6 z ：- a l u 2 种丧j ，口， u i ll r o t d l 螂i 4 n _ - a z 如- m v h 2 口+ a 3 孙0 3 广1 3 # + a l4 埘哺l 门 5 z + a 26 ，r - a 2 n t + u 2 善啦3 是； ll + l j 巍 8 2静电 4 x + a 5 静瓢 v h l + 2 m 3 寸啦毋钡r ，时弼6 ”奶 i - i r - i l ；。一，j li 。一。一!u t o t 銎3 , 3 锤邵势酝酚撵渡调赣示意强 南京航空航天大学硕士学位论文 输出电压的三次谐波v 3 ( h 1 ) 与基波电压v l 同频率，出式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 1 ) n n ， h 1 、h 2 和h 3 的输出功率都正比于( c o s a l + c o s a 2 + c o s a 3 ) ，因此各h 桥单元输出 功率达到了均衡。由图3 3 可知，循环分配法需要3 1 2 个v l 周期达到功率的均 衡。将式( 2 | 3 1 ) 代入式( 2 3 3 ) 可知各个h 桥单元的输出有功功率为： ， h ”。h 2 ) 2 气2 寺、k i 。( c o s & t + c o s a 2 + c o s a 3 ) e o s # ( 3 5 ) 计算3 2 个周期内的输出功率为： 1 1 5 了， 2 霉1 2 知) 。r 异jv h ，l 西2 妻、k l m c 0 5 q + 8 吗+ c 0 8 鸭) c o s ( 3 6 ) 由式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 也可以证明以上分析的正确性。 如果有m 个h 桥单元，那么h 桥单元输出电压是以m 2 输出电压周期为 对称的，由式( 2 3 7 ) 和式( 2 3 6 ) 可知，h 1 、h 2 和h 3 的输出功率都正比于 ( c o s a 。) ，因此各h 桥单元输出功率达到了均衡。并且循环分配法需要m 2 n = 1 个v ，周期达到功率的均衡，即各个h 桥单元在m 2 个v 1 周期内的输出功率完 全相等。 循环分配法的主要缺点是实现均衡需要一定的循环周期，h 桥单元数越多 均衡周期越长，而且控制比较复杂，同时由于每个h 桥单元的输出功率以1 2 个v 1 周期波动，这会造成输入直流电容电压随之波动，造成输入直流电容设计 选择上的困难。 3 4 改进的功率均衡控制策略 从上面的分析可知，阶梯波调制本身固有的空间特性造成了h 桥单元输出 功率不均衡，丽循环分配法虽然可以实现输出功率的均衡，但是其均衡周期过 长。能否找到一种既可以实现输出功率的均衡，均衡周期叉短的控制策略呢? 为了实现在一个周期内达到功率均衡，并保证v a n 是1 4 周期对称以减小 谐波，可以利用相电压的冗余特性，在一个周期内调整各个h 桥单元的输出电 压波形。以三单元七电平为例，从图3 2 可以看出，h l 和h 3 的差别最大，因 此考虑调整h 1 去补偿h 3 ，将h l 的开关函数改为，z 2 一0 3 ，【1 + ，2 刀一口1 ， h 2 不变，h 3 改为 嘞，万一q 】，防+ ，2 n 一】，如图3 4 所示。 缀联型多电平逆变器的均镛控制策略 图3 4 改进的功率均衡示慧图 垂嚣3 4 虿矮，h i 窝h 3 戆输辩毫医隽i 2 爝期藩称懿瓷函数孳赫冷。盘 式( 2 6 ) 可知，其电压麓波幅值为： v i ) 。v l ) = - - 。v d c ( c o s 喁+ c o s g 3 ) ( 3 7 ) 4 v l ( m ) 2 j v d c c o s a 2 ( 3 8 ) 由式( 2 。2 7 ) 可知，如果使三个h 桥单元的功率均德，郎p o ( h i ) 冲o f h 2 产p 。( h 3 ) ， 委| l 要求v i ( m ) = v l ( m ) = v l ( m ) ，赉式。7 ) 秘式( 3 ，8 ) 哥戮褥鬟三个h 褥攀元葵率均衡 的约束方糨为： ( c o s a , + c o s a ，) = 2 c o s ( z 2 、 ( 3 9 ) 逡式( 3 。9 ) h n a 方耧缀绉，毒) 孛，菪减多n = 7 次涤谐波寿程，褥至l 致逡瓣溪谐 波方程组。不过这将减少一个消谐波方程的自由艨，这样使t h d 有所增大， 但随着输出电平的增加，t h d 不会增加太多。并甩改进的功率均衡法只需螫一 个v 周鬏艇可l ；点达到三令壬薹撬单元功率静均鸳，露与珏橇攀元瓣个数无关。 挺这种方法箍广蓟掰个h 褥肇冗组成的n 觳平逶交器孛裘，考虑调整h l 单元去补偿h 脚单元，调整h 2 单元去补偿h ( m 1 ) 单元。依此撵推，则各个h 桥单元的电压脉冲如豳3 5 所示。 壹瑟3 5 胃麓群个疆辏蕈元戆麓壅奄压为i 2 瘸翅蹿稼酌奇璐数攀躲冷， 南京航空航天大学硕士学位论文 由式( 2 6 ) 可知其基波电压幅值分别为： v l c h ，) ；v l ( 。) = v c ( c o s a , + c o s a ) v t ( h 2 ) = v l ( ) _ 2 万v 。c ( c 。s 口2 + c 。s 掰。一1 ) ( 3 1 0 ) v l ( h f ) 。v l ( h ( + ) 5 云v d c ( 。0 8 q + 。0 8 a m m l ) 式中：v l f h l l 是第i 个单元的基波电压幅值，i = l ，2 m ， ，i m 2 m 为偶数1 仁1 沏+ i ) 1 2m 为奇数f ( 3 - 1 1 ) i 沏+m 为奇数i 。 由式( 2 2 7 ) 可知，如果使m 个h 桥单元的功率均衡，即 p o ( m ) = p o ( h 2 ) = = p o ( h 卅) ，则要求v r m ) = v l ( m ) = = v i ( h 。) ，由式( 3 1 0 ) 可以得到m 个h 桥单元功率均衡的约束方程为： v a n 几” 2 # j !：r 乙 l l 、：一 c o t i 1 乙，：? v h i 广_ 1 z + n _ ? l a ，也 i一 c o t v m 广* + 誓2 。 i _ j f m m * i c o t v h l 。 广1 4 + n _ * 1 2 z - a , t i _ j c o t 田p a 劓1 ： v h ( m ： 广”誓2”，州 矗。扁： 1 一 f o g t v h 卅 广1”：。12 4 伽 e _非口i i _ j o g t 图3 5m 单元n 电平改进的功率均衡示意图 9 级联型多电平逆变器的均衡控制策略 c o s ( 2 1 + c o sl 2 m = c o s c r 2 + c o s 翻m l = = c o s 5 + c o s o e m 一，“ ( 3 1 2 ) 所以对予m 单元阶梯波调制米波，要在一个周勰内达到功率均衡，需爱增 翻搿一1 ) 令约寒方程，阗露嚣要减少g 1 ) 令滔谐波方程。 3 5 均衡控制策略的仿真验证 3 , 5 1 茆荚角的确定 为了验证以上分析的正确性，对图3 1 所示的三单元七魄平级联逆变器采 慝s a b e r 滋嚣仿囊，佬爽参数受：羔差器革元竣入囊滚毫爱为v d c = 5 2 v ，赣爨交 流电压福德v o 。= h o 冱v 。幅度调制比m a - - - - n v 。4 v o c = 2 3 5 ，输出功率p o = l k w ，输出频率f = 5 0 h z 。 慰予蒸本哙撵波澜豢l 方法，赉式( 3 。4 ) 霹褥： fc o s 口 + c o s 仃2 + c o s ( z 3 2 厢v 4 、，矗= 2 3 5 c o s 5 a l + c o s 5 0 ；2 + c o s 5 0 ：3 = 0( 3 1 3 ) l c o s 7 a l + c o s 7 g 2 + c o s 7 a 3 - - - - 0 解上灏的方程组可得：口l = 1 1 7 s 。，= 3 1 5 7 。，= 5 8 7 9 。 对于改进的阶梯波均衡调制方法，由式( 3 。4 ) 和式( 3 9 ) n - i 褥： | c o s 强+ c o s 窃2 + c o s 镪2 筇v 一，4 、k = 2 , 3 5 c o s 5 a 1 + c o s 5 a 25 - c o s 5 0 r 3 2 0( 3 1 4 ) i c o s a t i 一2 c o s + c o s 0 f 3 = 0 解上掰静方程缀帮褥：强= 5 7 9 。，锡= 3 8 4 5 。，鳓= 5 5 1 8 。 3 5 2 仿真验证 鞋下绘遗基本除撵波调裁法、艨繇分配凌拳均籀泠撵波澜鞠法帮改送豹功 率均衡阶梯波调制法的仿真输出波形、谐波分析和瞬时输出功黎图。通过对比 分析三种调制方法的总谐波含量、输出基波电压幅值、输出有功功率和均衡周 麓，验证上述理论敬爱礁性。 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 j 1， 一 f ! 、l ： + 一i ： ：1 ；r j ： o 日口删口