（电力电子与电力传动专业论文）高低频组合式级联逆变器的研制.pdf

硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 a b s t r a c t an o v e lc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc o n s i go f h i g ha n dl o wf i v x i u e n c yu n i th a sb e e n r e s e a r c h e di nt h i sc h a r a c t e r t h ec o n l r o l lt e c h n i q u ea n ds y s t e ms t r u c t u r eo f l o w - f r e q u e n c y u n i ta n d h i g h - f r e q u e n c yu n i ti sa n a l y s i s e di nt h i sp a p e ri nd e t a i l 。t h ea d a p t i v em u l t i l e v e l s h e p w mc o n t r o lm e t h o db a s e do nn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d t h el l i g ha n dl o wf r e q u e n c yc a s c a d e di n v e r t e ri st h e o r e t i c a la n a l y s e di nd e t a i l a s q u a r ew a v ea st h eo u t p u to f t h el o wf r e q u e n c yu n i to u t p u tt h ea c t i v ep o w e ro f t h es y s t e m ， t h eh i g h - f r e q u e n c yu n i tw o r k si nr e a c t i v ep o w e rs t a t e ，c o m p e n s a t et h eo u t p u tw a v e f o r mo f t h el o w - f r e q u e n c yu n i tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es y s t e mo u t p u tw a v e f o r m t h e s i m u l a t i o np r o v e st h ep r o p o s e sc o n t r o lt h e o r yi sc o r r e c t f o rf l l r t h e ri m p r o v i n gt h eq u a l i t y o ft h eo u t p u tw a v e f o r m ，m u l t i l e v e ls h e p w mm e t h o di su s e df o re o n n 0 1 t h es i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n9w a v ep w ma n d5l e v e lp w m i sd e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t sh a s p r o v e dt h eh a r m o n i c sd e c r e a s e de v i d e n t l y i ns h e p w mc o n t r o lm e t h o d ，as e r i a lo fn o n l i n e a re q u a t i o n sf o r t h es w i t c h i n ga n g l eo f t h el o w - f r e q u e n c yu n i tn e e dt ob er e s o l v e d a sa r e s u l t t h eg m i v ef i t t i n gp r o c e s so fn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h es w i t c h i n g a n g l eo t t l i n e t h i sm e t h o dh a sa l s ob e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rs y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h ep r o g r a mo ft h ec o n t r o lm e t h o db a s e do i ld s p 2 8 1 2i sg i v e n s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n d i c a t et h a tt h ei n v e r t e rh a sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c a s c a d e di n v e r t e r ，h i g ha n dl o wf r e q u e n c yu n i t ，s h e p w m ，n e u r a ln e t w o r k 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：五蒸!研7 月如 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：薹童!凋年移日 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着电力、航空、船舶、卫星、石油等领域的发展需要，高压大功率逆 变器已经在工业上被广泛的应用于各种电气装置州1 。一般说来，逆变器开关频率低、 转换效率比较高，但转换输出的波形确比较差，含有相当多谐波成分的方波，影响了 逆变器的性能。随着科学技术的发展，工业领域的重大设备，以及城市交通车、电动 汽车等高新产品对电能质量的要求越来越高，所以，提高电力电子装置的功率容量， 改善其输出性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一。在逆变器的应用场合中， 急需电磁干扰较小的电力电子装置“。 基于多电平的逆变技术在这一领域得到了长足的发展，其逆变器装置通过半导体 功率器件的开通和关断，使输出的正弦波更接近于完美正弦波。多电平逆变器由于输 出电平数较多，因而改善了输出波形。此外它还有以下优点：1 ) 采用多个开关管串联， 因而可以在高电压等级下工作。2 ) 在同样的输出波形质量下，其开关频率低，开关 损耗小。3 ) 电磁干扰小，输出滤波器小。 多电平逆变器作为一种新型的高压大功率变换器，得到越来越广泛的应用。在得 到高质量的输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点，无需输出变压器和动态均 压电路，开关频率低，开关器件应力小，系统效率高。随着近年p e b b f a a o w c re l e c t r o n i c s b u i l d i n gb l o c k ) 技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，也 为多电平逆变电路拓扑的发展提供了有力的技术支持 图1 1 二极管箝位型电路结构 多电平逆变电路的共同特点是：1 ) 电平数越高。输出的电压谐波含量越低；2 ) 器件开关频率低，开关损耗小；3 ) 器件应力小，无需动态均压。 硕士学位论文高低频组合式级联逆变嚣的研制 多电平逆变器可分为三种：二极管箝位型；飞跨电容型；具有独立直流电源的级 联型“3 3 。 图1 2 飞跨电容型电路结构 二极管箝位型逆变器的多电平是由多个电容分压得到的，工作时需要保证电容电 压稳定。并且随着电平数的增加，其拓扑需要大量的箝位二极管。飞跨电容型顾名思 义则需大量采用跨接在开关器件之间的串联电容进行箝位，并需对其电压进行控制。 因此，上述两种多电平逆变器只适合于电平数较少，控制和结构都相对简单的情况下 。 级联型逆变器是在1 9 7 5 年由p h a m m o n d 提出并申请了美国专利，2 0 世纪9 0 年代后 期得到广泛使用“”。其拓扑是采用多个隔离的直流电源作为输入，中间级采用h 桥的 结构，输出端串联的形式。现在级联型逆变器广泛应用于高电压的电动机驱动、大功 率电源、大功率有源电力滤波等场合。高低频组合式级联逆变器是在传统级联型逆变 器上进行了改进，也是本文的主要研究内容。 1 2 级联多电平逆变器应用背景 1 2 1 级联逆变器技术 级联型逆变器由m 个h 桥单元串联组成，其串联输出端有n 个电平，当其输入电压 相等时，其输出电平数n = 2 m + l ，如图l ，1 所示。传统的级联逆变器为了便于模块化和 集成化，一般各个单元的支流电源和桥臂结构均一致。在高压大功率应用场合中，为 了实现输出的电平数最多，谐波最小，其独立的直流输入电压值也可以不同。 若将各独立的直流电源的电压值分别取e 、2 e 、4 e 2 ”1 e ，则其输出的电平数 增加到2 ”1 一l ；若各电压值分别取e ，3 e 、9 e 3 “e ，则其输出的电平数将大幅度 地增加到3 ”l ”。所以，通过配置各个单元的输入电压，可以尽可能提高输出电压的 电平，减小其谐波含量，从而提高了输出波形的质量。 2 硕士学位论文高低频组台式级联逆变器的研制 图i 。3 级联型逆变器示慈图 级联型逆变器具有多电平逆变器的诸多优点“，包括： 1 ) 多种输出电平改善输出波形和控制效果。 2 ) 低d v l d t ，较低的开关损耗，降低了对开关器件的要求，使中等功率的开关器 件可用于高电压场合。 3 ) 低的电磁辐射，可以满足高标准的e m i 指标。 4 ) 降低了输入电流的谐波，减小了对环境的污染。 5 ) 用于三相感应电动机驱动时，可以减小或消除中性点电平波动。 6 ) 功率管的开关频率低。 7 ) 安全性更高，母线短路的危险性大大降低。 另外，级联型多电平逆变电路有以下独特的优点”“”： 1 ) 输入端采用独立直流供电，不仅减少了箝位器件，而且各隔离直流电源在充 放电上是完全解耦，因此无需均衡电容电压。 2 ) 结构上为多个h 桥单元相级联，每个桥臂结构完全一致，因而可以模块化生产， 利于设备的扩容。 3 ) 各个h 桥单元工作相完全独立，只需对某一单元分别进行p w m 控制，然后将 其输出级联。由于其结构固有的相电压冗余性，使得其中一个单元发生故障时，可将 其旁路，不影响到其它单元的工作状态。 4 ) 便于实现软开关技术。通过对h 桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制策略 比较容易实现软开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置的体积。 级联型逆变器的缺点在于需要大量的隔离直流电源。在蓄电池供电场合这个问题 得到了部分解决，但又带来蓄电池组充放电不平衡问题。由于具有多个直流电源和器 件，级联型逆变器需要均衡各单元的利用率。在级联单元较多的情况下故障检测和诊 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 断交得比较困难。 1 2 2 级联逆变器的发展应用 级联型逆变器目前主要应用于无功发生器( s v g ) 、大容量的交流调速等场合。级 联型逆变器应用于s v g 时可以不需大容量的变压器，并且具有更快的动态响应性能。 国外级联型逆变器已应用于5 0 m v a 的s v g ，国内也有相关报道“1 。如图1 4 所示。 图1 4 级联型逆变器用于s v g 级联型逆变器适用于移动载体的交流驱动，由于移动载体一般采用蓄电池提供能 量，而蓄电池之间是电气隔离的，这就解决了隔离电源问题“1 。级联型逆变器应用于 电动汽车有诸多优点，降低了多个电池串联形成的高电压，降低d r d r 和开关损耗， 还有益于电动机中性点电压的稳定，如图1 5 所示。由于多电平输出，提高了控制效果， 有益于运行更平稳。 j 书 二c 专充电器 ：充电行使 转换开关 图1 5 级联型逆变器用于电动汽车 1 3 级联多电平的控制方法 级联多电平的控制方法可分为两大类：三角载波p w m 技术和直接数字技术( 空 间电压矢量法s v p w m ) ，它们都是两电平在多电平中的扩展。 1 三角载波p w m 方法 1 ) 消谐波p w m ( s h p w m ) 法。消谐波p w m 法的原理是电路的每一相使用一 4 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变罂的研制 个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的 幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。 2 ) 开关频率最优p w m ( s f o p w m ) 法。开关频率最优法的载波要求与s h p w m 法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量，使系统开关频率降低、效率提 高。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大最小值的平均值。所以 s f o p w m 法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。 3 ) 三角波移相p w m ( p s p w m ) 法。三角载波移相p w m 法是一种专门用于级 联型多电平变换器的p w m 方法。每个模块的s p w m 信号都是由一个三角载波和一 个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块 的三角载波之间有一个相移，使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而 使得各模块最终叠加输出的s p w m 波的等效开关率提高到原来的k 倍，在不提高各 模块开关频率的条件下大大减小了输出谐波。 4 ) 三角载波移相开关频率最优p w m ( p s s f o p w m ) 法。将p s p w m 法和 s f o p w m 法相结合，三角载波采用p s p w m 中的方法，调制波采用s f o p w m 中的 方法来确定。因此，最适用于三相级联型多电平交换电路。 2 空间电压矢量p w m 方法1 空间电压矢量p w m 方法在大范围的调制比内具有很好的性能，无需存储大量角 度数据，且母线利用率高。通过交替切换相应扇区的电压矢量合成逆变器输出电压对 应得实际空间电压矢量。但是，这样也带来了控制上的复杂性，应用于五电平以上的 多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。针对这一问题，发展出了一种新型的控制 方案，这种方法基于空间矢量p w m 控制思想，从三相参考电压到八个待选的空间矢 量和参考电压矢量，然后选择与参考电压矢量最接近的空间矢量。此法不受电平数增 加的影响，解决了算法随着电平的增加而非常复杂的问题。 1 4 本文的研究内容 论文对于高低频组合式级联型逆变器的电路拓扑及控制方法进行系统的分析研 究，并据此设计了一套基于数字控制的硬件试验平台。相对于传统的级联多电平逆变 器其输出谐波更小，波形质量更高，其仿真分析和试验结果对从事级联多电平逆交 器的研究人员有一定的参考价值。 第一章介绍了级联型多电平逆变器的理论背景及研究现状，指出本文的研究内容 和意义； 第二章分分析了高低频组合式级联逆变器的工作原理； 第三章详细分了高低频组合式级联逆变电路的控制方法。提出了基于s h e p w m 的神经网络控制算法，并进行了详细的理论分析和仿真验证； 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 第四章介绍了高低频组合式逆变器的试验平台，包括硬件电路的工作原理和软件 的设计流程及难点； 第五章对原理样机进行测试及带载试验，分析其波形和结果： 第六章对论文的研究工作总结，并对进一步的研究进行了展望。 6 _ 啜士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 第2 章高低频组合式级联逆变器的工作原理 传统级联型多电平逆变电路是由相同电压等级的h 桥功率单元级联而成，目前广 泛应用于多数高压变频器产品。近年来，一些学者对级联型逆变电路进行了理论上的 扩展，但尚未获得实际应用。因此有必要对已提出的新型拓扑结构进行深入研究，在 符合目前电力电子器件和控制技术发展特点的前提下，对传统级联型多电平电路结构 进行优化，以适应新型电力电子器件的不断发展，逐步降低级联型高压逆变器的体积 和造价，进一步推动其在高压电机节能调遽领域的应用。本章将阐述一种新型级联逆 变器的工作原理，并试图建立其数学模型，以便进一步确立其控制方法和公式推导的 理论基础。 目前所提出的级联型逆变电路结构每相由独立供电的h 桥功率单元级联而成，各 级联功率单元的电压等级和电平数可以不同根据级联单元的电压等级和电平数，可将 这些级联型逆变电路按图2 1 “”分类，为了引出高低频组合式级联逆变电路的原理， 首先对各种级联型逆变电路分别予以讨论。 r ，各单元电压相等( 传统级联型 厂相同电平数l 级联型 l 晰级联弋厂1 ：2 2 2 ： 级联型 iii 逆变电路 l 各单元电压不相等 l ( 混合级联型) i l1 ：3 ：3 2 ： 不同电平数h 桥级联 图2 1 级联型逆变电路分类 2 1 单元级联型逆变电路工作原理 2 1 1h 桥逆变单元 级联单元的主电路为单相电压型全桥逆变电路，两个半桥电路的组合，图2 2 为 逆变单元的拓扑结构“1 。曰桥由s 1 、s 2 、s 3 和s 4 四只i g b t 及反并联二极管组成。通 过对逆变桥进行p w m 控制使左、右桥臂的中点l 和r 之间输出幅值和频率可变的交流 电压。 7 一 v 挑 m 硕士学位论文高低额组合式级联逆变器的研制 图2 2 级联逆变单元拓扑结构 为防止直流母线发生短路，同一桥臂的两个i o b t 不能同时导通，因而来自控制系 统的i g b t 的触发信号中，s 1 和s 2 触发信号反相，s 3 和s 4 触发信号反相。这样四个i g b t 共有四种有效的组合状态：1 ) 当s l 和s 4 导通而s 2 和s 3 关断时，左、右桥臂的中点l ， r z 间输出电压为+ e ，i l p u o = + e ，如图2 3 中的区间i ；2 ) 当s 2 和s 3 导通而s 1 和s 4 关 断时，左、右桥臂的中点l 、r - z 间输出电压为e ：i i i u o = - e ，如图2 3 中的区间；3 ) 当s l 和s 3 导通而s 2 和s 4 关断时，3 ) 当s 2 和s 4 导通而s 1 和s 3 关断时，左、右桥臂的中点 l 、r 2 _ 间输出电压为0 ，即【，0 = 旬，如图2 3 中的区间i i 。因此，根据四个i g b t 不同的 状态组合，每个逆变功率单元能够输出3 种不同电平的电压，+ e 、0 和e ，如图2 3 所示。 图2 3 h 桥逆变单兀输出电压 全桥逆变电路输出电压“。的定量分析，“。展开的傅里叶级数为 铲等( s i n 耐7 1 协，叫+ _ s 1 协s 一一) 7 rlj， 基波幅值 u 咖：竺：1 2 7 e 基波有效值 u ，丝：o 9 eu 训= = u y 正 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 8 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 式中e 直流输入电压； u 。输出电压。 改变输出电压有效值只能通过改变输出方波的占空比来实现。 2 1 2 传统级联型逆变电路 传统的单相单元级联型多电平功率变换器由n 个结构相同的逆变单元将交流输出 串联叠加后形成多电平功率变换电路的输出。其输出可通过多个绕组变压器进行串 联，但增大了系统的体积和损耗：也可直接串联，但输入需要独立的直流电源，这种 方式适合于燃料电池及太阳能电池等输出直流电压得放电系统。叠加后形成多电平功 率变换电路，其相电压输出为： u = u o l + ( ，d 2 + + u 洲 ( 2 4 ) 级联型输出单元电压是n 个级联单元输出电压之和，故输出可以得到的电平有： 桃，- ( n - o e ，一e ，0 ，e ，州1 ) e ，n e 输出总的电平数m 为： m = 2 n + l ( 2 5 ) 也 图2 4 传统级联型逆变电路 图2 4 为两台全桥逆变单元串联而成的级联型逆变器，每台全桥逆变单元都有一 个独立的直流电源，设v i 。i = v 砬= e ，在a 、b 两点间将得到2 e 、e 、0 、e 、2 e 五个 电平的电压，如图2 5 所示。 广厂乙 一 l 一 圈2 。4 五电平输出电压 9 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 相对于中点箝位逆变电路，传统的级联逆变电路有下列优点哪! ： 1 ) 直流侧采用相互分离的直流电源，不存在电压均衡问题。 2 ) 结构简单清晰，控制方法相对简单，可分别对每一级进行p w m 控制。 3 ) h 桥单元结构，为模块化设计、制造带来方便。另外，当h 桥出现故障，可将 其旁路。余下的单元可以继续工作。 这种结构的特点在于每个单元需要一个独立的直流电源。随着电平数的增加，串 联电路单元使用的直流电源数也将大量增加。 根据u 。的5 种输出电平( 2 e 、e 、0 、，e 、2 e ) 和电感电流f ，的方向，每种开关 模态对应了2 种不同的工作状态，即该变换器共有1 0 种工作状态。 表2 1 开关状态与输出电平 输出电压开关状态 材 8s 1 j s t 2墨js j 4s 2 ls 嚣 s 2 3 s “ + 2 el 0 0 1 l0o1 10 0 11010 + e lo01o101 10101001 0 l o 1 l001 1010lo10 0lollol0 o1 0 l00101 0101 0 l01 1o0l0l10 o1101001 0l101ol0 e01lool01 1 0 l o ol10 0 1 0l011 0 2 e01l00l1o 表2 1 列出了功率器件的开关状态与输出电压电平之间的关系，l 代表功率器件处 于开通状态，o r 表功率器件处于关断状态。由表可得，同个输出电压电平对应了 几种不同的开关状态，其输出电压组合灵活多变，但我们只需关心一种状态即可。 2 1 3 混合级联型逆变电路 混合型级联逆变电路( h y b r i di n v e r t e r ) 是在保持与传统级联拓扑一致的基础上， 1 0 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 采用不同等级的输入电压，以此用更少的功率单元来获得更多的电平数“”。 通常，开关速度快的器件( 例如m o s f e t 、i g b t ) 的电压容量比较低，而高电压 容量的器件( 例如g t o 、i g c t 、i e g t ) 的开关频率又较低。如图2 5 所示对两个独 立单元的直流钳位电源采用电压比为l ：2 ，一个单元用i g b t ，另一个单元使用g t o 的混合级联逆变电路。g t o 单元上的电压两倍高于i g b t 单元。 图2 5 混台级联逆变电路结构 在控制上以基波开关g t o ，以p w m 方式调$ 0 i g b t 。这种混合单元级联电路的 优点是，由于2 个单元预先给定的电压不同i g b t 单元和g t o 单元可以通过控制各自 功率器件的开断来相互协调，从而实现单相7 电平的输出。这种结构达到了用更少的 单元得到更多电平的目的，该混合单元输出各个电平时两个单元的开关状态如表2 2 所示。 表2 2 电压比为1 ：2 时输出电平状态 电压比为i ：2 的混合七电平单元级联型电路最适合高压大功率领域应用，并且在 近几年受到广泛关注。类似的，可以将两个单元的电压比设为1 ：3 ，可以产生9 电平 的p 州波形，控制方法与1 ：2 的结构类似。开关状态如表2 3 所示。 表2 3 电压比为i ：3 时输出电平状态 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 为得到更多的电平，可以使得各电源电压不同，通过差补的方法增加输出电平数。 在采用差补的方法时，要注意输出极性和总输出电压极性相反的级联单元，其电源应 能接受灌电流。 2 1 4 五电平h 桥级联逆变电路 五电平h 桥m 1 是由两个h 桥逆变单元并联而成，与两单元级联一样，也可输出2 e 、 e 、o 、e 、2 e 五个电平的电压，如图2 6 所示。 图2 6 五电平h 桥功率单元结构 五电平功率单元相对于传统的两单元级联，所需的功率开关管和产生的电平数量 均一致。不同的是输入直流电源减少一半，但其p w m 控制策略更加复杂。同样的， 也可将传统的h 桥单元与无电平单元相级联，当其电压比为1 ：2 、l ：4 及l ：6 三种情况 时，输出电压电平不跳变。由此可见，级联逆变电路结构灵活多变。 2 2 高低频组合式级联逆变电路工作原理 2 2 1 引言 对于上述的混合级联多电平逆变器，可采用高频p w m 调制和低频阶梯波调制相 结合的混合调制策略。由于各单元的直流电压等级不同，其中高电压单元采用具有高 反向阻断电压和低开关频率的开关管，如i g c t ，g t o 进行低频调制：低电压单元高 频调制，采用具有快速开关能力的i g b t 管，用来改善输出波形，提高整体效率，是 一种优化的级联型逆变器“”。 近年来，国外的一些研究成果提出了可以将具有任意独立电源电压、任意电平数 的多电平单元或两电平单元进行级联，并提出了实现输出电平数最多、输出谐波最小 的设计原则。这些文献的研究结果虽然提高了输出电平数，优化了输出波形质量，但 对如何实现高输出电压等级、高效率、高质量的输出波形的统一方面，研究较少。 高低频组合式级联逆变器和上述两种电路拓扑结构相类似，因此保留了上述电 路的优点。不同的是，更加突出了高频单元和低频单元的功能区分。其低频单元输出 1 2 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 基波能量，承担了电路的主要功率输出，采用特定的控制方案：高频单元几乎不承担 电路的有功功率部分，只是负责改善基波的输出波形，减小输出谐波，而且此单元中 存在的无功功率，非常适合软开关技术的实现。这样，两个单元相互配合，可以大大 提高输出功率和电压等级，进一步提高了输出波形质量。 2 2 2 高低频组合式级联逆变电路的拓扑结构 高低频组合式级联逆变其的拓扑结构由高频单元和低频单元两部分级联而成。与 混合级联逆变电路类似，其低频单元由具有高反向阻断电压和低开关频率的大容量开 关管组成，其结构可以为一个h 桥或者多个h 桥相级联，采用特定统一的控制方法： 高频单元用单独的级联单元，采用具有快速开关能力的高频开关管，控制方法为 s p w m 高频调制。高频单元和低频单元相互配合，扬长避短，实现了高电压等级、高 功率转换效率和高输出波形质量的统一。 由于低频单元主要提供基波输出能量。承担电路的绝大部分功率，所以，其结构 不仅可以是级联多电平变换器，也可以用二极管箝位多电平电路，或者是飞跨电容多 电平变换器或其它的多电平拓扑结构，这样使整个组合式多电平变换器的输出电平数 更多，输出波形质量更高，但这样会增加变换器中功率开关的个数，使系统复杂。 如图2 7 所示以传统的级联多电平逆变电路作为低频单元为例。虚线框内为低频 单元亦可用其他级联单元代替；虚线框外为高频单元。其中低频部分由n 个基本h 桥单元级联而成，其输出电平数为2 n + 1 ，高频部分可输出e 、0 、e 三个电平，则高 低频组合式逆变电路输出电平数提高到4 n + 3 。若保持高频单元的输入电压不变，仍 为e ，将低频单元的输入电压由2 e 变为3 e ，则高低频组合式逆变电路可以输出6 n + 3 个电平。可见，随着低频单元输入电压的增大，整个电路的输出电平也将大大提高。 但当低频单元的输入电压增大到4 e 时，若仍然保持高频输入不变，则输出的电平数变 为e ，3 e ，5 e ，8 e ，将会出现电平跳变。当输出电压不连续时，输出的正弦波中就会 出现畸变，使正弦波失真率变大，同时造成d v d t 变大。所以，这时只需补上一个2 e 的输入单元，即可使电平变得连续。 当低频单元输入单元不一致时，可参照混合级联逆变电路的输入原则，即只要较 大电压比的值和它之前所有电压比数字值的差可以由这些数字值组合出来，这样选取 的电压比值就可以保证相应的电路实现1 e 电平阶跃，实现正弦波的连续调幅。 硬士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研期 图2 7 高低频组合式级联逆变电路 2 2 3 高低频组合式级联逆变电路的基本工作模式 下面以两个h 桥相级联为例，分析高低频组合式级联逆变电路的基本工作模态， 低频单元输入为2 e ，高频单元输入为e ，电流正方向如图所示。 ( a ) 甜。= 2 e仰“。= e 1 4 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 ( c ) “。= 0( d ) “。= - e ( e ) t , 。= - 2 e 图2 8 各开关模态工作电路 图2 8 给出了高低频组合式级联逆变电路五种工作模式，因为每种输出方式不止 一种组合，在此为了方便起见只给出一种加以示意。 2 3 本章小结 本章首先对近年来提出的几种级联型逆变电路进行了分析。在此基础上，对其思 想进一步优化，提出了高低频组合式级联逆变电路的电路思想。所提出的高低频组合 式级联逆变电路，在保持混合级联输出电平多，谐波小的基础上，进一步提高了输出 波形的正弦度和波形质量，并分析了各种类型的输出开关状态及工作模态。 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 第3 章高低频组合式级联逆变器的控制方法研究 多电平逆变器不仅可以降低开关器件的电压额定值，而且大大改善了逆变器的输 出波形，降低了输出电压的谐波畸变率。1 9 6 4 年a s c h o n t m g 和h s t e m m l e r 根据通讯 系统的调制技术产生了正弦脉宽调制( s p w m ) 变压变频的思想并应用到交流传动中 乜2 。目前已经提出并得到应用的p w m 控制方案就不下十种，从最初追求电压波形的 正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除 噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。 本文在分析传统多电平逆变器拓扑结构和工作原理的基础上，提出了适合于高低 频组合式级联逆变器的控制方案，使得输出的波形更加接近于完美正弦波，并进行系 统仿真。 3 1s p w m 控制技术 s p w m 波形定义为：脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形。要改 变等效输出正弦幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。这种p w m 控制策略的 实现方法是以连续的等腰三角形作为载波，与所需频率的正弦调制波相比较，得出的 自然交点决定了功率变换电路中的功率开关元件的开关时刻。利用这一方法控制功率 开关元件的占空比，使得输出电压基波频率与给定的正弦波频率相同，基波幅值正比 于给定正弦调制波幅值。调制频率，厢、载波频率正与载波比有如下关系式： ：五 ( 3 1 ) 厶 3 2 多电平逆变电路调制方法 目前广泛应用于多电平逆变电路的p w m 方法可以分为两大类，即载波调制p w m 法( c a r d e r - b a s e dp w m ) 和空间矢量p w m ( s p a c e v e c t o r p w m ) 法，都是两电平逆变电 路p w m 方法在多电平逆变电路中的扩展。在己实用化的多电平高压变频装置中，级 联型多电平逆变器通常采用基于载波调制的p w m 控制技术，而箝位型多电平逆变器 多采用空间矢量p w m 控制技术。 3 2 1 载波移相p w m 法 三角载波调制p w m 方法的基本原理是通过三角载波和参考波比较来确定逆变电 路中相应器件的通断，相对于空间矢量p w m 方法，其原理简单、运算量小，容易向 更多电平数的逆变电路扩展。若生成m 电平p w m 波形，需m 1 个三角载波对参考波进 行调制。根据载波分布特点，可以分为载波移相p w m ( p s p w m ) 和消谐波 p w m ( s h p w m ) 两类“1 。”4 3 町。 1 6 硕士学位论文 高低频组合式级联逆变器的研制 1 ) 消谐波p w m ( s h p w m ) 法：对于一个电平的变换器，每相采用( n - 1 ) 个 具有相同频率正和相同峰一峰值a 。的三角载波与一个频率为l ，幅值为以的正弦 波相比较，为了使( n 1 ) 个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相 连且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果 调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的 幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。该方法的原理图如图3 1 所示。对于一个n 电平的变换器，调制度m 。定义如下： = 莳 z ， oq a 口6o 口o 1 ，t 5t ( a )( b ) 图3 1s h p w m 原理图 2 ) 开关频率最优p w m ( s f o p w m ) 法：开关频率最优法的载波要求与s h p w m 法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序 分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以s f o p w l v l 的调制波是三相正 弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电 压调制比达到1 1 5 。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统中注入的零序分 量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问 题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当 于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，s f o p w m 法可 以看成是2 电平空问电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。 对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大最小值的平均值。所以 s f o p w m 法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所得到的波形，零序分量 和三相调制波的计算公式如下： u一：max(uo,ub,u,)+min(uo,ub,uc) ( 3 3 ) 1 7 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研制 u ：= u 。一u 。m u = u ，一u 。 u ：= u c u 一 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 2s f o p w m 原理图 3 ) 三角波移相p w m ( p s p w m ) 法：三角载波移相p w m 法是一种专门用于级联 型多电平变换器的p w m 方法。每个模块的s p w m 信号都是由一个三角载波和一个正 弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三 角载波之间有一个相移，使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从丽使得各 模块最终叠加输出的s p w m 波的等效开关率提高到原来的k e 昭，在不提高开关频率 的条件下大大减小了输出谐波。 ( a ) 图3 3p s p w m 原理图 硕士学位论文高低频组合式级联逆变器的研错 4 ) 三角载波移相开关频率最优p w m ( p s s f o p w m ) 法；将p s p w m 法和 s f o p w m 法相结合，三角载波采用p s p w m 中的方法，调制波采用s f o p w m 中的方法 来确定。这种新的方法兼具p s p w m 和s f o p w m 的优点，在相同的开关频率下，等效 开关频率提高到原来的k 倍，电压调制比提高到1 1 5 倍。但是同时，这种方法又受到 p s p w m 法和s f o p w m 法的局限性的限制，因此，p s s f o p w m 最适用于三相级联型 多电平变换电路。 3 2 2 空间电压矢量p w m 法 多电平p w m 的空间电压矢量法与其他方法比较是较为优越和应用广泛的一种， 其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其他控制方法所需存储的 大量角度数据，并且母线利用率高”“。多电平空间矢量p w m 是根据2 电平空间矢量 控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2 电平是一致的。对某一个 空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是多电平的 电压矢量更密集，模大小可选择的种类更多，合成时过渡更自然，合成的磁链更接近 圆磁场，因而控制更精确，输出电压谐波更小。但是，这样也带来了控制上的复杂性。 当应用于五电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。另外，若采用传统 的“最近三矢量”还会出现“窄脉冲”问题。针对电路复杂这一问题，提出了一种新 型的多电平最优空间矢量p w m 控制方案，这种方法基于空间矢量p w m 控制思想，从 三相参考电压到8 个待选的空间矢量和参考电压矢量，然后选择与参考电压矢量最接 近的空间矢量。这种方法不受电平数增加的影响，解决了算法随着电平的增加而非常 复杂的问题。 3 2 3 控制方法的选择 根据以上分析，可以得到以下结论： ( 1 ) 在应用中，当变换器电平数超过5 时，空间矢量p w m 法将非常复杂，为了简 化控制算法，三角载波p w l v l 是较好的选择。 ( 2 ) s h p w m 法和s f o p w m 法既可以用于箝位式电路又可以用于级联式电路，而 p s p w m 法和p s s f o p w m 法只适合用于级联式电路，s f o p w m 法和p s - - s f o p w m 法 由于在正弦调制波中注入了零序分量，因而只适合用于三相系统。 ( 3 ) 对于单相级联式多电平变换器，p s p w m 法的控制效果最好。 ( 4 ) 对于三相级联型多电平变换器，p s - - s f o p w m 法由于提高了等效开关频率， 较之s f o p w m 法具有更好的控制效果。 硕士学位论文高低顿组合式级联逆变嚣的研错 3 3 高低频组合式级联逆变电路调制方法 3 3 1 基本控制策略 本文以单相级联式逆变器为例，由上述分析可知，所选用的最佳控制策略应为三 角波移相p w m ( p s p w m ) 法。对于传统的级联型多电平级联逆变电路，因为每个级 联单元的工作原理一样，其正弦调制波也一样，所以只需将每个模块的三角载波与它 相邻模块的三角载波之间有一个相移，使得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错 开，即可满足要求。 高低频组合式级联逆变电路的拓扑结构与传统的级联逆变电路一致，如图3 3 所 示，只是采取了特殊的控制方法使得其输出更加接近于完美正弦波。由于其特殊性， 使得这种组合式电路不能单一的采取一种控制方式，必须多种控制方式相结合，以满 足高低频的实际需求。 图3 4 高低频组合级联逆变电路示意图 低频单元的一般组成为传统的级联逆变电路，采用p s p w m 进行控制。若级联单 元数为n ，则产生2 n + 1 个电平的阶梯波。高频单元为一个单一的h 桥逆变电路，将参 考正弦波减去低频单元的阶梯波作为调制波，用三角波进行调制，产生高频单元四个 开关管的控制波形“”】。 如图3 5 所示甜。、蜘、u ，、甜。分别为4 个h 桥单元的输出波形，级联输出合成逼近 正弦波的阶梯波。由于开关管的通态损耗大于断态损耗，所以若每个单元一直保持同 样的开关角，则每个单元的开关管负荷将有差别。因此要采取一定的功率均衡控制策 略来补偿。 硕士学位论文高低频组合式级联逆变嚣的研制 d 甜3 “2 p ，勺 吣r 2t 、。k ，一 l；i i l 一； 1 t z 为了简单的说明问题，以输入直流相等的两单元h 桥级联单元为例，低频单元工 作在工频5 0 h z ，与输出正弦波频率保持一致，直接输出方波，承担输出波形的主要 有功功率；高频单元由正弦波减去方波作为调制波，采用s p w m 波的思想进行调制， 以补偿方波的输出，减小各高次谐波，并且大部分时间工作在无功状态，适合实现电 路的软开关。由此可见，高频单元与低频单元各司其职，分工明确，对于输出波形的 贡献不同，使得两个单元各自充分发挥各自的优势。值得一提的是，为了提高输出波 形质量使得低频单元的输出不为方波时，也可采取特定的控制方式，使得输出波形的 谐波进一步减小，波形质量进一步提高，这一点将在下文中进一步研究。 在实际的工程应用中，高频部分的控制不可能是连续的模拟信号，所以要找到一 个函数来模拟低频补偿的控制策略，实现数字控制。按照s p w m 控制的基本原理，在 正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，生成s p w m 波形的方法称 为自然采样法呻。自然采样法是最基本的方法，所得到的s p w m 波形很接近正弦波。 但是这种方法要求解复杂的超越方程，再采用微机控制技术时需花费大量的计算时 间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程中实际应用不多。规则采样法是一种应 用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但其计算量要小的多。高频单元的 控制策略不同于传统的s p w m 控制，规则采样法的具体实现如图3 6 所示。 取三角波两个正峰值之间为一个采样周期。让每个脉冲的中点和三角波一周期 的中点( 即负峰点) 重合，使得每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，以简