级联H桥多电平变流器优化调制算法研究.pdf

仪器仪表用户 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 1 0 1 0 0 3 口研究报告口 级联 H桥 多 电平变流器优化调 制算 法研究 刘小素 陈昌 大连理工大学 电子信息与电气工程学院 大连 1 1 6 0 2 4 摘要 传统应用 于级联 型多电平逆变拓扑的 多载波相移调 制技 术能够 准确 的再现调制波信 息 输 出接 近正 弦波 然而 随着 级 联单元和开关管数量的增多 开关损耗将很大 这严重影响了系统的运行性能 针对此问题 本文结合多载波相移调制算法 和阶梯波调制算法的优点 介绍了一种新型的优化调制策略 既可使输出的电压电流谐波小 非常接近正弦波 又保证了较 低的开关损耗 该算法通过仿真实验得到了验证 关键词 级联 多载波相移 阶梯 波 仿真 中图分类号 T M6 1 4 文献标志码 A Re s e a r ch o n a n o p t imiz e d mo d u la t io n a r it h me t ic o f H b r idg e ca s ca d e d in v e r t e r LI U Xia o S H C HEN Ch a n g F a cu lt y p f E l e ct r o n i cs I n f o r m a t io n a n d E le ct r ica l E n g in e e r in g D a lia n U n i v e r s it y o f T e ch n o l o g y Da lia n 1 1 6 0 2 4 C h in a Ab s t r a ct Th e mu l t i ca r r i e r a r i t h me t i c wh i ch i s a pp l i e d mo s t f r e q u e n t l y t o ca s ca d e d mu l t i l e v e l i n v e r t e r h a s t h e a d v a n t a g e t o r e p l a y t h e mo d u l a t i n g wa v e Bu t wi t h mo r e p o we r c e l l s t h e s wi t ch i n g l o s s i s t o o h i g h t o ma k e a g r e a t i n f l u e n c e o n s y s t e m p e r f o r ma n ce As t o t h i s q u e s t i o n a n o v e l o p t i mi z e d ar i t h me t i c i s p r o p o s e d wh i ch h a s t h e a d v a n t a g e s o f b o t h mu l t i car r i e r a r i t h me t i c a n d s t a i r wa v e f o r m a r i t h me t i c Th e s wi t c h i n g l o s s c a n b e r e d u c e d b y t h i s me t h o d a n d t h e a r i t h me t i c i s s i mu l a t e d b y Ma t l a b s o f t wa r e K e y wo r d s c a s ca d e d mu l t i car r ie r s t a ir wa v e f o r m s imu la t io n 0 引言 随着风 力发电单机容量的不断增大 兆瓦级风机已 成为了现在的主流趋势 传统的逆变拓扑结构已很难 满足风电系统对高压 大功率 高品质输出的需求 单 元串联多电平逆变器采用多个低压功率单元 串联来实 现直接高压输出 无需升压变压器 满足了大功率场合 的需求 一个好 的电路拓扑往往需要配合合适 的控 制策略才能提高整个逆变系统的性价比 传统应用于 这种逆变拓扑的载波相移调制技术虽然能够准确再现 调制波信息 输出接近正弦波 然而随着风机单机容量 力载波技术的系统在不需重新布线的情况下 不仅能 够满足实时性 可靠性和兼 容性要求 且具有 良好的 抗干扰作用 完成监测 控制 调节以及通信等功能 取代常规的二次系统 实现变 电站监控 防误操作 达 到变 电站无人或少人值班 的水平 具有非常好的应 用前景 口 参考文献 1 勒建军 朱德友 基于 C A N总线的智能水表 自动抄 收系统 J 福建电脑 2 0 0 3 1 3 4 3 5 2 张丽娟 章瑞平 杨郁池 智能抄表系统的实现 J 电信科学 2 0 0 7 2 3 1 8 2 8 4 3 S t id q e r R u t h W Me t e r 2 R e a d i n g Me t h o d s C h a n g e S l o w 一 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产 品广告信 息 l y G a s U t i li t y Ma n a g e r 2 0 0 4 4 8 4 2 6 2 7 4 电力线传输数据新技术 h t t p t e ch b j x co rn cn h t ml 2 00 904 29 1 1 94 8 2 s ht m1 5 用高压电力线传输数据 博美网 h t t p co mp u t e r b o we n w a n g co n e n b p l3 h t m 6 R I S E 3 5 0 1数据手册 V e r s i o n 1 0 J S 0 0 0 3 2 5 瑞斯康微 电子 深圳 有限公司 7 J E A N J L A B R O S S E著 c 0 S I I 源码公开的实 时嵌入式操作系统 M 邵贝贝 译 第 2版 北京 中国电力出版社 2 0 0 1 9 7 1 0 5 作者简介 唐志津 研究生 研究方向为智能电网 陶宇 研究 生 研究方向为嵌入式系统 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 8 ElC VO I 1 8 2 0 1 1 N0 1 7 旦 塞拯蚩日 的不断增大 只有不断增加级联单元数才能满足输出 高电压 低电流的需求 与此同时 开关管数量也相应 的增多这使得开关损耗急剧增大 这部分消耗功率 会转变为热量使功率器件管芯发热结温升高 如果不 能及时有效地将此热量释放 将会影响到器件的工作 性能 从而降低系统工作的可靠性 甚至损坏器件 严 重影响系统的运行性能 因此 针对此问题 介绍 了一种改进的调制策略 不仅使输出的电压电流谐波 小 非常接近正弦波 而且大大减小了开关损耗 1 传统应用于单元 串联 多电平逆 变器 的调制 算法 单元串联多电平逆变器 由多个 H型全桥逆变电 路作为基本单元 J 图 1 为单相五单元级联逆变拓扑 图 由五个 H桥串联而成 输出的相电压是 5个功率 单元输出电压的叠加 单个 H桥功率单元 的工作原 理为 当开关管 V V 导通时 H桥处于正向导通状 态 输出正 向电压 E 当开关管 V V 导通时 H桥 处于反向导 通状 态 输 出反 向 电压 一E 当开关 管 V V 或 V V 导通时 H桥处于旁路状态 输出电 压为0 本文的仿真实验选定 V V 同时导通 H桥 处于旁路状态 五单元串联逆变器的相电压为 V VH 1 VH 2 VH 3 VH 4 VH 5 图 1 五 单元级联逆变拓扑结构 1 1 载波相移脉宽调制技术 载波相移脉宽调制技术 C P S S P WM 是适用于 大功率电力电子装置的开关调制策略 级联多电平变 流器多应用此调制算法 它 的基本思想是 对每 个模块进行 S P WM调制 各单元模块采用共 同的调 制波信号 每个模块的三角载波与其相邻模块的载波 之问均有一个相移 当三角波大于正弦波时 触发管 子导通 反之 则截止 这样各模块所产生的 S P WM 脉冲在相位 上是错开的 从而提高了各模块最终叠 加输出的 S P WM波的等效开关频率 因此可以在不 提高开关频率的条件下减小输出谐波 8 El C VO I 1 8 2 0 1 1 No 1 仪器仪表用户 输出谐波小 能够精准的再现调制波信息 输出 最接近正弦波是 C P S S P WM 调制算法 的优点 其缺 点是随着开关频率 的增高 开关损耗很大 这将严重 影响系统性能 逆变器的功率损耗主要是指开关管的损耗 通过 仿真实验得出 当 P WM信号频率低 于 5 k H z 时 通态 损耗是主损耗 当 P WM信号频率高于 5 k H z 时 开关 损耗是主损耗 所以本 文讨论的是 P WM信号频率高 于5 k H z 时的逆变器功耗情况 开关管的损耗等于集 电极 电流 I c 乘以管子压降 V ce 再乘以开关次数 其最精确的测量方法是 将集电极电流 I c 和 I G B T压 降 V ce的波形逐点相乘得 到功耗 的瞬时波形 此 波形与坐标轴所围面积即是开关管的总损耗 其仿 真框 图如图 2示 图2功率损耗仿真模型 1 2阶梯波调制技术 阶梯 波 调 制 技 术 就 是 用 阶梯 波 来 逼 近 正 弦 波 对于额定输出电压为 6 k V的变频器 每相 由 五个额定电压为 6 9 0 V的功率单元 串联而成 输出相 电压可达 3 4 5 0 V 线电压可达 6 k V左右 这种采取 单元 串联的方式来实现直接高压输出 可省去笨重的 变压器 其工作原理为 当采集到的电网电压大于 0 V时 控制其中一个功率单元导通 其余四个单元截 止 输出相电压为 E 6 9 0 V 当电网电压大于 6 9 0 V 时 控制其中两个功率单元导通 其余三个单元截止 输出相电压等于 2 E 当电网电压 大于 6 9 0 2 V时 控制其中三个功率单元导通 其余两个单元截止 输 出相 电压为 3 E 当电网电压大于 6 9 0 3 V时 控制 其中四个功率单元导通 一个单元截止 输出相电压 为 4 E 当电网电压大于 6 9 0 4 V时 控制五个功率 单元全部导通 输出相电压为 5 E 这种调制算法 的优点是实现简单 开关频率低 损耗小 主要缺点是输出谐波大 2 优化调制算法 针对传统的多载波相移调制技术开关频率高 开 关损耗大的缺 点 融合 C P S S P WM 和阶梯 波算法的 优点 介绍一种优化调制算法 始终保持 1 个功率单 元采用载波相移控制 当采集到的电网电压0 U E时 载波相移控制其 中一个 功率单元运行 其余 四个单元阶梯波控制截止 当电网电压大于 E U 2 E时 阶梯波控制其 中一个功率单元 导通 输 出为 欢迎 光临本刊 网站 h t t p w w w e i c o m ca E E E E E 仪器仪表用户 E 三个单元截止 输 出为 0 载波相移控制控制其 中 一 个功率单元运行 当电网电压 2 E U 3 E时 阶 梯波控制其 中2个功率单元导通 输出为 2 E 两个单 元截止 输 出为 0 载波相移控制一个功率单元运行 当电网电压 3 E U 4 E时 阶梯波控制其 中 3个功 率单元导通 输 出为 3 E 一个单元截止 输 出相 电压 为 0 载波相移控制一个功率单元 当电网电压 4 E U 5 E时 阶梯波控制 4个功率单元导通 输出电压 为 4 E 载波相移控制一个功率单元 这样始终只有 1 个功率单元采用载波相移控制 开关次数减少 了 开 关损耗也就变小 了 而且输出的电压 电流波形 同多 载波相移控制的非常相似 谐波很小 图 3为应用优化调制算法的五单元 串联逆变器 的仿真框图 该仿真系统主要 由多路移相三角波 改 进的阶梯波调制算法 基本 功率单元 和负载组成 其 中三角波是 由积分模块和延迟模块相互 串接生成 的 s u b s y s t e m模块是阶梯波算 法的改进 其输入 s in e w a v e l 幅值为 3 4 5 0 频率为 5 0 H z 为采集的电网电 压 常量 6 9 0输入为多相电机内部各个绕组的理想电 压值 基本功率单元是 由按照西门子 的 I G B T模块 参 数设定的 I G B T元件搭建的 负载为感性负载 图3 优化调制算法仿真框图 3 仿 真结果对 比分 析 使用 M a t la b S i m u lin k对 5单元串联逆变器进行仿 真 调制算法分别采用多载波相移调制技术 阶梯波调 制和改进的优化调制算法 在仿真系统中 正弦波的调 制频率设置为 5 O H z 三角载波的频率分别设置为 5 0 0 0 z 调制比M设置成 0 9 每个 H桥的独立电源 E 6 9 0 V 负载为 8 6 m H的电感和 1 7 2 5 Q 的电阻 以下为 2 个仿真周期的输出结果 其中 图4 a 是输 出电压 波 欢迎订阅 欢迎 撰稿 欢 迎发 布产品广告信息 口研究报告口 形 图4 b 为输出电流波形 图4 c 为电流谐波总畸变 率 T H D 图4 d 为 1 个开关管的功率损耗 a U V 00 1 a0 2 0 0 0 4 图4 多载波相移调制算法输出结果 Ha r m o n i c o r de r c F u n d a m e n t a l O Hz 1 6 4 8 T H D 5 8 4 图 5 阶梯波控制算法输 出结果 旨 蒿 E 罢3 2 邑 1 星 0 Ha r m o n i c o r de r c F u n d a me n t a l S g H z 2 0 0 3 T H D 4 9 1 DD1 0 0 2 00 3 0叫 d P s w 图 6改进调制算法输 出结果 仿真结果分析 对比图 4 图 5 图6的图 a 输 出 电压 可知改进后调制算法和多载波相移调制算法的 输出电压相似 接近正 弦波 阶梯波 的输出电压不够 理想 对比图 b e 输出电流和电流谐波总畸变率 可 以看出 改进调制算法的谐波比多载波相移调制算 法的增大了 但仍小于阶梯波算法的 对比图 d 可 以看出 改进后调制算法 比多载波相移的开关损耗降 低了 但 同阶梯波 的相比仍较大 EI C V01 18 2011 N0 1 9 口研究报 告口 对 比改进后调制算法和传统两种调制策略的输 出结果得出 改进后调制算法在输出波形 同多载波相 移调制技术非常相似 很接近正弦波的情况下减小 了 多载波相移的开关损耗 这正验证了改进调制算法具 有开关损耗小 输出波形好的优点 同阶梯波调制算 法相 比 其谐波大大减少了 但开关损耗仍较大 本文不仅对载波频率倍数为 1 0 0和 2 0 0的 5单 元级联逆变器进行 了仿真 还对单元数为 1 0的级联 逆变器进行了仿真 仿真数据见表 1 表 1 改进调制算法同传统调制策略的逆变器输出结果对比 单元数 F M 调制策略 T H D 总电流谐波畸变率 损耗 w 5 1 o 0 多载渡相移 2 2 3 3 9 改进后 4 91 3 7 阶梯波调制 5 8 4 2 8 5 2 o 0 多载波相移 2 2 4 5 1 改进后 4 9 O 3 7 5 阶梯波 调制 5 8 4 2 8 5 1 0 lo o 多载波相移 2 2 4 3 9 改进后 2 9 8 3 7 阶梯波调制 3 1 2 3 7 从表 1中可以看 出 单元数为 5 载波频率 比为 1 0 0时 改进后调制算法的功率损耗同多载波相移调 制相 比减少 了0 2 当载波频率 比从 1 0 0增 加到 2 0 0 时 一个开关管的功耗降低量从 0 2升到了 1 3 5 由 此可见载波频率越高 改进调制算法降低开关损耗 的 优势越明显 对 比5单元和 1 0单元的仿真结果可 以 得出 单元数增多 三种调制算法的谐波含量都有所 降低 其中改进后调制算法和阶梯波算法的谐波减少 很明显 说 明了随着单元数 的增多 改进调制算法 的 输出波形越好 仪器仪表用户 载波频率越高 级联单元数越多 改进后调制算 法的开关损耗小 输 出波形好的优势越 明显 这正符 合了大功率的要求 4 结束语 传统的多载波相移调制算法能够精准的再现调 制波 但是其开关损耗高 阶梯波控制算法简单 但其 谐波含量高 融合这两种控制算法的优点 介绍了这 种新型的优化调制算法 既可使得输出电压电流谐波 小 又保证 了较低 的开关损耗 通过 MA T L A B仿真 实验验证了该算法 的有效性 口 参考文献 1 李建林 王立 乔 载 波相移 调制 技术 及其在 大功 率 变流器中的应用 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 9 2 杨有涛 低压大容量逆变器功率损耗的一种估算方 法 J 电气传动自动化 2 0 0 9 3 1 3 5 4 5 6 3 刘凤君 多电平逆变技术及其应用 M 北京 机械 工业 出版社 2 0 0 7 4 朱 凌 刘 涛 鲁志平 等 基于 D S P的载波移相多电 平实现方法 J 华北 电力大学学报 2 0 0 4 5 21 2 5 5 李银铃 载波相移控制级联十一电平变频器的仿真 研究 J 大功率变流技术 2 0 0 9 5 6 江友华 曹以龙 龚幼民 基于载波相移角度的级联 型多电平变频器输出性能的研究 J 中国电机工程 学报 2 0 0 7 1 7 葛照强 黄守道 周凌 级联式多电平变频器优化调 制算法的研究 J 电气应用 2 0 0 7 2 6 1 作者简介 刘小 素 1 9 8 6 一 女 硕 士研究 生 研 究方 向为 变流 技术 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 0 8 本刊下期部分文章预告 基于单神经元自适应控制算法的 B o o s t 电路研究 杨卫新 马小三 章家岩 迈克尔逊干涉仪的调节技巧 林二妹 林建华 R s V I E W3 2历史数据采集方式研究和实现 黄胜 陈诗杰 张兴彤 基于 MC 9 S 1 2 D G 1 2 8微控制器的智能车设计与仿真 刘啸森 陈 昌 基于 V C