梯形波交流母線分布式電源系統(tǒng)的研究

0基于梯形波的功率變換技術(shù)交流分布電源系統(tǒng)以輸入電壓為中間高頻交流電壓，然后使用交流/直流（ac-d）變換器將母線電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓。這可以大大地減小電源的重量和體積,提高系統(tǒng)可靠性,并在電網(wǎng)和負(fù)載之間形成良好的隔離;同時(shí)可以很好地控制到達(dá)各負(fù)載板的電源容量和質(zhì)量。交流分布式電源系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、靈活性。但這種電源系統(tǒng)因?yàn)槟妇€上的交流方波電壓頻率較高是個(gè)較強(qiáng)的電磁干擾源,諧波分量也比較大。且要實(shí)現(xiàn)前端變換器的冗余設(shè)計(jì),則各變換模塊輸出到母線電量的頻率、幅值、相位等關(guān)鍵要素在每一個(gè)前端變流器中都必須時(shí)刻保持一致,這在實(shí)際系統(tǒng)中是難以實(shí)現(xiàn)的?？梢姺植际诫娫聪到y(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)成為阻礙高頻交流分布式電源系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的主要問題?；谔菪尾ǖ墓β首儞Q技術(shù)是一種可滿足高壓大功率需要的逆變技術(shù),其基本原理是將N個(gè)具有相互相移的輸出電平合成階梯波以逼近正弦波輸出電壓。本文所討論的基于梯形波的交流母線分布式電源系統(tǒng),采用將多個(gè)逆變器串聯(lián)起來,組成一個(gè)功率模塊,將各個(gè)具有不同相移的逆變單元輸出方波電壓疊加起來,實(shí)現(xiàn)梯形波交流母線電壓輸出的設(shè)想。基于梯形波的交流母線分布式電源系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:整個(gè)系統(tǒng)具有(N+1)個(gè)前端變流器串聯(lián)冗余能力,低du/dt和低開關(guān)損耗降低了對(duì)逆變器開關(guān)器件的要求,較低的電磁輻射可以滿足高標(biāo)準(zhǔn)的EMI指標(biāo),諧波分量程度適中,所有逆變單元模塊結(jié)構(gòu)相同,易于工業(yè)化生產(chǎn)。系統(tǒng)工作效率高,易于維護(hù)和擴(kuò)展。1逆變單元級(jí)聯(lián)多電平帶型主要參數(shù),輸出電壓圖n圖12新型梯形波交流母線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)。級(jí)聯(lián)型逆變器具有多電平逆變器共同的電壓冗余特性,且各級(jí)聯(lián)單元的工作是完全獨(dú)立的,其輸出只影響輸出總電壓,不會(huì)對(duì)其他級(jí)聯(lián)單元造成影響。級(jí)聯(lián)型逆變器是多電平逆變器中輸出同樣數(shù)量電平所需器件最少的一種。目前在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,以級(jí)聯(lián)型H橋多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最有發(fā)展前景。如圖1(a)所示為新型冗余式梯形波交流母線的分布式電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其中每個(gè)模塊都包含一個(gè)相同的直流電源和一個(gè)H橋逆變器,每個(gè)H橋逆變器通過開關(guān)管S1、S2、S3、S4的不同組合能產(chǎn)生3種不同的電壓輸出:+Udc,0,-Udc。當(dāng)S1、S4導(dǎo)通時(shí),輸出+Udc,當(dāng)S2、S3導(dǎo)通時(shí),輸出-Udc,當(dāng)S1、S2導(dǎo)通或者S3、S4導(dǎo)通時(shí),輸出0電平,輸出電壓波形如圖1(b)所示。各H橋逆變器的輸出串聯(lián)在一起,從而合成了逆變器輸出的梯形波電壓。通常如果級(jí)聯(lián)型逆變器包含N個(gè)級(jí)聯(lián)單元,稱為N重,逆變器輸出m種電平,稱為m電平。正常工作時(shí),系統(tǒng)的N個(gè)逆變器共同維持母線電壓,當(dāng)其中某個(gè)逆變器發(fā)生故障時(shí),剩余的逆變器將繼續(xù)向總線提供能量,并滿足負(fù)載需求,總線電壓波形仍然是梯形波。通過合理設(shè)計(jì)各逆變電路模塊,可實(shí)現(xiàn)模塊的熱拔插、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余運(yùn)行,大大地提高系統(tǒng)的可靠性。多電平逆變器由N個(gè)依次相移π/N的逆變單元輸出方波,其初始相位分別θ1=0,θ2=π/N,…θN=(N-1)π/N,輸出經(jīng)疊加得到合成階梯波。如果每個(gè)單元模塊的電源輸出電壓為ui,則級(jí)聯(lián)型多電平變換器的輸出電壓為u=nΣi=1uiu=Σi=1nui(1)其最大輸出電平數(shù)為m=2vdc1nΣi=1vdci+1m=2vdc1Σi=1nvdci+1(2)級(jí)聯(lián)多電平逆變器輸出電壓的合成方法主要分為直接連接和非直接連接。非直接連接是將逆變器H橋的輸出接變壓器TN原邊,變壓器的副邊通過串聯(lián)連接將各逆變器電壓疊加輸出。直接方法是由各H橋逆變單元直接首尾相連,串級(jí)疊加。在這個(gè)拓?fù)渲?根據(jù)式(2)當(dāng)各逆變單元的電源電壓相等時(shí),得到輸出電壓的電平數(shù)為m=2S+1,其中S為獨(dú)立直流電源的個(gè)數(shù)。如一個(gè)具有七電平的級(jí)聯(lián)電壓型逆變器,需要3個(gè)具有獨(dú)立直流電源的全橋單元,各單元輸出波形和疊加后的電壓輸出波形如圖2所示。顯然隨著電平數(shù)增多,分辨率提高,輸出電壓波形逐漸逼近正弦波,諧波含量迅速減少。另外還可以通過控制不同電平逆變器的導(dǎo)通角或者逆變器電源的幅值來濾除特定的低次諧波。2樓梯波輸出的準(zhǔn)備方法2.1合成階梯波的ut對(duì)于由三個(gè)逆變器級(jí)聯(lián)的三級(jí)逆變單元,其輸出階梯波形可看成三個(gè)等寬且相互相移30°具有不同幅值A(chǔ)1、A2、A3的周期方波信號(hào)的疊加,如圖3所示。如果設(shè)幅值為A1的周期方波輸出為u1(t)=A1f(ωt),則另兩個(gè)周期方波分別為u2(t)=A2f(ωt+π/6)和u3(t)=A3f(ωt-π/6)。通過合理地設(shè)置A1、A2和A3的幅值即可有選擇地消除具有較大幅值的低次諧波分量。三級(jí)逆變單元輸出合成階梯波:u(t)=u1(t)+u2(t)+u3(t)=A1f(ωt)+A2f(ωt+π6)+A3f(ωt-π6)(3)u(t)=u1(t)+u2(t)+u3(t)=A1f(ωt)+A2f(ωt+π6)+A3f(ωt?π6)(3)設(shè)u2(t)、u3(t)的幅值相等,即A2=A3則u(t)=2√3A1π[sinωt-15sin5ωt-17sin7ωt+?]+4√3A2π[sinωtcosπ6-15sin5ωtcos5π6-17sin7ωtcos7π6+111sin11ωtcos11π6+?](4)u(t)=23√A1π[sinωt?15sin5ωt?17sin7ωt+?]+43√A2π[sinωtcosπ6?15sin5ωtcos5π6?17sin7ωtcos7π6+111sin11ωtcos11π6+?](4)其中余弦項(xiàng)cosnπ6=±√32cosnπ6=±3√2,當(dāng)n=6(2k-1)±1,(k=1,2,3,…)時(shí)為負(fù)值。則2√3A1π(-15sin5ωt)+4√3A2π[-15sin5ωt×(-√32)]=02√3A1π(-17sin7ωt)+4√3A2π[-17sin7ωt×(-√32)]=023√A1π(?15sin5ωt)+43√A2π[?15sin5ωt×(?3√2)]=023√A1π(?17sin7ωt)+43√A2π[?17sin7ωt×(?3√2)]=0即當(dāng)A1=√3A2=√3A3A1=3√A2=3√A3時(shí)u(t)中的5次諧波和7次諧波被完全消除。如果設(shè)合成階梯波幅值為1,則A1=0.464,A2=A3=0.268。這種調(diào)制方式保持了方波調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但要求各級(jí)聯(lián)單元電源具有不同的輸出電壓幅值,或者通過改變輸出變壓器原副邊的匝數(shù)比來調(diào)整各級(jí)逆變器輸出電平的幅值以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.2正弦波曲線圍成面積級(jí)聯(lián)階梯波合成的目的就是使輸出的階梯波逼近正弦波。如圖4(a)所示,要使階梯波合成時(shí)產(chǎn)生的諧波分量最小,輸出功率最大,采用低次諧波含量最少原則法進(jìn)行波形計(jì)算,則輸出的階梯波面積應(yīng)該與正弦波的面積相等。θ1、θ2、θ3相角的計(jì)算如圖4(b)所示,只需使圖中部分梯形波曲線與正弦波曲線圍成的兩塊面積相等即可。因?yàn)檩敵龅氖堑入娖诫A梯波,所以圖中的θA和θB的值可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的階梯波的級(jí)數(shù)計(jì)算得到,對(duì)于圖4(a)三級(jí)階梯波有θ3∫θB(sinθ-B)dθ-θA∫θ3(A-sinθ)dθ=0∫θBθ3(sinθ?B)dθ?∫θ3θA(A?sinθ)dθ=0(5)θ3=AθA-BθB+cosθA-cosθBA-Bθ3=AθA?BθB+cosθA?cosθBA?B(6)由θA=arcsinA、θB=arcsinB,A=n/N、B=(n-1)/N,其中n為所求階梯波級(jí)數(shù),N為串聯(lián)模塊數(shù),代入式(6)得到nθA-(n-1)θB+N(cosθA-cosθB)(7)公式(7)為N級(jí)階梯波低次諧波含量最少法θN角的通用計(jì)算公式,當(dāng)N=3時(shí)可以計(jì)算出θ1=9.16°,θ2=31.5°,θ3=60.7°。當(dāng)各級(jí)方波電平按計(jì)算的初相角進(jìn)行疊加時(shí)所產(chǎn)生的諧波含量最少。2.3階梯波調(diào)制方法由圖2可見采用低次諧波最小原則或選擇諧波消除法的階梯波調(diào)制方法,各級(jí)聯(lián)單元的輸出電平的寬度是不同的,由此導(dǎo)致各級(jí)聯(lián)單元利用率不平衡。如果各級(jí)聯(lián)單元始終保持同樣的運(yùn)行模式,則第一個(gè)H橋逆變模塊電源的工作時(shí)間和輸出功率只有第三H橋逆變模塊的1/3,因此各級(jí)聯(lián)單元的功率管和電源負(fù)荷嚴(yán)重不平衡。通常采用的改進(jìn)方法是讓各H橋逆變器在不同脈沖寬度工作模式下循環(huán)輸出,但這樣做的代價(jià)是增加了系統(tǒng)控制部分的工作量和控制的復(fù)雜程度?；谏鲜鲈?本文提出基于等寬方波輸出的階梯波調(diào)制技術(shù),各級(jí)聯(lián)逆變器的輸出波形如圖5所示。三級(jí)階梯波信號(hào)可以看成三個(gè)寬度相等、相位依次相差π/6、幅值為A的周期方波輸出的疊加。在圖5中設(shè)u2周期方波輸出信號(hào)為u2=Af(ωt),則另兩個(gè)周期方波輸出信號(hào)分別為u3=Af(ωt+π/6)、u1=Af(ωt-π/6),各級(jí)聯(lián)單元方波電平在變壓器副邊疊加合成三級(jí)階梯波輸出波形。在等寬方波輸出的階梯波調(diào)制技術(shù)中,由于其輸出波形的寬度和各級(jí)聯(lián)方波波間的相對(duì)相移固定不變,因而驅(qū)動(dòng)控制方式是最為簡(jiǎn)捷的。同時(shí)由于無法消除特定低次諧波的原因,其輸出波形中低次諧波含量相對(duì)于其他調(diào)制方式稍微大些。但這種控制方式非常適合這個(gè)要求具有冗余性能的逆變模塊,因而這種控制方式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。3不同等寬方波調(diào)制方法的選擇幅度調(diào)制的方法保持了方波調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但由于各級(jí)聯(lián)單元電源具有不同的輸出電壓幅值或輸出變壓器的變比不同,使整個(gè)系統(tǒng)的通用性變差,各級(jí)逆變單元的互換性能受到了限制。最大的問題是一旦其中輸出幅值較大的關(guān)鍵逆變單元發(fā)生故障,其輸出功率和輸出的諧波含量將發(fā)生較大的變化。因此幅度調(diào)制方法不宜用在這種要求具有冗余性能的交流母線拓?fù)渲小５痛沃C波含量最少原則法能有選擇性的消除低次諧波提高輸出波形諧波特性,而且計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單,有利于在線計(jì)算。但各級(jí)聯(lián)單元的輸出電平的寬度不同,導(dǎo)致各級(jí)聯(lián)單元輸出功率不平衡。采用等寬方波調(diào)制方法則具有較大的優(yōu)勢(shì),所有調(diào)制信號(hào)的寬度相同,只需按照串聯(lián)逆變器級(jí)數(shù)控制各級(jí)逆變器輸出波形相對(duì)相移即可,輸出階梯波的諧波含量適中,因此在這種具有冗余性能的交流母線拓?fù)渲胁捎玫葘挿讲ㄕ{(diào)制方法是最好的選擇。三種調(diào)制方法輸出階梯波波形的諧波頻譜如圖6所示。從圖6可以看出,使用幅度調(diào)制法輸出階梯波u(t)中第5次和第7次諧波可以被完全消除,最低次諧波為11次。按低次諧波最小原則法生成的階梯波其各次諧波含量均最小,但是含5、7、11等低次諧波,輸出波形總諧波畸變率TDH=9.877%,等寬方波調(diào)制法諧波含量居中,沒有3、9、15、19次諧波,而且7、15、17次諧波含量很少,THD=13.809%。一般來說,輸出電平數(shù)越多,波形質(zhì)量越好,即電平數(shù)越多輸出電壓的諧波畸變率越小,而且約70%以上的諧波分布在基波頻率以上,如果輸出電壓需要濾波,可使用低通濾波器,較高的諧波頻率更容易濾除。一般認(rèn)為輸出電壓波形的總諧波畸變率THD<5%時(shí),輸出電壓可以不經(jīng)過任何濾波環(huán)節(jié)直接使用。4高頻變壓器及原理交流母線分布式電源系統(tǒng)由N級(jí)H橋逆變單元串級(jí)組成,正常工作時(shí)每個(gè)逆變器承擔(dān)總輸出功率的1/N?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)在有逆變單元發(fā)生故障的情況下仍能提供足夠的功率,則每個(gè)逆變單元的輸出功率ΡΝ=ΡηΝ-1PN=PηN?1(8)式中,P為總輸入功率;η為系統(tǒng)效率。選用MOSFET作為主回路的功率開關(guān)器件。在使用單相220V交流電源輸入時(shí),考慮電網(wǎng)的波動(dòng)和高頻變壓器的漏感引起的尖峰電壓,功率開關(guān)管實(shí)際承受最高電壓為Um=1.32√2U=410V式中,U為交流輸入電壓。器件實(shí)際選取的額定工作電壓為UDSS>(1.25～2)Um(9)負(fù)載電流峰值為Ιm=2Ρ√2Uα式中,α為導(dǎo)通比。器件實(shí)際選取的工作電流為ID>(1.5～2)Im(10)高頻變壓器的設(shè)計(jì)主要包括高頻變壓器原副邊匝比、匝數(shù)以及磁芯的選擇,下面給出具體步驟。(a)磁芯選擇磁芯選擇計(jì)算公式:AeAw=Ρ×106kjpkBmfs(11)式中,k為波形系數(shù)(電壓波形為方波時(shí)取4);j為繞組電流密度(一般取3A/mm2);Bm為最大工作磁通密度(1000～1500Gs左右);fs為變壓器工作頻率(Hz);Aw為窗口面積;Ae為磁芯有效截面積。(b)變壓