1、二極管箝位級聯(lián)多電平變換器仿真研究收藏此信息 打印該信息 添加：丁凱 鄒云屏 王展 吳智超 張允 來源：未知1 引言1981年由日本東芝公司的nabae等人提出的多電平功率變換技術(shù)及其思想是近來在高壓大功率應用領(lǐng)域研究的一個熱點。其一般思想是利用獨立的直流電源或一系列的電容來產(chǎn)生較小的階梯電壓從而最終輸出較高電壓的交流波形。由于輸出電壓有很多個階梯，從而可以使輸出的電壓波形具有較小的諧波和較低的dv/dt。一般說來，電平數(shù)越多，其分辨率越高，那么輸出電壓波形越逼近正弦波。多電平變換器按其拓撲結(jié)構(gòu)劃分可分為:級聯(lián)型1、二極管箝位型5和飛躍電容型多電平變換器，在這三種拓撲結(jié)構(gòu)中級聯(lián)型變換器由于其結(jié)

2、構(gòu)模塊化等優(yōu)點逐漸成為國內(nèi)外在多電平研究領(lǐng)域的一個熱點1-4,6。圖1所示為一級聯(lián)型變換器，它由兩個兩電平的變換器串聯(lián)而成，其輸出電壓是合成兩個逆變模塊輸出電壓而形成的。設(shè)每個兩電平變換器的直流母線電壓為e，容易得到3圖1所示的級聯(lián)型變換器的輸出電壓共有五個電平分別為:+2e、+e、0、-e、-2e，通過實時適當?shù)乜刂谱儞Q器中的開關(guān)器件來控制這兩個逆變模塊的輸出電壓，從而可以控制整個變換器的輸出電壓使之逼近正弦。比如可采用優(yōu)化階梯波6、消諧波pwm4等方法進行調(diào)制。一般情況下，假設(shè)一個多電平變換器輸出電平數(shù)為n，開關(guān)函數(shù)為s，那么單相輸出電壓可以由下式表示2:其中e為最小電壓分辨率，s0,1,

3、n-1。圖1 級聯(lián)多電平變換器如圖1所示的級聯(lián)型變換器有五電平，即n為5，若s取0、1、2、3、4五個不同的值時，則輸出電壓vo分別為:-2e、-e、0、+e、+2e共五個電平。圖2為一個二極管箝位多電平變換器，設(shè)輸入直流母線電壓為2e，容易得到5輸出電壓vo有五個電平，由式(1)得:vo(s2)e (2)其中e為最小電壓分辨率，s=0,1,2,3,4若當s取0、1、2、3、4五個不同的值時，輸出電壓vo則分別為:-2e、-e、0、+e、+2e。那么控制二極管箝位多電平變換器中每個器件的開通和關(guān)斷可以使輸出電壓逼近正弦波形，不同的控制策略可以得到不同的效果。圖2 二極管箝位多電平變換器圖3為飛

4、躍電容多電平變換器示意圖，其基本原理與二極管箝位相同，其拓撲中的箝位電容取代二極管箝位變換器中的箝位二極管。2 一種新型的二極管箝位級聯(lián)多電平變換器圖1中所示的級聯(lián)多電平變換器的理論基礎(chǔ)是將進行了相對位移的復合兩電平的變換器模型連接起來，其輸出多電平波形是通過矢量合成每個變換器的輸出電壓而形成的。本文在這種傳統(tǒng)的級聯(lián)多電平變換器基礎(chǔ)上提出的一種新的拓撲結(jié)構(gòu)，這種新型拓撲結(jié)構(gòu)的思想是將多個三電平的二極管箝位多電平變換器模型串接起來，其輸出的電壓是通過合成每個二極管箝位變換器的輸出電壓而形成的。下面以兩個二極管箝位變換器模塊單元串聯(lián)為例來分析這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)。圖4 新型二極管箝位級聯(lián)多電平變換器

5、如圖4所示，假設(shè)每個變換器單元的直流母線輸入電壓為2e，那么對于逆變單元一來說，它可以輸出電壓vab為+2e、+e、0、-e、-2e共5個電平，同理，逆變單元二輸出電壓vbc也可輸出+2e、e、0、-e、-2e。通過級聯(lián)，整個單相二極管箝位級聯(lián)變換器的輸出電壓vac可以為+4e、+3e、+2e、+e、0、-e、-2e、-3e、-4e共9個電平。根據(jù)(1)式可得:其中s=0、1、2、3、4、5、6、7、8，e為最小電平分辨率。據(jù)上述分析，圖4中所示電路的輸出電壓vac就可以通過開關(guān)函數(shù)s來決定其輸出電壓的電平等級，比如當s7時，vac+3e。表1所示為圖4中的二極管箝位級聯(lián)多電平變換器的輸出電壓

6、及其相應開關(guān)器件的一組開關(guān)狀態(tài)。表1 開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)表由于每個二極管箝位變換器輸出某些相應電壓時的開關(guān)組合不止一種，比如逆變單元一輸出e時可以有兩種開關(guān)組合，所以上面表格所提供僅僅是一組開關(guān)狀態(tài)。因為輸出某些電平時開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)可以有多種不同的組合，所以這將給控制帶來多種選擇并使控制變得更加復雜，但這種冗余性可以在直流母線電容電壓不平衡問題上提供解決方法，并可根據(jù)具體情況進行優(yōu)化控制。3 消諧波pwm法4消諧波pwm(subharmonic pwm)是適用于多電平變換器控制的一種傳統(tǒng)的pwm控制方法。它的基本原理是變換器的每一相使用一個正弦調(diào)制波與幾個三角波進行比較。例如對于一個n電平的

7、變換器，每相采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰峰值ac的三角波與一個頻率為fm,幅值為am的正弦波相比來控制開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。為了使n-1個三角載波所占的區(qū)域是連續(xù)的，他們在空間上是緊密相連且整個載波集對稱分布于零參考的正負兩側(cè)。對于圖4所示的這種拓撲結(jié)構(gòu)，輸出電壓共有9個電平，那么需要用一個正弦調(diào)制波與8個三角波進行比較,如圖5所示，當時，開關(guān)狀態(tài)s=8，此時變換器輸出電壓為，當時s=7, ,以次類推，當時，開關(guān)狀態(tài)為s=0,輸出電壓為。那么根據(jù)不同的開關(guān)函數(shù)的值選擇相應的開關(guān)組合，如通過選擇表1中的相關(guān)開關(guān)狀態(tài)來控制變換器開關(guān)器件，從而使變換器的輸出波形逼近正弦。4 仿真研究本文利用電

8、路仿真軟件saber對這種新型的二極管箝位級聯(lián)多電平變換器進行了仿真研究。主電路拓撲結(jié)構(gòu)采用圖4中所示的單相結(jié)構(gòu)，控制策略采用了消諧波pwm方法，每個逆變單元的直流母線4kv(由于本文采用的控制方法會引起母線電容不平衡，故采用兩個2kv的直流電源串聯(lián)作為每個逆變單元的直流母線)，負載為30電阻與24mh電感串聯(lián)的阻感負載，載波三角波頻率選為2khz。圖6為逆變單元一的輸出電壓vab的波形，圖7為逆變單元二輸出電壓波形，圖8為逆變單元一和逆變單元二級聯(lián)后合成的輸出電壓波形，圖9為級聯(lián)合成輸出電壓的頻譜分析，從圖9中可以看到合成輸出波形的主要諧波出現(xiàn)在開關(guān)頻率2k附近，且諧波幅值相對基波幅值非常小

9、。圖10為變換器輸出的負載電流的波形，圖11為其頻譜分析，從圖11中可以看出，輸出電流的諧波成分很小，通過計算，負載的電流總諧波畸變率為1.555。 5 結(jié)論圖6 逆變單元一輸出電壓vab波形圖7 逆變單元二輸出電壓vbc波形圖8 變換器輸出電壓vac波形圖9 輸出電壓vac的頻譜分析圖10 負載電流仿真波形圖11 負載電流的頻譜分析通過對這種新型拓撲結(jié)構(gòu)的仿真分析，二極管箝位級聯(lián)多電平變換器的輸出波形幾乎接近完美。雖然每個變換器單元有4kv的直流母線輸出，但每個開關(guān)器件僅承受2kv的電壓，而整個單相變換器的輸出電壓可以達到8kv左右。從以上分析可以看出，這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)不僅在波形質(zhì)量上趨于

10、完美，并且通過級聯(lián)可以輸出比傳統(tǒng)級聯(lián)變換器更高的電壓，因此這種新型拓撲可應用在大功率，超大功率方面。不可否認，對這種新型拓撲結(jié)構(gòu)的控制將是比較復雜，實現(xiàn)起來比較困難，但是考慮到微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用dsp等高速芯片進行控制，如雙dsp系統(tǒng)等可使這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)的控制能比較方便地實現(xiàn)，這是本文下一步的研究的重點。二極管箝位多電平變換器的一些問題也將會出現(xiàn)在這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)中，如直流母線電容電壓不平衡問題等。如何實時適式地通過控制算法來解決以上問題也將是本文將繼續(xù)研究的一些方向。參考文獻1 fzpeng,jih-sheng lai. multilevel cascade voltage s

11、ource inverter with separate dc sourcesm. u.s.patent 5 642 275,june. 1997.2 keith corzine,yakov familiant. a new cascaded multilevel h-brigde drivej. ieee trans on power electronics,2002,17(1):125-131.3 peter whammond. medium voltage pwm drive and methodm. u.s.patent 5 625 545, apr.1997.4 吳洪洋,何湘寧. 級聯(lián)型多電平變換器pwm控制方法的研究.中國電機工程學報j. 2001,21(8):42-46.5 eugene fkea,fei wang,james mnowak, david smith. multilevel pwm voltage sour