兩單元五開關逆變器的倍頻調制及功率平衡方法

胡文華, 丁文斌, 喻正炎, 邢瑞新, 余書琨, 熊志磊

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院, 江西 南昌 330013)

隨著電力行業的不斷發展,級聯多電平逆變器(CHB)無需注意串聯時開關器件的均壓問題,具有輸出電壓質量好、容易模塊化等優點,在高壓大功率傳動系統和新能源發電等領域實現了大規模的應用[1].

正負反向層疊正弦波脈寬(phase opposite disposition,POD)調制下逆變器輸出電壓的THD較小,各單元間功率不平衡[2].兩單元級聯H橋采用正弦脈寬調制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM),存在輸出電平數少且諧波含量高的問題.

為了解決以上弊端,目前研究的方向是對傳統CHB拓撲結構進行改進和創新并且提出相對應的調制策略,提高逆變器的輸出性能[3].五開關級聯H橋逆變器就是通過CHB改進得到,其電壓波形質量高且諧波含量低[4],但是五開關逆變器不管從拓撲還是調制策略方面,其參考文獻較少.對此,葉滿園等[5]通過級聯H橋輸出波形結合逆變器的工作模式逆向推導了五開關逆變器的脈沖信號,提供了一種全新調制的思路.張云等[6]提出了一種應用于五開關逆變器的新型SPWM控制策略,通過調制波分層和三角載波周期性交錯進行比較,得到了輸出電壓的驅動信號,但其本質為載波層疊調制,級聯單元之間存在功率均衡的問題.為此,葉滿園等[7]提出了改進的調制策略,利用載波移相的方法使得各單元功率分配均衡.許亞明等[8-9]通過對三角波進行周期性的重構解決了各單元之間功率均衡的問題.但改變三角載波的排列方式使得調制策略的數字難度增加.所以胡文華等[10]基于不對稱多電平逆變器的拓撲結構,通過對脈沖信號的邏輯組合得到開關管的驅動信號,使得兩個單元之間功率得到均衡,利于工程的實現.

本文為進一步增加五開關逆變器輸出電平數和提高波形質量,提出了一種兩單元級聯H橋九電平五開關逆變器新型拓撲結構和改進型 POD-PWM的倍頻調制策略,并給出了一種實現兩個單元之間功率均衡的方法.由仿真說明和實驗研究可知:兩單元五開關級聯H橋九電平逆變器應用所提調制策略既可以輸出更多的電平數,又具有良好的諧波特性.

1 逆變器拓撲及調制方法

1.1 拓撲

本文所提兩單元五開關級聯H橋九電平逆變器拓撲結構如圖1所示,由兩個五開關H橋逆變器單元構成該拓撲.兩個單元的輸出電壓分別為u1和u2,兩個單元通過變壓器級聯在一起形成的逆變器的輸出相電壓為uAN.該拓撲結構具有五開關逆變器和兩單元級聯H橋逆變器拓撲的特點,能輸出更多的電平數,使得諧波畸變率變低,提高了電能的質量,而且減少了器件的損耗.二極管D1和D2起到了續流和鉗位的作用并且拓撲結構引入了變壓器,

圖1 兩單元五開關九電平逆變器拓撲

雖然增加了成本和重量,但具有電壓變換、電氣隔離等優點.

表1給出了各個單元輸出的電壓及其對應的開關狀態.通過有序地對五個開關管進行通斷控制,來輸出相對應的±2E、±E和0共5種電平模式.表1中,“1”表示開關管導通,“0”表示開關管關斷.

表1 第一個單元的輸出電壓及其對應的開關狀態

五開關逆變器輸出的相電壓與兩個級聯單元的輸出電壓存在如下關系:

uAN=uH1+uH2

(1)

對于第一個單元來說,u1可以得到2E、E、0、-E和-2E共5種電平;對于第二個單元,u2可以得到2E、E、0、-E和-2E共5種電平.所以uAN一共有±4E、±3E、±2E、±E和0共9種電平的輸出.

1.2 基于改進型POD-PWM倍頻調制策略

為了解決傳統兩單元級聯H橋在POD-PWM調制下輸出電平數少的問題,對于本文五開關拓撲,可以采用改進型POD-PWM對其進行調制,通過正弦波和三角載波相比較得到的脈沖信號再進一步進行邏輯組合才能作為各個開關管的觸發信號,但兩個單元之間仍然存在功率均衡的問題.圖2為改進POD-PWM調制原理,vn、vn1和vn2為正弦波調制信號, 其數學表達式為

(2)

圖2中,載波vd+、vd-、vb+和vb-垂直排列,幅值和頻率相同,但相位相反;vd+、vd-為開關管S11、S12、S21和S22的載波信號;vb+、vb-為開關管S15、S25的載波信號;開關管S13、S14、S23和S24的驅動信號為基波頻率的方波信號,不需另加載波信號進行調制,其他開關器件都需要通過正弦波和三角載波比較,再進行邏輯組合得到驅動信號,具體過程為:當vn1>vd+,vn1>vd-時,得到脈沖信號q1和q2,對其進行或操作得到S11觸發信號,對其進行與操作得到S21觸發信號;當vn2>vd+,vn2>vd-時,得到脈沖信號e1和e2,對其進行或操作得到S12觸發信號,對其進行與操作得到S22觸發信號;當vn>vb+,vn>vb-時,得到脈沖信號z1和z2,對其進行與操作,得到S15驅動信號,對其進行或操作得到S25觸發信號.

圖2 改進POD-PWM調制原理圖Fig.2 Improved POD-PWM modulation schematic

根據以上分析,第一個單元和第二個單元各個開關器件的觸發信號滿足如下關系式:

(3)

1.3 功率均衡方法

圖3 改進POD-PWM調制下的功率均衡方法Fig.3 Improved power balance method under POD-PWM modulation

兩單元五開關逆變器之間級聯構成回路,流過的電流大小相等,但是在一個周期內的電壓基波幅值各不相同,因此在改進型POD-PWM下兩個單元輸出功率并不均衡,對此提出了一種功率均衡的策略,即通過交換脈沖實現功率均衡,調制原理如圖3所示.分析如下:P1、P2為相差180°的兩個方波信號,其頻率和基頻相同,S11、S12、S21、S22、S15、S25為六個開關器件的初始驅動信號;P1、P2信號的作用就是對初始信號按照1/2輸出電壓周期循環進行互換,得到實際驅動信號S′11、S′12、S′21、S′22、S′15和S′25,這樣使得u1和u2電壓波形在半個周期內交換,電壓基波幅值相等,實現了兩個單元之間的功率均衡.由圖3可知,當交換S11、S21的觸發信號,S12、S22觸發信號保持不變,兩個單元開關管的正半周期實際驅動信號的數學邏輯表達式為

(4)

當交換S12、S22的觸發信號,S11、S21觸發信號保持不變,兩個單元開關管負半周期的實際驅動信號的數學邏輯表達式為

(5)

對于兩單元五開關級聯H橋逆變器來說,在一個周期T內,第一個和第二個單元輸出的平均功率表達式為

(6)

式中:Uoi為第i個單元(i=1,2)電壓基波分量的幅值;Io為輸出相電流的幅值;β為輸出電壓和電流相位之差.根據雙邊傅里葉分析法可知,兩個單元輸出的電壓基波分量幅值為

Uo1=Uo2=mE

(7)

根據式(6,7)可知,Po1=Po2,第一個和第二個單元的功率達到了均衡.

2 仿真研究

為了驗證倍頻調制策略以及功率均衡方法的正確性,利用Matlab2018/Simulink進行了兩單元五開關級聯H橋逆變器的仿真研究,仿真參數為E=100 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=5 000 Hz,m選擇0.9、0.6、0.3,fm=50 Hz,變壓器變比N=1.

圖4為m選擇0.3、0.6和0.9時,采用功率均衡的改進型POD-PWM調制策略,逆變器各個單元及總的輸出電壓波形.由于開關器件導通時刻各不相同,第一、二兩個單元從三電平到四電平最后再到五電平,輸出的相電壓從五電平到七電平最后完成了九電平的轉變,輸出了更多的電平數.

圖4 逆變器在功率均衡策略下的輸出電壓波形Fig.4 The output voltage waveform of the inverter under the power balance strategy

兩個單元的輸出功率波形如圖5所示,采用改進型POD-PWM調制策略并對開關管驅動信號進行1/2電壓周期互換的策略,使兩個單元的功率得到了均衡.

圖5 功率均衡調制方法下兩個單元的輸出功率

圖6為兩單元五開關逆變器在采用功率均衡的改進型POD-PWM輸出相電壓頻譜圖,可見加大調制比,輸出相電壓的THD在不斷減小,具有更高的電能質量.而且逆變器輸出電壓的諧波主要分布在載波頻率fc=5 kHz的2n(n=1,2,…)倍及其附近處,實現了對逆變器的倍頻調制,提高了輸出電壓的等效頻率,因此在實際頻率較低的情況下,兩單元五開關逆變器的輸出電壓也具有良好的諧波特性.

圖6 功率均衡策略下逆變器的輸出電壓頻譜Fig.6 Inverter output voltage spectrum under power balance strategy

3 實驗驗證

為了驗證本文所提兩種調制策略及功率均衡方法的準確性和切實性,搭建了一個兩單元五開關九電平逆變器實驗平臺(如圖7所示),采用FPGA對主電路進行控制.主要參數為E=24 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=5 000 Hz,m=0.9,fm=50 Hz,變壓器變比N=1.

圖7 實驗平臺

圖8給出了在功率均衡的POD-PWM調制策略下,m=0.9時逆變器的輸出波形.從圖8b可知,輸出相電壓中諧波頻率主要分布在2fc附近,與仿真輸出頻譜一致.

圖9給出了在調制度為0.9時,第一和第二個單元的輸出電壓、電流和瞬時功率波形.從圖中可以看出,兩個單元各自的瞬時功率波形在一個周期電壓輸出下保持一致,證明了這種功率均衡策略的優越性和有效性.

圖8 m=0.9時逆變器的電壓波形及頻譜圖Fig.8 Inverter voltage waveform and frequency spectrum when m=0.9

圖9 調制度m=0.9時逆變器的輸出功率波形

4 結論

本文提出了一種直流側電壓比為1∶1的兩單元五開關九電平逆變器拓撲結構和改進型POD-PWM的倍頻調制策略,相對于傳統兩單元級聯H橋來說,得到了更多的電平數和較高的波形質量.在改進型POD-PWM的倍頻調制策略的基礎上,通過交換1/2輸出電壓周期驅動脈沖,使得在一個輸出電壓周期內實現了第一和第二兩個單元之間的功率均衡.