宋 辰， 岳云濤， 朱心月， 常 昊， 王 成

(1. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044； 2. 北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京 102616)

0 引言

隨著大功率高壓電力電子裝置的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的兩電平變換器并不適用于中高壓、大容量的場(chǎng)合，多電平逆變器，已發(fā)展到七電平、九電平，甚至向更多的電平數(shù)發(fā)展?；贖橋拓?fù)涞募?jí)聯(lián)多電平逆變器，因其模塊化設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展、轉(zhuǎn)換壓力低、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的一種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本課題研究取消了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)式多電平變換器電路中的工頻變壓器，設(shè)計(jì)出無工頻變壓器級(jí)聯(lián)式多電平變換器(NFT H-CML, Non-power frequency transformer H-cascaded multilevel converters)電路，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，及基于五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的載波相移控制，并且在MATLAB-simulink平臺(tái)搭建仿真模型，通過改變參數(shù)多次調(diào)試，進(jìn)行仿真波形和傅里葉頻譜分析，找出影響其工作性能的敏感因子，給出仿真結(jié)果及結(jié)論。級(jí)聯(lián)式多電平變換器主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 級(jí)聯(lián)式多電平變換器主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1 三相七電平及三相九電平的matlab模型

本次研究在matlab/simulink平臺(tái)上搭建了三相七電平帶阻感負(fù)載的仿真模型，采用matlab元器件庫里的集成模塊作為H橋模塊(其內(nèi)部主要拓?fù)淙鐖D2所示)。該仿真模型由3個(gè)單相七電平的仿真模型采用星型結(jié)構(gòu)連接而成，每相均接有RL負(fù)載，無中性線。該仿真單元包含4個(gè)部分：(1)直流電源部分；(2)H橋模塊；(3)PWM波生成模塊；(4)負(fù)載部分。圖中3個(gè)PWM波生成模塊的內(nèi)部封裝子系統(tǒng)將在下一節(jié)做詳細(xì)介紹。三相的SPWM波發(fā)生模塊大體都相同，只是B相的相位之后A相120°，C相滯后A相240°。負(fù)載的運(yùn)行性能取決于三相線電壓的質(zhì)量，故將對(duì)輸出線電壓的波形及頻譜做主要分析。

圖2 H橋單元模塊內(nèi)部拓?fù)鋱D

2 CPS-SPWM調(diào)制策略

本文所用到的調(diào)制策略是載波移相調(diào)制(簡(jiǎn)稱“CPS-SPWM”)，該調(diào)制法通常應(yīng)用在多單元串聯(lián)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，由經(jīng)該調(diào)制策略輸出的階梯波的仿真波形分析可知，對(duì)于N單元串聯(lián)變換器，三角載波之間的移向θc=π/N，此時(shí)可使得諧波消除效果達(dá)到最大化，且可使等效開關(guān)頻率得以提高。在本次仿真中，由一個(gè)正弦調(diào)制波和多個(gè)三角載波參與調(diào)制，參與調(diào)制的多個(gè)三角載波的相位設(shè)置為：組內(nèi)移相180°；組間移相360°/N。以三相七電平H橋級(jí)聯(lián)型逆變器為例說明。

SPWM波生產(chǎn)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)部分：(1)正弦波生成模塊；(2)三角載波生成模塊；(3)邏輯比較模塊。每相的3個(gè)H橋單元模塊共用一個(gè)正弦波發(fā)生器，其單元間三角載波相移角為60°，單元組內(nèi)相移角為180°。PWM1～PWM12輸出的波形分別作用在級(jí)聯(lián)的3個(gè)H橋單元內(nèi)部的12個(gè)功率開關(guān)器件上，實(shí)現(xiàn)SPWM控制。具體工作原理：該SPWM波生成模塊內(nèi)部共用一個(gè)正弦波發(fā)生器，且含有6個(gè)三角載波發(fā)生器。6個(gè)三角載波發(fā)生器分為三組，每4個(gè)供給一個(gè)單元H橋模塊。

第一個(gè)比較器Relational Operation中，當(dāng)正弦波大于三角波時(shí)輸出高電平，形成信號(hào)PWM1，取反后形成信號(hào)PWM2。PWM1作用于第一個(gè)H橋模塊單元左橋臂的上開關(guān)管，PWM2作用于下開關(guān)管。與此類似，經(jīng)過第二個(gè)比較模塊Relational Operation1后形成的信號(hào)PWM3與PWM4分別作用于第一個(gè)H橋模塊單元內(nèi)右橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管。以此類推，經(jīng)過同樣的比較方式形成的信號(hào)PWM1～PWM12。

3 仿真結(jié)果分析

上述無工頻變壓器三相七電平逆變器的輸出電壓波形及頻譜分析如圖3所示。由此可見其輸出電壓波形達(dá)到13電平，更好地逼近正弦波，其頻譜分析得出諧波畸變率THD僅為14.93%。

圖3 無工頻變壓器三相七電平逆變器的仿真分析

在此基礎(chǔ)上改變幅值調(diào)制率M、載波頻率fc、級(jí)聯(lián)單元數(shù)進(jìn)行仿真，研究各個(gè)潛在因子對(duì)輸出電壓諧波的影響，得到仿真結(jié)果圖4～14，本次仿真結(jié)果匯總見表1。

圖4 五電平M=1時(shí)THD=27.24%

圖5 五電平M=0.75時(shí)THD=40.34%

圖6 五電平M=0.5時(shí)THD=51.96%

圖7 五電平M=0.25時(shí)THD=123.31%

圖8 五電平fc=1kHz時(shí)THD=27.24%

圖9 五電平fc=10kHz時(shí)THD=26.91%

由表1可知：(1)當(dāng)三角波載波頻率fc恒定時(shí)，無工頻變壓器級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的輸出電平數(shù)隨調(diào)制因子M增加而增加。(2)在載波頻率fc一定的情況下，電壓波形畸變率THD隨著調(diào)制度的升高而減少，由此說明，調(diào)制度是一個(gè)很關(guān)鍵的影響因子，輸出波形電平數(shù)與其成正比，電壓諧波含量與其成反比，畸變率也與其成反比。故增加H-CML的調(diào)制度，可以提高消除諧波的效果。(3)在調(diào)制度M相同的情況下，載波頻率越大，其等效載波頻率也越大，且滿足關(guān)系式：fn=2Nf，其中N為級(jí)聯(lián)單元數(shù)。(4)在適宜的調(diào)制度M下，輸出線電壓滿足關(guān)系式L=4K+1(K為每相單元數(shù))。

仿真結(jié)果匯總 表1

圖10 五電平fc=100kHz時(shí)THD=114.82%

圖11 單相2單元THD=26.91%

圖12 單相3單元THD=18.26%

圖13 三相6單元THD=25.80%

圖14 三相9單元THD=14.93%

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于CPS-SPWM的新型無工頻變壓器級(jí)聯(lián)型多電平變換器，在matlab/simulink仿真平臺(tái)上對(duì)三相七電平的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行了仿真，并改變了其潛在的影響因子進(jìn)行仿真，進(jìn)而討論其輸出電壓的諧波性能，具有重大意義。主要有以下幾點(diǎn)。

(1)具有級(jí)聯(lián)型H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平變流器所需的元器件數(shù)目較少。

(2)由于每個(gè)H橋單元都配有獨(dú)立的直流源，因此直流側(cè)的均壓?jiǎn)栴}相對(duì)容易解決。

(3)在級(jí)聯(lián)型H橋多電平逆變器中可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)功率器件低開關(guān)頻率輸入，卻可獲得高輸出頻率，且大大降低功率器件的電壓變化陡度du/dt，減小了電磁干擾。

(4)由于各個(gè)H橋單元模塊結(jié)構(gòu)一致、參數(shù)設(shè)置一致，容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)在不正常工況下仍可可靠運(yùn)行。