顧志勇，陳如廣

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

多電平逆變器在中等能源管理市場(chǎng)上是頗具性價(jià)比的選擇[1],主要是由于其使用低耐壓開關(guān)器件便可得到輸出高壓的效果，使得電壓變化率dv/dt保持在較小水平的同時(shí)，又能獲得較多的電壓電平數(shù)，輸出更好的電能波形.此外，其也兼具使用效率高、電磁干擾低的優(yōu)勢(shì)，便于投入到高壓大功率場(chǎng)所的使用中[2-4].CHB(cascaded H-bride,CHB)多電平逆變器采用的是H橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相較于其他可投入商業(yè)使用的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，例如相較于鉗位型多電平逆變器，H橋式結(jié)構(gòu)由于未使用較多的鉗位二極管[5]，可以避免出現(xiàn)復(fù)雜的電容電壓均衡問題，提高了使用效率，且由于級(jí)聯(lián)H橋的拓?fù)涓子谕卣购脱由?，易于模塊化研究，從而能夠降低成本.CHB多電平逆變器的主要研究?jī)?nèi)容包括了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、操作原理、控制策略、調(diào)制策略、數(shù)據(jù)系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐驗(yàn)證等，此外還要考慮到各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需設(shè)備的不同使用情況和數(shù)量，最后生成相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.其中，調(diào)制策略是研究CHB逆變器的重要環(huán)節(jié)，掌握合適的調(diào)制策略便于我們?cè)诟玫孬@取理想電平數(shù)量的同時(shí)，也能降低使用成本.由于傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)H橋逆變器在同等級(jí)聯(lián)單元數(shù)下，可以輸出的電平數(shù)有限，因此專家們開始提出一種直流側(cè)電壓比為1：2的混合七電平逆變器[6].相較于傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)H橋逆變器，混合H橋逆變器可以在同等級(jí)聯(lián)單元下輸出更多的電平數(shù)，并且可以使用的調(diào)制策略也更加靈活.傳統(tǒng)混合脈寬調(diào)制策略雖然能實(shí)現(xiàn)較多的電平數(shù)目，但是存在高低壓?jiǎn)卧谕恢芷趦?nèi)，部分區(qū)域存在輸出電壓極性相反的情況，即該策略有電流倒灌的問題.針對(duì)上述提到的傳統(tǒng)混合調(diào)制策略的不足之處，結(jié)合混合七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，提出改進(jìn)型調(diào)制策略，以此解決電流倒灌問題，達(dá)到倍頻效果，減少器件的開關(guān)損耗，增加器件的使用壽命.

1 混合七電平CHB逆變器拓?fù)?/h2>

混合七電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 混合七電平CHB逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中顯示該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩個(gè)獨(dú)立的直流電源，且高壓?jiǎn)卧c低壓?jiǎn)卧绷鱾?cè)電壓之比為2：1.S11、S31、S21、S41、S12、S32、S22、S42為8個(gè)IGBT開關(guān)器件，這里定義開關(guān)器件用函數(shù)Sij表示，其中i=1，2，3，4；j=1，2.

UH1是高壓H1單元的輸出電壓，UH2是低壓H2單元的輸出電壓，UAN為這兩單元的輸出相加總電壓，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

UAN=UH1+UH2.

(1)

每個(gè)級(jí)聯(lián)單元可以輸出3個(gè)電平，從高壓?jiǎn)卧獊砜?，可以輸?E、-2E和0共3個(gè)電平；從低壓?jiǎn)卧獊砜?，可以輸出E、-E和0共3個(gè)電平.該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器可輸出7個(gè)電平：±3E、±2E、±E、0.各級(jí)聯(lián)單元輸出電平關(guān)系具體如表1所列.

在表1可以看出，兩個(gè)級(jí)聯(lián)單元的開關(guān)狀態(tài)有冗余的現(xiàn)象，且在UAN=±E時(shí)，會(huì)發(fā)生兩個(gè)級(jí)聯(lián)單元輸出的電壓極性相反的情況，因此導(dǎo)致了電流倒灌和能量反饋的情況出現(xiàn).

表1 各級(jí)聯(lián)單元輸出電平關(guān)系

2 調(diào)制策略的研究

2.1 傳統(tǒng)混合CHB調(diào)制策略

在傳統(tǒng)混合調(diào)制策略中高壓?jiǎn)卧狧1使用階梯波調(diào)制，選取正弦波Vr為調(diào)制波、Vm為階梯波.根據(jù)階梯波調(diào)制的特性，高壓?jiǎn)卧ぷ髟诨l狀態(tài)之下，減少了開關(guān)損耗，具備一定經(jīng)濟(jì)性.接著將Vm減去Vr可以得到低壓?jiǎn)卧恼{(diào)制波Vref，Vcr和-Vcr為兩個(gè)極性相反的三角載波，其幅值為1.傳統(tǒng)的混合調(diào)制策略如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)混合CHB調(diào)制策略

對(duì)于高壓?jiǎn)卧?，可以隨著階梯波Vm輸出的電壓大小為2E，其波形如圖2中uH1所示.對(duì)于低壓?jiǎn)卧狧2,當(dāng)調(diào)制波Vref大于三角載波Vcr時(shí)，可以輸出電壓E;當(dāng)調(diào)制波Vref小于-Vcr時(shí)，可以輸出的電壓大小為-E，其輸出電壓的波形如圖2中uH2所示.可以通過兩個(gè)級(jí)聯(lián)單元輸出的電壓波形看出，在兩個(gè)電壓疊加的交界處會(huì)發(fā)生輸出電壓極性相反的情況，因此該調(diào)制策略會(huì)導(dǎo)致電流倒灌和能量回饋等問題.

2.2 CHB優(yōu)化調(diào)制策略

基于傳統(tǒng)H-PWM調(diào)制策略提出的優(yōu)化調(diào)制策略如圖3所示.其中高壓?jiǎn)卧琅f采用階梯波調(diào)制的方法，工作在基頻，而低壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)t使用了類似雙極倍頻的方法.正弦波vr為調(diào)制波，設(shè)定其表達(dá)式為：

Vr=3Msin(wt),

(2)

圖3 改進(jìn)型CHB調(diào)制策略

式中，M為調(diào)制度.

在進(jìn)行低壓?jiǎn)卧{(diào)制中，Vref為改進(jìn)后的調(diào)制波，Vcr為雙極倍頻后的載波，其周期是圖2中載波Vcr的兩倍.其中Vref對(duì)應(yīng)的關(guān)系如下：

(3)

uH1和uH2分別為高壓H1單元和低壓H2單元對(duì)應(yīng)的電壓輸出波形(如圖3所示).由圖可知，在前半個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)調(diào)制波Vref大于載波Vcr時(shí)，開關(guān)管S12導(dǎo)通，否則視為關(guān)斷；當(dāng)Vref的反向調(diào)制波大于Vcr時(shí)，開關(guān)管S32導(dǎo)通，否則視為關(guān)斷.該調(diào)制策略顯示，同一周期內(nèi)，高低壓?jiǎn)卧]有出現(xiàn)電壓波形極性相反的情況，即無電流倒灌的問題出現(xiàn).此外，由于Vcr的載波周期相較于傳統(tǒng)混合調(diào)制策略中采用類似單級(jí)三角載波的載波周期提升了兩倍，達(dá)到了倍頻效果，在一定程度上減少了開關(guān)損耗，提升了經(jīng)濟(jì)性能.

3 仿真分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)型調(diào)制策略的可行性，運(yùn)用MATLAB/simulink搭建基于上述調(diào)制策略的七電平逆變器仿真模型.其中參數(shù)E為10 V,載波頻率為3 000 Hz，載波比為60；電阻R為50 Ω，電感L為0.004 H，調(diào)制度M=0.6/0.9.

圖4 高壓?jiǎn)卧{(diào)制原理

高壓和低壓?jiǎn)卧{(diào)制原理圖，與上文所述高低壓?jiǎn)卧闆r一致.高壓?jiǎn)卧\(yùn)行在基頻狀態(tài)，減少了開關(guān)損耗，而低壓?jiǎn)卧\(yùn)行在高頻狀態(tài)，能輸出較好的諧波特性[7-8].

圖5 低壓?jiǎn)卧{(diào)制原理

改進(jìn)型逆變器調(diào)制策略下，高低壓?jiǎn)卧敵龅碾妷汉湍孀兤麟妷翰ㄐ屋敵鋈鐖D6所示.由圖可知，當(dāng)M越大時(shí)，輸出電平數(shù)越多.調(diào)制度M=0.6和M=0.9的時(shí)候，同一周期下，當(dāng)高壓?jiǎn)卧敵鰳O性為正時(shí)，低壓?jiǎn)卧敵鰳O性也為正，而高壓?jiǎn)卧敵鰳O性為負(fù)時(shí)，低壓?jiǎn)卧敵鲆矠樨?fù)，因此在一個(gè)周期內(nèi)高低壓?jiǎn)卧敵鰳O性相同，即未出現(xiàn)電流倒灌和能量反饋的問題.

圖6 不同調(diào)制度下輸出電壓特性圖

4 結(jié)論

本文提出的改進(jìn)型調(diào)制策略主要基于具有兩個(gè)直流電壓源且其電壓比值為2：1的混合七電平逆變器，對(duì)其采用雙極倍頻調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)了倍頻效果的同時(shí)，解決了電流倒灌問題.