基于混合級聯(lián)拓撲的多電平逆變器設計

基于混合級聯(lián)拓撲的多電平逆變器設計

0采用混合級聯(lián)拓撲的旅游參數(shù)控制器隨著能源的日益緊張，開關(guān)速度的增加，以及pd控制器的普及，多平壓延的多平壓延技術(shù)是有效的。多電平逆變器主要有二極管鉗位型、飛跨電容型和級聯(lián)型3種拓撲結(jié)構(gòu),其中級聯(lián)型拓撲由于具有不存在電壓不平衡問題、易于模塊化擴展和易于PWM控制等顯著優(yōu)點被廣泛地應用。但級聯(lián)多電平逆變器也有一大缺點,即需要大量的獨立鉗位電源。為了解決該問題,各國學者提出了很多改進方案,其中混合級聯(lián)方案相對來說比較簡潔可靠,但倒灌電流問題制約了該方案的應用。本文結(jié)合實際功率器件的耐壓值,采用增加低壓單元的混合級聯(lián)拓撲,輔以優(yōu)化的PWM算法,設計出了適用于6kV、10kV電壓等級的改進型多電平逆變器方案。增加低壓單元的拓撲雖然增加了成本,但可以有效地防止倒灌電流和提高輸出電壓波形的電平數(shù),另外多低壓單元還可采用相移SPWM法來降低對開關(guān)器件頻率的要求,因此是經(jīng)濟可行的?；谛路桨改孀兤鞯拈_環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果驗證了改進方案輸出波形的高質(zhì)量和防止倒灌電流的有效性。1混合多平衡量逆方案1.1級聯(lián)單元的電壓比傳統(tǒng)的級聯(lián)逆變器的基本單元如圖1中虛線框所示的三電平H橋,通過開關(guān)器件的不同組合,AB兩端電壓可以取值為E、-E、0。如果把基本單元電路如圖1的方式級聯(lián)起來,就可以得到更高電平輸出的逆變器。傳統(tǒng)的級聯(lián)多電平電路的級聯(lián)單元之間的電壓比都是1∶1,實際上可以把級聯(lián)單元的直流鉗位電源電壓比設為1∶2或者1∶3,并且在不同單元中使用不同功率器件(例如高壓單元使用高耐壓、低頻率GTO或IGCT,低壓單元使用低耐壓、高頻率IGBT)。高壓單元以輸出電壓的基波頻率為切換頻率,實現(xiàn)主要基波能量的輸出,而較低電壓逆變單元則在較高的頻率下進行脈沖寬度調(diào)制,用來改善輸出波形,這樣可以實現(xiàn)用較少的級聯(lián)單元實現(xiàn)高電平的電壓輸出。如果將電壓比設為1∶4或更高,輸出電平中就會出現(xiàn)超過1個單位電平的跳變,因此用于逼近正弦波形的實用價值不大。若將該思想進一步歸納或延伸,就可以得出1N、2N、3N型3類主要混合串級逆變電路。在保持電平變換連續(xù)的情況下,把這3種主要的混合電路進行組合,可以得到更多的拓撲結(jié)構(gòu)。1.2高壓單元接收點電壓隨其電壓變化的特性混合級聯(lián)多電平逆變器的電源一般都是通過不可控整流橋整流而得到,但在采用傳統(tǒng)調(diào)制方法時,混合級聯(lián)多電平逆變器在某些電平的實現(xiàn)時會出現(xiàn)高壓單元向低壓單元灌入電流的情況(如表1所示,其中“*”表示兩者同步變化)。從調(diào)制比的角度講,調(diào)制比在某些取值范圍內(nèi),高壓模塊輸出的基波電壓將大于變換器輸出的基波電壓,這時低壓模塊抵消這一部分電壓,電流灌入現(xiàn)象就會出現(xiàn)。從單元電路的取值角度講,當高壓單元與低壓單元的輸出電壓值相反時,就會出現(xiàn)電流灌入。如在電壓比為1∶2的單相級聯(lián)五電平電路中,傳統(tǒng)PWM調(diào)制各單元橋的電平變化如表1所示,當輸出電壓電平在-1～-2和2～1變化時就會產(chǎn)生倒灌電流。解決倒灌電流的方法一般有整流側(cè)采用可控器件、變載波調(diào)制(如表1所示)和級聯(lián)單元采用二極管鉗位多電平結(jié)構(gòu)3種方法,但都有不足之處:采用可控器件會增加系統(tǒng)成本;變載波調(diào)制讓高壓單元部分參與了波形調(diào)制,增大了逆變器的開關(guān)損耗;級聯(lián)鉗位式多電平單元的方案由于引入了電容,會出現(xiàn)電容充放電不平衡的問題,將影響輸出波形的質(zhì)量。2多因素和平態(tài)電壓逆壓計2.1低壓單元的保護中高壓變換器常用的功率器件主要有GTO、IGBT和IGCT三種,中高壓電機一般有3kV、6kV和10kV三個等級。對應6kV、10kV電機的中高壓逆變器,若采用混合級聯(lián)結(jié)構(gòu),比較經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)是選用3個或4個H橋。例如:對于6kV的電機,高壓逆變器采用3個H橋混合級聯(lián)結(jié)構(gòu),其電源幅值比為1∶1∶2,即1500∶1500∶3000,考慮2倍的設計裕量,則低壓單元對應的開關(guān)器件選用額定電壓為3.4kV的IGBT,高壓單元的開關(guān)器件選用額定電壓為6kV的IGCT;對于10kV的電機,高壓逆變器采用4個H橋混合級聯(lián)結(jié)構(gòu),其電源幅值比為1∶1∶2∶2,對應的器件選用額定電壓為4.5kV的IGBT、額定電壓為6kV的IGCT。選用器件的額定電流值根據(jù)負載電流決定。上述混合級聯(lián)逆變器的設計采用了雙低壓單元的方案,并且低壓單元的電壓值之和等于高壓單元的電壓值,這就為采用PWM算法防止倒灌電流的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。以電壓比為1∶1∶2的拓撲為例,如果高低電壓單元調(diào)制的電平組合方式設計如表2所示,就可以防止倒灌電流的出現(xiàn)。對于有N個級聯(lián)H橋的混合級聯(lián)結(jié)構(gòu),假設其電壓比按照從小到大排列為:u(1)∶u(2)…∶u(N-1)∶u(N),如果滿足條件u(n)≤∑m=1n?1u(m),n=2,3?N(1)u(n)≤∑m=1n-1u(m),n=2,3?Ν(1)則都可以采用類似表2中所示的電平組合方式來防止倒灌電流。增加低壓模塊的混合級聯(lián)逆變器方案,不僅可以防止倒灌電流的產(chǎn)生,而且還能根據(jù)器件的耐壓值以及其它方面的要求,在遵循式(1)的規(guī)律下靈活配置。另外,若讓2個低壓單元都進行PWM調(diào)制則可實現(xiàn)倍頻,增加輸出脈沖的數(shù)量,提高輸出波形的質(zhì)量。2.2高頻dm調(diào)制多電平逆變器功能的實現(xiàn),不僅要有適當?shù)碾娐吠負浣Y(jié)構(gòu)作為基礎,還要有相應的PWM算法作為保障?，F(xiàn)以電源電壓比為1∶1∶2的混合級聯(lián)九電平逆變器為例說明新方案PWM算法的設計。對于混合級聯(lián)多電平逆變器,一般都采用高頻PWM調(diào)制與低頻方波調(diào)制相結(jié)合的復合調(diào)制策略。高壓單元采用基頻方波調(diào)制以減小開關(guān)損耗,低壓單元采用高頻PWM調(diào)制以提高輸出波形質(zhì)量。改進的混合級聯(lián)九電平逆變器拓撲中有2個低壓單元,因此低壓單元的調(diào)制方式也有2種:(1)一個低壓單元采用高頻PWM調(diào)制,另一個低壓單元采用方波調(diào)制;(2)低壓單元都進行高頻調(diào)制,采用載波相移SPWM方法來增加輸出脈沖,進一步提高輸出波形的質(zhì)量。很明顯,第二種調(diào)制方式可以用較低的開關(guān)頻率得到較好的輸出波形質(zhì)量,因此本文采用第二種調(diào)制方式。級聯(lián)多電平載波相移SPWM基本原理:各H橋均采用低開關(guān)頻率的SPWM,并具有相同的頻率調(diào)制比、幅度調(diào)制比和共同的正弦調(diào)制信號,而各H橋三角載波的相位角依次相差一定的角度α?；旌霞壜?lián)多電平拓撲中有2個低壓H橋,因此三角載波間相位相差180°。在數(shù)字實現(xiàn)時,第二個H橋的脈沖信號由第一個H橋的脈沖信號延時半個采樣周期即可。綜上所述,新的PWM算法綜合了混合級聯(lián)多電平復合調(diào)制算法與載波移相算法的優(yōu)點,可以提高輸出電壓的波形質(zhì)量。采用電壓比為1∶1∶2方案的混合級九電平聯(lián)逆變器的參考電壓分配如表3所示。更多電平的混合級聯(lián)逆變器的PWM算法都可采用上述方法擴展得到。3電機功率特性仿真為了驗證增加低壓單元的混合級聯(lián)逆變器的性能,本文利用MATLAB軟件的Simulink及Powersystems工具箱,采用電壓比為1∶1∶2方案的混合級聯(lián)九電平逆變器建立了VVVF開環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。仿真系統(tǒng)的混合級聯(lián)拓撲低壓、高壓單元的電壓分別被設為55V、110V,三角波的周期為0.001s;電機的額定參數(shù):功率PN=202kW,額定電壓UN=380V,額定電流IN=5A,額定頻率fN=50Hz,額定轉(zhuǎn)速nN=1420r/min。仿真時壓頻比保持為K=U1f1=22050=4.4Κ=U1f1=22050=4.4,電機為恒負載Tm=2N。仿真輸出略。仿真結(jié)果表明:(1)混合級聯(lián)九電平逆變器各單元的輸出電壓波形沒有極性相反的情況,因此不會出現(xiàn)倒灌電流,混合級聯(lián)逆變器工作穩(wěn)定;(2)混合級聯(lián)九電平逆變器的輸出電壓波形有很好的波形質(zhì)量,總諧波含量非常小;(3)混合級聯(lián)九電平逆變器用于電機調(diào)速時,在不需要輸出濾波器的情況下也能得到滿意的輸出電流波形。4多電