崔燦 曼蘇樂 王君艷 胡志勇，張秀彬

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

近年來，在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域，多電平功率變換技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并不斷涌現(xiàn)出大量新型電路拓?fù)浜拖鄳?yīng)的控制策略。與其他形式的多電平變換器相比，級聯(lián)多電平逆變器有如下優(yōu)點(diǎn):無需大量的鉗位二極管和鉗位電容，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單;由分立的直流電壓為每個(gè)單元供電，不存在電容電壓不平衡問題，這也是其復(fù)雜所在;基于傳統(tǒng)兩電平全橋變換器結(jié)構(gòu)單元，技術(shù)成熟，易于模塊化。正因?yàn)槿绱?，級?lián)多單元多電平逆變器具有較高的性價(jià)比，其模塊化結(jié)構(gòu)易于集成和維護(hù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，通過準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)，分析級聯(lián)型多電平逆變器的開關(guān)控制信號對輸出電壓的影響，對多電平逆變器的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 級聯(lián)型多電平主電路拓?fù)?/h2>

單相級聯(lián)型逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中H橋電路是最基本最簡單的模塊單元結(jié)構(gòu)，通過控制4個(gè)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷可以輸出-Ui、0、Ui三種電平。N個(gè)級聯(lián)單元均采用較低開關(guān)頻率的SPWM，并具有相同的調(diào)制比kc，調(diào)制度m和共同的正弦調(diào)制信號，而各級聯(lián)單元三角載波的相位角依次差θ，利用SPWM技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加原理產(chǎn)生輸出波形。級聯(lián)逆變器由N個(gè)H橋電路組成，輸出相電壓的電平數(shù)M=2N+1，每個(gè)橋都有其獨(dú)立的直流輸入電源，輸出電壓為各橋輸出電壓之和:

由于逆變器的輸出功率與輸出電壓的平方成正比，為提高多電平逆變器的輸出功率，應(yīng)盡量減小輸出波形中的諧波成分，使逆變器的輸出電壓波形更加接近正弦。若采用高頻調(diào)制控制策略，則為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)PWM調(diào)幅，要求多電平變換器中各個(gè)模塊的直流輸入電壓必須滿足一定的約束條件，而且也需通過增加輸出電壓的電平數(shù)來降低級聯(lián)型多電平逆變器的總諧波畸變率(THD)。然而，增加多電平變換器輸出電壓的電平數(shù)，勢必使變換器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，而且隨著多電平逆變器工作頻率的提高，高頻載波的頻率也隨之增大，這就要求用于多電平逆變器中的高頻調(diào)制模塊具有更好的頻率特性。

圖1 單相級聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 級聯(lián)多電平逆變器輸出特性

由上文載波移相PWM原理，根據(jù)文獻(xiàn)［1］對輸出電壓進(jìn)行傅立葉分析，可得單個(gè)H橋單元輸出傅立葉形式為:

其中，UH為單個(gè)H橋輸出;Ud為H橋輸入直流電壓;m為調(diào)制度;載波比kc=fc/f，fc為三角載波頻率，f為正弦調(diào)制波頻率，ωc為三角載波角頻率，ω為正弦調(diào)制波角頻率;Jk為k次貝塞爾函數(shù):

由(1)式可以看出，輸出電壓UH不再含有2kc±1次以下的諧波。N個(gè)單元級聯(lián)后輸出相電壓U0的傅立葉展開式為:

θk(k=1，2，3…，N)為每個(gè) H 橋載波相移角度。

級聯(lián)逆變器輸出電壓總諧波畸變?yōu)?

Jk當(dāng)k較大時(shí)值很小，可忽略，因此基波分量可近似認(rèn)為只有Nmsinωt，(2kc-1)ω以下的低頻諧波分量基本可以忽略。

表1 級聯(lián)逆變器控制觸發(fā)角

3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)［2］所得出的開通角度如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中取載波頻率fc=3.2kHz，調(diào)制波頻率f=50Hz;調(diào)制比m=1;

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，就7、9、11三種電平采用Simulink進(jìn)行仿真分析，波形分別如圖2、3、4所示。

圖2 7電平級聯(lián)逆變器輸出波形及FFT分析

4 結(jié)束語

載波移相技術(shù)廣泛用于級聯(lián)多電平逆變器中，級聯(lián)H橋數(shù)目越多，波形就越接近正弦波，輸出波形的THD就越低。另外調(diào)制策略的不同會(huì)導(dǎo)致移相角度的不同，從而輸出特性會(huì)有所差別。從以上仿真所得圖中可以看出，在電平數(shù)相同的情況下，輸出電壓波形基本一致，而表1所用的移相方式明顯輸出THD要比360°/N的移相方式要大，因此360°/N的移相方式更適合應(yīng)用。但是表1移相其諧波主要分布在高頻部分，低頻段諧波很小(幅值在基波的0.1%以下)，由于濾高頻諧波所需的電容相對較小，可以考慮添加較簡單的濾波電路濾去其高頻諧波，從而使THD達(dá)到應(yīng)用要求。

圖3 9電平級聯(lián)逆變器輸出波形及FFT分析

圖4 11電平級聯(lián)逆變器輸出波形及FFT分析

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