王源匯 南余榮

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

混合多電平逆變器在級聯(lián)單元數(shù)相同時能夠輸出更多電平數(shù)，具有更好的電壓波形，減少輸出總諧波畸變(Total Harmonic Distortion)。憑借這些優(yōu)勢，混合多電平逆變器在有源電力濾波器、高壓大功率電機等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。拓?fù)渲胁捎貌煌Y(jié)構(gòu)或者相同結(jié)構(gòu)不同開關(guān)器件或不同電壓比的逆變器稱為混合不對稱多電平逆變器［1-2］。

通常，飛跨電容式多電平逆變器，二極管鉗位式逆變器，H橋逆變器以及相互間的組合構(gòu)成了混合不對稱多電平逆變器?；旌喜粚ΨQ多電平逆變器相比傳統(tǒng)的多電平逆變器，采用不同直流電壓比時輸出更多電平數(shù)的電壓;高低壓單元采用不同的開關(guān)管如低壓高頻單元采用IGBT，而高壓低頻單元采用GTO(Gate turnoff thyristor)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)的損耗［3-4］。

混合不對稱多電平逆變器采用混合調(diào)制方法，相比傳統(tǒng)級聯(lián)多電平逆變器，在相同單元數(shù)時輸出電壓得到明顯改善?；旌隙嚯娖侥孀兤鞯恼{(diào)制思想:在不同直流電壓比時，高壓單元采用基頻的方法，輸出主要電壓和有功功率，低壓單元則采用高頻的PWM 調(diào)制，改善輸出波形［5-6］。

本文對采用傳統(tǒng)調(diào)制策略，特別是低調(diào)制比時的多電平逆變器各單元輸出電壓及功率分布進(jìn)行分析。同時通過對比較電平的取值進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出一種新的調(diào)制方法，使高壓單元在低調(diào)制比時依然能夠有效地輸出電壓，使功率分布不均衡的狀況得到改善。

1 混合不對稱多電平逆變器

目前已有的混合不對稱多電平逆變器由H橋、二極管鉗位式、飛跨電容式、半橋等組合構(gòu)成［7-8］。各種拓?fù)渚哂胁煌膬?yōu)缺點，考慮到級聯(lián)單元數(shù)、輸出電壓電平數(shù)等因素，圖1為本文構(gòu)建的采用不同電壓比的三單元混合不對稱多電平逆變器。

圖1中的Ed2，Ed3高壓單元為傳統(tǒng)H橋結(jié)構(gòu)，低壓直流單元Ed1采用二極管鉗位式逆變橋，采用不同電壓比不同結(jié)構(gòu)的三單元組成混合不對稱多電平逆變器。

各個單元在采用不同電壓比時，輸出電壓電平數(shù)會不同。如果每一個功率單元輸出的最大電平數(shù)為mj，則各功率單元直流側(cè)電壓按下式設(shè)置時［9］:

可以得到最多的輸出電平數(shù):

但過大的電壓比使得合成輸出電壓產(chǎn)生跳變，含有大量諧波。為避免輸出電壓跳變，能夠采用高頻PWM調(diào)制，則混合不對稱多電平逆變器各獨立直流電源電壓比均為整數(shù)比，滿足以下限制［10-11］:

式中Vj表示第j個單元的直流電壓。

在(3)式的范圍內(nèi)，混合多電平逆變器采用不同直流電壓比，高壓單元輸出電壓占相電壓基波電壓的比值也不相同［12］。當(dāng)高壓單元輸出基波電壓超過參考信號基波電壓，系統(tǒng)產(chǎn)生功率倒灌問題，降低系統(tǒng)效率［13］。如圖2 所示。

由圖2可見，最高壓單元輸出電壓基波不超過參考電壓基波的條件:

圖1 三單元混合不對稱多電平逆變器

圖2 不同直流電壓比時高壓單元基波電壓

在混合調(diào)制策略中，高壓單元采用比較電平的方式輸出合成電壓，因此，比較電平的選取對于合成電壓的輸出有較大的影響。同時比較電平的選取會對系統(tǒng)過調(diào)制產(chǎn)生影響，過調(diào)制使得低壓單元在一些時間間隔內(nèi)不能合成參考信號［14-15］，從而影響輸出電壓的諧波含量。比較電平的選取可以用下式表示:

式中ψj表示第j個單元的比較電平。

而傳統(tǒng)的混合調(diào)制策略在全調(diào)制比內(nèi)采用固定值的比較電平:

2 混合調(diào)制策略

2.1 多電平逆變器傳統(tǒng)調(diào)制策略

基于輸出電壓電平數(shù)和功率倒灌的考慮，三單元混合不對稱逆變器采用 V1∶V2∶V3=1∶1∶2 的電壓比。

設(shè)輸出相電壓的參考電壓為:

式中m為調(diào)制比，0≤m≤1。

單元3在傳統(tǒng)調(diào)制策略下輸出三電平電壓，傅里葉表達(dá)

式為:

次高壓單元的輸出電壓傅里葉表達(dá)式為:

單元1的輸出電壓為:

在傳統(tǒng)的混合調(diào)制策略中，采用常值的比較電平與參考電壓信號比較輸出合成電壓。在低調(diào)制比時，高低壓單元輸出功率分布不均衡尤為明顯。如圖3所示。

圖3 不同調(diào)制比下各單元輸出電壓(V1∶V2∶V3=1∶1∶2，ψ2=1，ψ3=2)

由圖3中，在調(diào)制比 ma=0.5時，最高壓單元輸出電壓為零電壓，其余單元均輸出有效電壓，此時各單元功率輸出分布明顯不均衡。當(dāng) ma=0.7 時，各單元均正常輸出電壓，功率分布較均衡。

由式(5)，比較電平可以在一定范圍內(nèi)變化。對于不同的直流電壓比，比較電平的變化范圍也隨之改變。

表1中可以看到，在滿足式(3)直流電壓比的情況下，比較電平的變化范圍隨著電壓比的不斷增大而減小，當(dāng)直流電壓比為式(3)中最大比值時(即V1∶V2∶V3=1∶2∶6)，比較電平的選取只有一種情況。當(dāng)三單元混合逆變器直流電壓比 1∶1∶1≤V1∶V2∶V3≤1∶1∶3 時，比較電平ψ2和ψ3在式(5)的范圍內(nèi)變化。

三單元混合多電平逆變器中，比較電平ψ2、ψ3分別可以在［0…1］、［0…2］內(nèi)變化，而比較電平在此間隔范圍內(nèi)變化對輸出電壓的影響，如圖4所示。

表1 三單元混合逆變器不同直流電壓下比較電平的范圍

圖4 比較電平對輸出電壓諧波的影響

圖4 中，調(diào)制比一定時，表1間隔內(nèi)變化的比較電平對輸出電壓諧波的變化非常小。因此，在調(diào)制比一定時，通過改變比較電平的大小，在不影響輸出畸變的情況下，調(diào)節(jié)單元的輸出電壓，改善單元的功率分布不均衡。在低調(diào)制比時，減小比較電平ψ3的取值，高壓單元可以輸出更高的基波電壓和功率，調(diào)節(jié)功率的均衡分布。

由上文分析，比較電平變化，在不影響輸出電壓諧波畸變的同時，可以調(diào)節(jié)單元的輸出功率。

2.2 新型混合調(diào)制策略

因此，提出一種新的調(diào)制方法，在不同調(diào)制比時，通過改變比較電平的取值，調(diào)節(jié)各單元的輸出功率，使各單元在全調(diào)制比范圍內(nèi)均能輸出電壓，改善各單元功率分布不均衡的問題。

通過式(6)、(7)，高壓單元輸出功率比為:

圖5 功率單元線性輸出時的比較電平

上式中，最高功率單元輸出功率在相有功功率流動中占63.36%。次高壓功率單元及低壓單元輸出有功功率分別達(dá)到相有功功率的 23.52%和13.12%。

在全調(diào)制范圍內(nèi)，通過不斷調(diào)整比較電平的取值，使混合多電平逆變器各功率單元在任何調(diào)制比時，均能保持功率均衡的線性輸出。圖5中，在全調(diào)制范圍內(nèi)，各單元功率輸出分別為63.36%，23.52%，13.12%時的比較電平。

3 多電平逆變器仿真驗證

為驗證新提出的調(diào)制方法的正確性，本文通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真驗證。采用混合不對稱多電平逆變器拓?fù)?，直流電壓比V1∶V2∶V3=1∶1∶2;正弦調(diào)制波頻率為50 Hz，三角載波頻率為4 000 Hz。

當(dāng) 調(diào)制比ma=0.4，采 用傳統(tǒng)常值比較電平的混合多電平逆變器，其高壓單元輸出電壓，波形如圖6(a)所示，在傳統(tǒng)調(diào)制策略下，輸出電壓為零電壓，導(dǎo)致輸出功率分布不均衡。系統(tǒng)總諧波畸變?nèi)鐖D6(b)所示。而采用新調(diào)制方法的高壓單元輸出如圖7(a)，單元仍線性功率輸出，各單元間功率輸出比成線性。

圖6 仿真輸出波形

圖7 仿真輸出波形

圖8 仿真輸出波形

當(dāng)調(diào)制比ma=0.8時，新的調(diào)制策略的合成輸出電壓與采用傳統(tǒng)調(diào)制策略的合成輸出電壓相比，高壓單元功率輸出占比有所提高，有利于各單元保持功率均衡。如圖8所示。

4 結(jié)束語

針對采用傳統(tǒng)調(diào)制策略的混合多電平逆變器各單元輸出功率，特別是低調(diào)制比時，功率分布失衡的問題。本文在混合不對稱多電平逆變器調(diào)制策略上做出改進(jìn):

(1)新調(diào)制策略并不改變輸出電壓諧波畸變。

(2)在全調(diào)制比范圍內(nèi)，改變比較電平的取值從而調(diào)節(jié)輸出單元功率分布的新調(diào)制策略。

仿真結(jié)果表明，各單元輸出功率隨調(diào)制比成線性變化。新調(diào)制策略可以有效的均衡各單元功率分布。

從仿真驗證的結(jié)果可以看出，新調(diào)制策略下，相合成輸出電壓并沒有變化，單元功率分布呈線性關(guān)系;單元間內(nèi)部功率流動將發(fā)生較大的變化。因此對低壓單元的開關(guān)損耗及鉗位電壓的影響需要進(jìn)一步的研究。

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