一種新型5電平拓?fù)淠孀兤鞯难芯?/h1>
2016-10-12 01:41:58張新濤陸啟凡張磊劉小剛何英杰
電氣傳動 2016年6期
張新濤，陸啟凡，張磊，劉小剛，何英杰
（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；
2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）
一種新型5電平拓?fù)淠孀兤鞯难芯?/p>
張新濤1，陸啟凡2，張磊1，劉小剛1，何英杰2
（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；
2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）
近年來，隨著高壓大功率場合下電力電子裝置應(yīng)用的需求越來越多，同時對輸出電壓波形和控制精度也提出了很高的要求。于是，多電平逆變器因為其輸出波形諧波量較小，開關(guān)元件承受電壓小，輸出電源質(zhì)量好成為了研究的熱點。但是傳統(tǒng)多電平拓?fù)溆懈髯缘娜秉c，因此需要一種新型的5電平逆變電路拓?fù)?，克服其缺點。通過融合飛跨電容電路特點，提出了一種新型5電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后通過分析電路的工作原理，提出了電路的控制及調(diào)制方法。最后通過仿真和硬件實驗驗證了電路可以在對電網(wǎng)輸出有功功率的情況下穩(wěn)定工作。表明該電路及其控制方法的實際應(yīng)用價值。
新型5電平逆變器；飛跨電容；并網(wǎng)逆變器
隨著電力電子領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，高壓大功率變換器領(lǐng)域也在不斷的增長，要求大容量的電力電子裝置工作開關(guān)頻率高，以減少輸出電壓諧波含量，改善輸出波形質(zhì)量，同時對控制精度、可靠性等方面也提出了更高的要求。因此為了實現(xiàn)高壓大功率的要求，人們需要尋找新的辦法來實現(xiàn)，怎樣利用有限容量的開關(guān)器件獲得大容量高電壓電力變換器件，成為了熱點問題。目前，多電平逆變器進(jìn)入研究者的視角，多電平逆變器具有輸出電壓諧波小，電磁干擾小，且能提高電源質(zhì)量，減小濾波器體積，控制產(chǎn)生的高次諧波等優(yōu)點。憑借多電平逆變器的諸多優(yōu)勢，它可廣泛應(yīng)用于高壓大功率場合。但是，由于傳統(tǒng)的二極管鉗位型多電平逆變器的二極管數(shù)目多、電容飛跨型多電平逆變器控制復(fù)雜、H橋級聯(lián)型多電平逆變器需要獨立的直流源等固有缺點，抑制了多電平逆變器在實際中的推廣和使用［1］。
本文中提出了一種新型的5電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融合了傳統(tǒng)二極管鉗位電路和電容飛跨型電路的特點。同時克服了二極管鉗位型電路二極管使用數(shù)目多和飛跨電容型5電平電路控制復(fù)雜的缺點。整個電路中除了開關(guān)元件反并聯(lián)的續(xù)流二極管以外，沒有單獨使用的鉗位二極管；同時相對電容飛跨型電路使用的飛跨電容減少，控制難度明顯降低。因此，該新型5電平拓?fù)湎鄬σ延型負(fù)溆幸欢ǖ膬?yōu)勢，在高壓大功率的場合有一定的應(yīng)用前景。該拓?fù)淇梢栽诠夥到y(tǒng)并網(wǎng)，大功率電動機(jī)拖動，大容量高壓電能質(zhì)量控制器等場合得到相應(yīng)的應(yīng)用和研究。
本文首先介紹了該新型電路拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)和構(gòu)成元件，然后對該電路的控制策略進(jìn)行了研究，接著通過Matlab給出了對該電路的仿真，說明了新電路拓?fù)涞目尚行浴Ｗ詈?，通過硬件實驗驗證了該電路拓?fù)浼捌淇刂扑惴ㄔ谳敵鲇泄β实那闆r下的可行性。
1 新型拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)
電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的SA1～SA10為IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成的開關(guān)管單元，構(gòu)成承受正向電壓時可控導(dǎo)通，反向承受電壓時直接導(dǎo)通的開關(guān)元件。電容C1，C2，C3為直流側(cè)電容，連接方式可以由3個電容串聯(lián)后與外部直流電壓源的2個輸出端并聯(lián)在M1和M4兩端，或者由3個直流源分別與3個電容并聯(lián)。Cph為飛跨電容。4個電容容量相同，電容C2上的電壓是其余3個電容的2倍。
圖1 新型5電平電路的單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The single phase topology of the new five level circuit
當(dāng)構(gòu)成三相逆變器電路時，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，公共側(cè)電容C1～C3共用，Cph1～Cph3為每相裝置單獨的飛跨電容。M1～M4為4條直流母線，三相共用，可以直接由1個直流電壓源并聯(lián)在M1～M4兩端，也可以由3個電壓源分別并聯(lián)在3個電容兩端。
圖2 新型5電平三相逆變器電路圖Fig.2 The three phase inverter circuit diagram of the new five level topology
2 電路拓?fù)涞妮敵霾呗?/h2>
該電路拓?fù)淇梢暂敵?種不同的電平，如果以M4為參考點那么這5個電平的數(shù)值為0，1Vdc，2Vdc，3Vdc，4Vdc。為了便于在交流系統(tǒng)中描述，將C2視作2個電壓為Vdc的虛擬電容串聯(lián)，將這2個電容的中點作為參考點，那么裝置的輸出電壓分別為2Vdc，Vdc，0，-Vdc，-2Vdc。
在電容輸出中假設(shè)C1，C3，Cph3個電容電壓相同為Vdc，而C2的電容電壓是上述3個電容電壓的2倍為2Vdc，那么電路的輸出狀態(tài)可為表1中所示的10種可用的開關(guān)狀態(tài)。
表1 電路輸出的電平狀態(tài)和對應(yīng)的開關(guān)組合Tab.1 The output voltage and the corresponding switching state
表1中開關(guān)標(biāo)號列的數(shù)字表示其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，“0”表示關(guān)斷，“1”表示開通。從表1中可以看出，電路總共有5種輸出狀態(tài)，對應(yīng)了10種不同的開關(guān)序列。不同的開關(guān)序列不影響對應(yīng)輸出電壓狀態(tài)，因此稱這些開關(guān)狀態(tài)為冗余的開關(guān)狀態(tài)。在該電路中，對應(yīng)輸出電壓為Vdc，-Vdc和0電壓，3種輸出電壓都分別對應(yīng)了2種不同的冗余開關(guān)狀態(tài)。這些狀態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋬?nèi)的電流通路是不同的。
3 電容電壓的均衡控制
通過上一節(jié)的分析可以知道，對應(yīng)同一個輸出狀態(tài)，該電路有不同的冗余開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生相同輸出電壓下不同的電流通路，那么先以輸出電平為Vdc為例，說明其冗余狀態(tài)。
圖3為輸出端電壓為Vdc的2種對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，其中加粗的線表示該狀態(tài)對應(yīng)的電流通路。圖3a表示SA2，SA5，SA7，SA9導(dǎo)通，電流通過M2流至輸出端，對飛跨電容電壓沒有影響，但是對直流側(cè)電容C1的影響方向和C2，C3的影響相反會產(chǎn)生直流側(cè)電容電壓的偏移，造成3個電容電壓不平衡。圖3b表示SA1，SA7，SA10導(dǎo)通，電流通過M1，流經(jīng)電容Cph輸出。此時，對飛跨電容Cph電壓一定有影響，但是具體的充放電情況取決于此時電流方向和電流大小。由于電流由M1流出直流側(cè)，因此影響直流側(cè)3個電容的電壓方向相同，不會造成其不平衡。
圖3 Vdc的2種開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Two switching state of Vdc
而-Vdc的情況和Vdc類似，就不進(jìn)行單獨分析，圖4是輸出電平為0時的電流通路情況。其中圖4a表示SA2，SA5，SA7，SA10導(dǎo)通時，輸出0電平，電流通過M2流經(jīng)Cph輸出，圖4b表示SA3，SA6，SA8，SA9導(dǎo)通時，輸出同樣為0電平，電流流經(jīng)M3，Cph輸出。通過對比看出，2種冗余狀態(tài)對飛跨電容Cph影響相反，經(jīng)過分析也可得出，2種狀態(tài)對直流側(cè)電容C2的影響方向也是相反的。
圖4 0的兩種開關(guān)狀態(tài)Fig.4 Two switching state of 0
根據(jù)上文的分析可以得出，在裝置工作時，可以通過當(dāng)前的電流和電容電壓情況，在輸出Vdc，0，-Vdc3種電平時靈活選擇冗余開關(guān)狀態(tài)，從而對需要的電容進(jìn)行充放電，同時不影響相對給定值偏差較小的電容電壓。從而可以控制單相裝置的4個電容或者三相裝置6個電容的電壓在給定值附近波動，不會發(fā)生不可控偏移。從而克服傳統(tǒng)二極管鉗位5電平電路在輸出有功功率會產(chǎn)生電容電壓漂移的固有缺點。
4 新型拓?fù)錁?gòu)成三相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真分析
為驗證前文所提出的新型5電平拓?fù)浼捌淇刂品椒ǖ恼_性，并對實際裝置設(shè)計提供理論上的基礎(chǔ)，利用Matlab/Simulink軟件對該電路在構(gòu)成三相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真驗證。
圖5為仿真所用的三相逆變器電路圖，其中A相、B相、C相逆變器由圖1所示的新型5電平逆變器構(gòu)成，逆變器的開關(guān)元件選為有反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT。仿真中所用的電容C1，C2，C3，Cph1，Cph2，Cph3的容量均相同取為6 000 μF，入線電感為6 mH，電感的等值損耗電阻取為1 Ω，直流側(cè)總電壓為1 000 V，分成3個獨立的光伏系統(tǒng)做直流電壓源，分別并聯(lián)在C1～C3兩端，幅值大小與前文所述的工作模式相同，從上至下依次為250 V，500 V和250 V。電網(wǎng)電壓為380 V，裝置工作在并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)，采樣頻率和開關(guān)頻率均為10 kHz。仿真過程取離散事件過程，離散步長設(shè)為5 μs。
圖5 三相并網(wǎng)逆變器仿真電路圖Fig.5 The simulation circuit of three phase grid connected inverter
三相逆變器的控制系統(tǒng)主要由3部分組成，分別為：指令電流運算、dq狀態(tài)解耦PI電流控制和層疊載波PWM控制部分。系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示，其中：ila，ilb，ilc為三相逆變器輸出電流；iins_P為系統(tǒng)電流的有功給定值；?usa，usb，usc為三相電網(wǎng)電壓；L指的是并網(wǎng)逆變器與交流電網(wǎng)連接時的連接電抗值。
圖6 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 The principle diagram of the control system
系統(tǒng)的工作原理是：通過光伏模塊給出給定的有功指令電流iins_P，同時將無功指令電流iins_Q設(shè)為0。接下來檢測出裝置的輸出電流ila，ilb，ilc，通過dq狀態(tài)解耦PI電流控制，使裝置輸出電流跟蹤給定有功電流和無功電流的指令值，經(jīng)過dq反變換后得到相應(yīng)的指令電壓。指令電壓通過上節(jié)所述的層疊載波PWM調(diào)制，得到任意時刻裝置輸出的控制信號，接著根據(jù)飛跨電容電壓的偏差值選取冗余開關(guān)狀態(tài)，最終得到每個開關(guān)管的驅(qū)動信號。
圖7為裝置輸出的相電壓，可以看出三相裝置輸出為5電平波形，利用低壓器件高壓大功率輸出。
圖7 逆變器輸出的相電壓Fig.7 The output phase voltage of inverter
圖8所示的是仿真中的三相電網(wǎng)電壓和三相電網(wǎng)電流?？梢钥闯鲈撗b置輸出的電流和電網(wǎng)電流同相位，說明該裝置可以工作在向電網(wǎng)輸出有功功率的狀態(tài)下。圖9所示的是三相裝置3個飛跨電容電壓在裝置工作穩(wěn)態(tài)時的波形。可以看出3個電容電壓在給定值250 V附近來回波動。說明均衡電容電壓的控制方法中對冗余開關(guān)狀態(tài)的選擇可以有效地控制住飛跨電容電壓不發(fā)生偏移，可以保證裝置在輸出有功功率時穩(wěn)定運行。
圖8 電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流波形Fig.8 The waveforms of the grid voltage and the grid current
圖9 三相飛跨電容電壓Fig.9 The voltage waveforms of flying capacitors in three phases
5 實驗驗證
本文采用英飛凌FF150R12RT4的1 200 V，150 A的IGBT搭建基于新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相實驗裝置，并進(jìn)行了并網(wǎng)逆變器的實驗，對所提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出有功功率進(jìn)行驗證。系統(tǒng)實驗參數(shù)如下：直流側(cè)總電壓500 V，電網(wǎng)電壓315 V，輸出電流峰值30 A，開關(guān)頻率8 kHz，電容容量2 200 μF。
通過圖10可以看出，裝置輸出電壓為五電平電壓，同時輸出電流和電網(wǎng)電壓同相，說明裝置向電網(wǎng)輸出有功功率。輸出電流峰值為30 A達(dá)到設(shè)計目的。
圖10 輸出電壓、輸出電流及電網(wǎng)電壓Fig.10 The grid voltage，output voltage and current
圖11為裝置總的直流側(cè)電壓、飛跨電容電壓以及電容電流波形。說明在輸出有功功率時，裝置可以通過控制算法控制飛跨電容電流，從而保持飛跨電容電壓穩(wěn)定且為直流側(cè)電容電壓的1/4，保證裝置正常運行。
圖11 直流側(cè)總電壓、飛跨電容電壓及電容電流Fig.11 The total DC link voltage and the flying capacitor voltage and current
6 結(jié)論
本文提出了一種新型5電平電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先對使用該電路如何構(gòu)成單相逆變器，以及如何構(gòu)成三相逆變器進(jìn)行了說明，然后深入分析了電路的工作原理，說明如何使電路產(chǎn)生5電平的輸出。接著根據(jù)該拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點，對輸出相同電平的冗余開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出了通過這些開關(guān)狀態(tài)控制飛跨電容電壓和直流側(cè)電容電壓的方法。最后通過仿真及硬件實驗，驗證了提出的電路及其控制方法。說明該電路構(gòu)成的5電平逆變器可以在對電網(wǎng)輸出有功功率的情況下穩(wěn)定可靠工作。說明該5電平電路拓?fù)淇梢詰?yīng)用在光伏，風(fēng)電，大功率電機(jī)拖動等高壓大功率場合。
［1］ 馬琳，孫凱，Remus Teodorescu，等.高效率中點鉗位型光伏逆變器拓?fù)浔容^［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（2）：108～114.
［2］ 王廣柱.二極管鉗位式多電平逆變器直流側(cè)電容不平衡機(jī)理研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，3（10）：112～115.
［3］ 李建英，張美英.三相電壓型脈寬調(diào)制整流器矢量控制研究［J］.控制與應(yīng)用技術(shù)，2006，11（3）：31～34.
［4］ 何英杰，鄒云屏，劉飛，等.二極管鉗位型多電平有源電力濾波器的仿真［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（10）：64～68.
［5］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
［6］ 吳洪洋，何湘寧.級聯(lián)型多電平變換器PWM控制方法的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21（8）：42～46.
Research on a New Five-level Topology of Grid Connected Inverter
ZHANG Xintao1，LU Qifan2，ZHANG Lei1，LIU Xiaogang1，HE Yingjie2
（1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd.，WuLumuqi 830011，Xinjiang，China；
2.College of Electronical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049，Shaanxi，China）
In recent years，the demand is growing to be more urgent for the large scale power electric devices using in the high voltage grid，where there are also some strict requirements on the waveform of the output voltage and the control accuracy of them.Therefore，the multi-level output inverters，with the advantage of the less output harmonic content and the lower voltage that the switch must surfer and the good quality of output power，come to be key issue of the researchers around the world.However there are some disadvantages of the traditional multi-level topologies，the new topology was needed to overcome those disadvantages.The new five level topologies was proposed which combined the elements of the traditional diodes clamped five level topology and the flying capacitor five level circuit.The structure of the new topology and the circuit of the device using this topology were introduced at first，and then，the basic working principles was analyzed which the control and modulation method came from.Finally，the simulation of the device supplying the active power to the power grid is shown to indicate the capabilities and performance of the circuit under this circumstance.Therefore，it is proved that the new topology，as well as the control method，owns its application value.
novel five-level inverter；flying capacitor；grid connected inverter
TM464
A
2015-06-08
修改稿日期：2016-03-02
張新濤（1980-），男，本科，Email：93683310@qq.com
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（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；
2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）
一種新型5電平拓?fù)淠孀兤鞯难芯?/p>
張新濤1，陸啟凡2，張磊1，劉小剛1，何英杰2
（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；
2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）
近年來，隨著高壓大功率場合下電力電子裝置應(yīng)用的需求越來越多，同時對輸出電壓波形和控制精度也提出了很高的要求。于是，多電平逆變器因為其輸出波形諧波量較小，開關(guān)元件承受電壓小，輸出電源質(zhì)量好成為了研究的熱點。但是傳統(tǒng)多電平拓?fù)溆懈髯缘娜秉c，因此需要一種新型的5電平逆變電路拓?fù)?，克服其缺點。通過融合飛跨電容電路特點，提出了一種新型5電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后通過分析電路的工作原理，提出了電路的控制及調(diào)制方法。最后通過仿真和硬件實驗驗證了電路可以在對電網(wǎng)輸出有功功率的情況下穩(wěn)定工作。表明該電路及其控制方法的實際應(yīng)用價值。
新型5電平逆變器；飛跨電容；并網(wǎng)逆變器
隨著電力電子領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，高壓大功率變換器領(lǐng)域也在不斷的增長，要求大容量的電力電子裝置工作開關(guān)頻率高，以減少輸出電壓諧波含量，改善輸出波形質(zhì)量，同時對控制精度、可靠性等方面也提出了更高的要求。因此為了實現(xiàn)高壓大功率的要求，人們需要尋找新的辦法來實現(xiàn)，怎樣利用有限容量的開關(guān)器件獲得大容量高電壓電力變換器件，成為了熱點問題。目前，多電平逆變器進(jìn)入研究者的視角，多電平逆變器具有輸出電壓諧波小，電磁干擾小，且能提高電源質(zhì)量，減小濾波器體積，控制產(chǎn)生的高次諧波等優(yōu)點。憑借多電平逆變器的諸多優(yōu)勢，它可廣泛應(yīng)用于高壓大功率場合。但是，由于傳統(tǒng)的二極管鉗位型多電平逆變器的二極管數(shù)目多、電容飛跨型多電平逆變器控制復(fù)雜、H橋級聯(lián)型多電平逆變器需要獨立的直流源等固有缺點，抑制了多電平逆變器在實際中的推廣和使用［1］。
本文中提出了一種新型的5電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融合了傳統(tǒng)二極管鉗位電路和電容飛跨型電路的特點。同時克服了二極管鉗位型電路二極管使用數(shù)目多和飛跨電容型5電平電路控制復(fù)雜的缺點。整個電路中除了開關(guān)元件反并聯(lián)的續(xù)流二極管以外，沒有單獨使用的鉗位二極管；同時相對電容飛跨型電路使用的飛跨電容減少，控制難度明顯降低。因此，該新型5電平拓?fù)湎鄬σ延型負(fù)溆幸欢ǖ膬?yōu)勢，在高壓大功率的場合有一定的應(yīng)用前景。該拓?fù)淇梢栽诠夥到y(tǒng)并網(wǎng)，大功率電動機(jī)拖動，大容量高壓電能質(zhì)量控制器等場合得到相應(yīng)的應(yīng)用和研究。
本文首先介紹了該新型電路拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)和構(gòu)成元件，然后對該電路的控制策略進(jìn)行了研究，接著通過Matlab給出了對該電路的仿真，說明了新電路拓?fù)涞目尚行浴Ｗ詈?，通過硬件實驗驗證了該電路拓?fù)浼捌淇刂扑惴ㄔ谳敵鲇泄β实那闆r下的可行性。
1 新型拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)
電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的SA1～SA10為IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成的開關(guān)管單元，構(gòu)成承受正向電壓時可控導(dǎo)通，反向承受電壓時直接導(dǎo)通的開關(guān)元件。電容C1，C2，C3為直流側(cè)電容，連接方式可以由3個電容串聯(lián)后與外部直流電壓源的2個輸出端并聯(lián)在M1和M4兩端，或者由3個直流源分別與3個電容并聯(lián)。Cph為飛跨電容。4個電容容量相同，電容C2上的電壓是其余3個電容的2倍。
圖1 新型5電平電路的單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The single phase topology of the new five level circuit
當(dāng)構(gòu)成三相逆變器電路時，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，公共側(cè)電容C1～C3共用，Cph1～Cph3為每相裝置單獨的飛跨電容。M1～M4為4條直流母線，三相共用，可以直接由1個直流電壓源并聯(lián)在M1～M4兩端，也可以由3個電壓源分別并聯(lián)在3個電容兩端。
圖2 新型5電平三相逆變器電路圖Fig.2 The three phase inverter circuit diagram of the new five level topology
2 電路拓?fù)涞妮敵霾呗?/h2>
該電路拓?fù)淇梢暂敵?種不同的電平，如果以M4為參考點那么這5個電平的數(shù)值為0，1Vdc，2Vdc，3Vdc，4Vdc。為了便于在交流系統(tǒng)中描述，將C2視作2個電壓為Vdc的虛擬電容串聯(lián)，將這2個電容的中點作為參考點，那么裝置的輸出電壓分別為2Vdc，Vdc，0，-Vdc，-2Vdc。
在電容輸出中假設(shè)C1，C3，Cph3個電容電壓相同為Vdc，而C2的電容電壓是上述3個電容電壓的2倍為2Vdc，那么電路的輸出狀態(tài)可為表1中所示的10種可用的開關(guān)狀態(tài)。
表1 電路輸出的電平狀態(tài)和對應(yīng)的開關(guān)組合Tab.1 The output voltage and the corresponding switching state
表1中開關(guān)標(biāo)號列的數(shù)字表示其對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，“0”表示關(guān)斷，“1”表示開通。從表1中可以看出，電路總共有5種輸出狀態(tài)，對應(yīng)了10種不同的開關(guān)序列。不同的開關(guān)序列不影響對應(yīng)輸出電壓狀態(tài)，因此稱這些開關(guān)狀態(tài)為冗余的開關(guān)狀態(tài)。在該電路中，對應(yīng)輸出電壓為Vdc，-Vdc和0電壓，3種輸出電壓都分別對應(yīng)了2種不同的冗余開關(guān)狀態(tài)。這些狀態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋬?nèi)的電流通路是不同的。
3 電容電壓的均衡控制
通過上一節(jié)的分析可以知道，對應(yīng)同一個輸出狀態(tài)，該電路有不同的冗余開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生相同輸出電壓下不同的電流通路，那么先以輸出電平為Vdc為例，說明其冗余狀態(tài)。
圖3為輸出端電壓為Vdc的2種對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，其中加粗的線表示該狀態(tài)對應(yīng)的電流通路。圖3a表示SA2，SA5，SA7，SA9導(dǎo)通，電流通過M2流至輸出端，對飛跨電容電壓沒有影響，但是對直流側(cè)電容C1的影響方向和C2，C3的影響相反會產(chǎn)生直流側(cè)電容電壓的偏移，造成3個電容電壓不平衡。圖3b表示SA1，SA7，SA10導(dǎo)通，電流通過M1，流經(jīng)電容Cph輸出。此時，對飛跨電容Cph電壓一定有影響，但是具體的充放電情況取決于此時電流方向和電流大小。由于電流由M1流出直流側(cè)，因此影響直流側(cè)3個電容的電壓方向相同，不會造成其不平衡。
圖3 Vdc的2種開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Two switching state of Vdc
而-Vdc的情況和Vdc類似，就不進(jìn)行單獨分析，圖4是輸出電平為0時的電流通路情況。其中圖4a表示SA2，SA5，SA7，SA10導(dǎo)通時，輸出0電平，電流通過M2流經(jīng)Cph輸出，圖4b表示SA3，SA6，SA8，SA9導(dǎo)通時，輸出同樣為0電平，電流流經(jīng)M3，Cph輸出。通過對比看出，2種冗余狀態(tài)對飛跨電容Cph影響相反，經(jīng)過分析也可得出，2種狀態(tài)對直流側(cè)電容C2的影響方向也是相反的。
圖4 0的兩種開關(guān)狀態(tài)Fig.4 Two switching state of 0
根據(jù)上文的分析可以得出，在裝置工作時，可以通過當(dāng)前的電流和電容電壓情況，在輸出Vdc，0，-Vdc3種電平時靈活選擇冗余開關(guān)狀態(tài)，從而對需要的電容進(jìn)行充放電，同時不影響相對給定值偏差較小的電容電壓。從而可以控制單相裝置的4個電容或者三相裝置6個電容的電壓在給定值附近波動，不會發(fā)生不可控偏移。從而克服傳統(tǒng)二極管鉗位5電平電路在輸出有功功率會產(chǎn)生電容電壓漂移的固有缺點。
4 新型拓?fù)錁?gòu)成三相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真分析
為驗證前文所提出的新型5電平拓?fù)浼捌淇刂品椒ǖ恼_性，并對實際裝置設(shè)計提供理論上的基礎(chǔ)，利用Matlab/Simulink軟件對該電路在構(gòu)成三相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真驗證。
圖5為仿真所用的三相逆變器電路圖，其中A相、B相、C相逆變器由圖1所示的新型5電平逆變器構(gòu)成，逆變器的開關(guān)元件選為有反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT。仿真中所用的電容C1，C2，C3，Cph1，Cph2，Cph3的容量均相同取為6 000 μF，入線電感為6 mH，電感的等值損耗電阻取為1 Ω，直流側(cè)總電壓為1 000 V，分成3個獨立的光伏系統(tǒng)做直流電壓源，分別并聯(lián)在C1～C3兩端，幅值大小與前文所述的工作模式相同，從上至下依次為250 V，500 V和250 V。電網(wǎng)電壓為380 V，裝置工作在并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)，采樣頻率和開關(guān)頻率均為10 kHz。仿真過程取離散事件過程，離散步長設(shè)為5 μs。
圖5 三相并網(wǎng)逆變器仿真電路圖Fig.5 The simulation circuit of three phase grid connected inverter
三相逆變器的控制系統(tǒng)主要由3部分組成，分別為：指令電流運算、dq狀態(tài)解耦PI電流控制和層疊載波PWM控制部分。系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示，其中：ila，ilb，ilc為三相逆變器輸出電流；iins_P為系統(tǒng)電流的有功給定值；?usa，usb，usc為三相電網(wǎng)電壓；L指的是并網(wǎng)逆變器與交流電網(wǎng)連接時的連接電抗值。
圖6 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 The principle diagram of the control system
系統(tǒng)的工作原理是：通過光伏模塊給出給定的有功指令電流iins_P，同時將無功指令電流iins_Q設(shè)為0。接下來檢測出裝置的輸出電流ila，ilb，ilc，通過dq狀態(tài)解耦PI電流控制，使裝置輸出電流跟蹤給定有功電流和無功電流的指令值，經(jīng)過dq反變換后得到相應(yīng)的指令電壓。指令電壓通過上節(jié)所述的層疊載波PWM調(diào)制，得到任意時刻裝置輸出的控制信號，接著根據(jù)飛跨電容電壓的偏差值選取冗余開關(guān)狀態(tài)，最終得到每個開關(guān)管的驅(qū)動信號。
圖7為裝置輸出的相電壓，可以看出三相裝置輸出為5電平波形，利用低壓器件高壓大功率輸出。
圖7 逆變器輸出的相電壓Fig.7 The output phase voltage of inverter
圖8所示的是仿真中的三相電網(wǎng)電壓和三相電網(wǎng)電流?？梢钥闯鲈撗b置輸出的電流和電網(wǎng)電流同相位，說明該裝置可以工作在向電網(wǎng)輸出有功功率的狀態(tài)下。圖9所示的是三相裝置3個飛跨電容電壓在裝置工作穩(wěn)態(tài)時的波形。可以看出3個電容電壓在給定值250 V附近來回波動。說明均衡電容電壓的控制方法中對冗余開關(guān)狀態(tài)的選擇可以有效地控制住飛跨電容電壓不發(fā)生偏移，可以保證裝置在輸出有功功率時穩(wěn)定運行。
圖8 電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流波形Fig.8 The waveforms of the grid voltage and the grid current
圖9 三相飛跨電容電壓Fig.9 The voltage waveforms of flying capacitors in three phases
5 實驗驗證
本文采用英飛凌FF150R12RT4的1 200 V，150 A的IGBT搭建基于新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相實驗裝置，并進(jìn)行了并網(wǎng)逆變器的實驗，對所提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出有功功率進(jìn)行驗證。系統(tǒng)實驗參數(shù)如下：直流側(cè)總電壓500 V，電網(wǎng)電壓315 V，輸出電流峰值30 A，開關(guān)頻率8 kHz，電容容量2 200 μF。
通過圖10可以看出，裝置輸出電壓為五電平電壓，同時輸出電流和電網(wǎng)電壓同相，說明裝置向電網(wǎng)輸出有功功率。輸出電流峰值為30 A達(dá)到設(shè)計目的。
圖10 輸出電壓、輸出電流及電網(wǎng)電壓Fig.10 The grid voltage，output voltage and current
圖11為裝置總的直流側(cè)電壓、飛跨電容電壓以及電容電流波形。說明在輸出有功功率時，裝置可以通過控制算法控制飛跨電容電流，從而保持飛跨電容電壓穩(wěn)定且為直流側(cè)電容電壓的1/4，保證裝置正常運行。
圖11 直流側(cè)總電壓、飛跨電容電壓及電容電流Fig.11 The total DC link voltage and the flying capacitor voltage and current
6 結(jié)論
本文提出了一種新型5電平電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先對使用該電路如何構(gòu)成單相逆變器，以及如何構(gòu)成三相逆變器進(jìn)行了說明，然后深入分析了電路的工作原理，說明如何使電路產(chǎn)生5電平的輸出。接著根據(jù)該拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點，對輸出相同電平的冗余開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出了通過這些開關(guān)狀態(tài)控制飛跨電容電壓和直流側(cè)電容電壓的方法。最后通過仿真及硬件實驗，驗證了提出的電路及其控制方法。說明該電路構(gòu)成的5電平逆變器可以在對電網(wǎng)輸出有功功率的情況下穩(wěn)定可靠工作。說明該5電平電路拓?fù)淇梢詰?yīng)用在光伏，風(fēng)電，大功率電機(jī)拖動等高壓大功率場合。
［1］ 馬琳，孫凱，Remus Teodorescu，等.高效率中點鉗位型光伏逆變器拓?fù)浔容^［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（2）：108～114.
［2］ 王廣柱.二極管鉗位式多電平逆變器直流側(cè)電容不平衡機(jī)理研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，3（10）：112～115.
［3］ 李建英，張美英.三相電壓型脈寬調(diào)制整流器矢量控制研究［J］.控制與應(yīng)用技術(shù)，2006，11（3）：31～34.
［4］ 何英杰，鄒云屏，劉飛，等.二極管鉗位型多電平有源電力濾波器的仿真［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（10）：64～68.
［5］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
［6］ 吳洪洋，何湘寧.級聯(lián)型多電平變換器PWM控制方法的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21（8）：42～46.
Research on a New Five-level Topology of Grid Connected Inverter
ZHANG Xintao1，LU Qifan2，ZHANG Lei1，LIU Xiaogang1，HE Yingjie2
（1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd.，WuLumuqi 830011，Xinjiang，China；
2.College of Electronical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049，Shaanxi，China）
In recent years，the demand is growing to be more urgent for the large scale power electric devices using in the high voltage grid，where there are also some strict requirements on the waveform of the output voltage and the control accuracy of them.Therefore，the multi-level output inverters，with the advantage of the less output harmonic content and the lower voltage that the switch must surfer and the good quality of output power，come to be key issue of the researchers around the world.However there are some disadvantages of the traditional multi-level topologies，the new topology was needed to overcome those disadvantages.The new five level topologies was proposed which combined the elements of the traditional diodes clamped five level topology and the flying capacitor five level circuit.The structure of the new topology and the circuit of the device using this topology were introduced at first，and then，the basic working principles was analyzed which the control and modulation method came from.Finally，the simulation of the device supplying the active power to the power grid is shown to indicate the capabilities and performance of the circuit under this circumstance.Therefore，it is proved that the new topology，as well as the control method，owns its application value.
novel five-level inverter；flying capacitor；grid connected inverter
TM464
A
2015-06-08
修改稿日期：2016-03-02
張新濤（1980-），男，本科，Email：93683310@qq.com
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