基于脈沖階梯調制的級聯型逆變器研究

摘 要：脈沖階梯調制(PSM)是將脈寬調制(PWM)與階梯調制(SM)相結合，起初應用在高壓直流電源系統中。將脈沖階梯調制技術應用到逆變器領域，提出了基于脈沖階梯調制的級聯型逆變器。介紹了級聯逆變器的基本拓撲，分析了PSM級聯型逆變器的工作原理，研究了PSM的調制算法。該級聯型逆變器具有電路結構簡單、控制方法簡便、開關損耗小、效率高等優點，適合高壓大功率場合。建立了6模塊的PSM級聯型高壓逆變器(可獲得有效值為4 kV的輸出電壓)的Matlab仿真模型進行分析，給出仿真結果。仿真結果表明，PSM級聯型高壓逆變器的輸出波形特性好，諧波含量和THD均很小。

關鍵詞：階梯波調制;脈沖階梯調制;級聯型逆變器;高壓大功率

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)07-171-03

Research on the Cascaded Inverter Based on Pulse Step Modulation

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DU Shaowu，ZHANG Xiuqing，AN Fang

(Hefei University of Technology，Hefei，230009，China)

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Abstract：The Pulse Step Modulation (PSM)，which is applied to high voltage DC power supply system in the beginning，is the combination of the Pulse Width Modulation(PWM) and the Step Modulation (SM).The Pulse Step Modulation is applied to inverter，and a cascaded inverter based on pulse step modulation is presented in this paper.The principle of PSM cascaded inverter is analyzed，and its computational method is studied particularly.This cascaded inverter has advantages of simple circuit structure，convenient control method，small wastage of switch，and high efficiency.It suits to the situation of high-voltage and high-power.The matlab simulation model of six modules PSM cascaded inverter (4KV virtual value of output voltage is achieved) is established and analyzed，and the results of simulation are given.The simulation results show that cascaded inverter based on pulse step modulation has good output characteristic and the harmonic and THD are very small.

Keywords：step modulation;pulse step modulation;cascaded inverter;high-voltage and high-power

1 引 言

級聯型逆變器是出現最早的一種多電平逆變器。1975 年 P.Hammond 提出了采用隔離的直流電源作輸入，輸出端串聯的多個 H 橋級聯型逆變器結構，并申請了美國專利^[1，2]。后來P.W.hammond，F.Z.Peng 等人發現級聯型逆變器在電動機驅動應用中的優越性^[3，4]，由于中等電壓、高功率的需要，級聯型逆變器在 20 世紀 90 年代后期得到了廣泛應用。級聯型逆變器廣泛應用于高電壓的電動機驅動、大功率電源、大功率有源電力濾波等場合。

最先，級聯型逆變器的研究主要集中在單電平(每個級聯單元是單電平)級聯逆變器，近年來主要集中在三電平(每個級聯單元是三電平)級聯逆變器與單電平、三電平混合級聯逆變器^[5-8]。三電平逆變器需要考慮電壓均衡和中性點飄移等問題^[6，8]，使得三電平逆變器結構復雜化。

脈沖階梯調制(Pulse Step Modulation，PSM)技術最早是由瑞士的W.Schminke于1985年在BrownBoveriRev.72上提出的^[9]。他將脈寬調制(PWM)技術與階梯調制(SM)技術相結合，應用在高壓直流電源系統中。該技術具有控制簡單，高可靠性﹑高效率等優點^[7，8]，可獲得更高的輸出電壓且連續可調﹑更大的輸出功率^[10-11]。將PSM技術引入級聯型逆變器，將使級聯型逆變器的控制更加簡單可靠。

2 PSM級聯型逆變器的基本結構與工作原理

2.1 基本結構

PSM單相級聯型逆變器的基本結構與基本的單相級聯型逆變器相同，由n個H橋單元模塊串聯而成，如圖1所示，每個單元模塊的結構相同，為單相H橋DC/AC變換器，輸入直流電壓相等，即UDCi=UDC。

2.2 工作原理

假設第1個模塊工作在PWM模式，第2~n個模塊工作于SM(階梯波調制)模式。逆變器工作分為正半波工作過程和負半波工作過程，考慮到工作在SM模式下的各單元模塊的功率均衡問題，使工作在SM模式下的各單元模塊在一個周期內工作時間一樣或基本一樣，可使2~n模塊在正半波時按從2到n的順序依次開通而在負半波時按從n到2的順序依次開通，如圖2所示。

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圖1 單相級聯型高壓逆變器主電路拓撲

圖2 PSM級聯逆變器的輸出電壓波形

假設每個模塊單元的輸入直流電壓均為UDC，則PSM單相級聯型逆變器的輸出電壓為：



uo=(i-1)UDC+αUDC



式中：i為任一時刻參與工作的模塊數；α為PWM波的瞬時占空比。

3 脈沖階梯調制(PSM)法

級聯型逆變器的調制方法主要包括階梯波調制法、多載波SPWM、相移 SPWM和空間矢量調制。多載波 SPWM(SHPWM)和相移SPWM技術(PSPWM)都屬于多電平 SPWM，是將兩電平SPWM 技術推廣到多電平的結果。下面主要介紹級聯型逆變器中的一種新的調制方法——脈沖階梯調制(PSM)法。

PSM法是將SM法與PWM法相結合的一種新穎的調制方法。首先利用階梯波調制方法得到工作在SM方式下的各H橋變換器(通常工作在單極性模式下)的控制信號，以6重級聯變換器為例，其工作波形如圖3(a)所示；再用正弦波(調制波)減去工作在SM方式下的各H橋變換器的控制信號，得到如圖3(b)所示的波形，將該波形與三角波(載波)進行調制(PWM)，得到如圖3(c)所示的PWM波，即工作在PWM模式下的H橋變換器的控制信號。

由圖3(a)可知：2~n模塊對應的開關的起始導通角αi［i =1~(n-1)］的值，即為該模塊對應的階梯電壓與正弦電壓幅值相等的時刻，故可以用下式計算導通角θi的值。



Umsin αi=iUDC

(1)

αi=arcsiniUDCUm

(2)



則：



θi=π-2αi

(3)

其中i=1，2，3，…，n-1。

由圖3(b)可知，PWM調制波信號是由正弦波減去階梯波得到，以正半波為例，ur的表達式如式(4)所示。



ur=Umsin ωt-iUDC

(4)



其中i=1，2，3，…，n-1，0≤ωt≤αi或π-ai≤ωt≤π，Um為正弦電壓的幅值。

圖3 PSM輸出電壓與SM輸出電壓波形

假設載波信號為三角波，幅值為UDC，采用規則采樣法，如圖4所示。

圖4 PWM規則采樣法

由圖4可得:



Umsin ωtD-iUDCUDC=δTC

(5)



則:



δ=TC(UmUDCsin ωtD-i)

(6)



在三角波的一個周期內，脈沖兩邊的間隙寬度為:



δ′=12(TC-δ)=TC2(i+1-UmUDCsin ωtD)

(7)



根據式(6)，式(7)即可算出工作在PWM模式下的H橋變換器的制脈沖寬度以及脈沖出現時刻。

4 仿真實驗及結果分析

仿真實驗要求輸出電壓有效值4 000 V，則輸出正弦電壓幅值最大約為5 700 V，假設每個電源模塊的直流電壓UDC=1 000 V，則主電路需要6個全橋電路模塊串聯，令第1模塊工作在PWM模式，第2~6模塊工作于SM方式。在Matlab/Simulink環境下搭建仿真電路并進行仿真，仿真結果如圖5所示。其中圖5(a)是給定正弦信號和工作在SM模式下各模塊給定疊加后的信號；圖5(b)是給定正弦信號與各階梯波疊加后相減的信號，即PWM調制信號；圖5(c)是輸出階梯電壓波形與輸出PWM波形；圖5(d)是PSM級聯逆變器的樹簇電壓波形。

圖5 仿真波形圖

從圖5(c)、圖5(d)可知， PSM級聯逆變器的輸出電壓是由SM(階梯模式)輸出電壓與PWM輸出電壓疊加而得。圖5(d)給出PSM級聯逆變器的輸出電壓波形，該波形近似標準的正弦波，圖6給出輸出電壓諧波譜圖，由圖可知，諧波含量和THD均很小，THD僅為0.32%。

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圖6 PSM級聯逆變器輸出電壓諧波頻譜圖

5 結 語

在討論級聯型逆變器的基礎上，提出將PSM技術引

入高壓級聯型逆變器，分析了PSM級聯逆變器的工作原理，研究了PSM控制算法，在此基礎上設計了6模塊的PSM級聯逆變器(可獲得有效值4 kV的輸出電壓)的仿真試驗，仿真結果證明了控制方法的可行性。PSM級聯逆變器的優點如下：電路結構簡單，控制方法簡便；可輸出很高的正弦電壓，適合用于高壓大功率場合；系統具有較高的穩定性和可靠性；系統中只有一個單元模塊工作在PWM模式下，開關損耗小，系統的效率高。

參 考 文 獻

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作者簡介 杜少武 男，1965年出生，博士，教授。研究方向為電力電子與特種電源技術。

張秀青 女，1980年出生，碩士研究生。研究方向為特種電源技術。

安 芳 女，1983年出生，碩士研究生。研究方向為特種電源技術。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。