大容量并網系統中新型組合七電平逆變器的研究

劉 威,甘 雪，李 清

(西華大學 電氣與電子信息學院,成都 610039)

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大容量并網系統中新型組合七電平逆變器的研究

劉 威,甘 雪，李 清

(西華大學 電氣與電子信息學院,成都 610039)

為了解決新能源大容量并網接口電路中多電平逆變器使用的器件多、電路結構復雜的問題,筆者構建了一種簡化的新型組合七電平逆變器拓撲,同時設計了適于該拓撲的四載波交錯SPWM調制策略及四載波層疊調制策略。通過MATLAB/Simulink軟件對新型組合七電平逆變器進行了仿真,并與傳統的二極管鉗位式七電平逆變器在相同的仿真條件下作了對比分析,其結果:前者基波電壓幅值為240.8 V,后者基波電壓幅值為160.3 V;兩種電路拓撲的輸出電壓諧波畸變率(THD) 分別為23.71%和23.64%,兩者的諧波分布情況基本一致。由此驗證了該簡化拓撲及調制策略的可行性與有效性。

大容量并網;新型組合;七電平逆變器;四載波交錯SPWM調制

相比傳統兩電平逆變器,多電平逆變器具有許多優勢[1],因此,廣泛應用于高壓大功率交流電動機的變頻調速、高壓直流輸電、電力有源濾波器以及新能源發電系統等領域中[2]。自上世紀80年代初日本學者A.Nabae等人提出二極管中點鉗位式三電平逆變器以來[3],很多學者相繼提出了具有研究價值的多電平逆變器拓撲結構及其控制策略[4-6],如今已經形成了二極管鉗位型、飛跨電容型以及級聯型三類基本的電路拓撲結構。但是,由于基本的多電平逆變器拓撲結構復雜,有源開關管以及無源器件使用的比較多,因此如何簡化拓撲結構并提出相應的調制策略,提高裝置性能,則成了研究多電平逆變器目的之一。文獻[7]研究了非對稱混合多電平逆變器,并提出了一種非對稱H橋具有通用性的新型載波交錯調制策略,在輸出相同電平數時,比傳統多電平逆變器所使用的功率器件少,結構簡單;文獻[8]通過組合傳統的鉗位多電平拓撲與兩電平橋臂,得到一類新的多電平拓撲,與傳統多電平拓撲相比,在輸出相同電平數的情況下,簡化了拓撲結構。本文在現有相關文獻研究的基礎上,構建了一種簡化的新型組合七電平逆變器拓撲結構,即通過把傳統二極管三電平逆變器中的零電平擴展為含有雙向開關的三電平半橋結構,從而更進一步簡化了拓撲結構,同時針對新型組合七電平逆變器拓撲自身的工作特點,提出了適合該電路拓撲的四載波交錯SPWM調制策略,并詳細分析了其調制原理。

1 新型組合七電平逆變器

1.1 主電路拓撲分析

本文構建的新型組合七電平逆變器拓撲如圖1所示,由四個分壓電容(C1～C4)、六個二極管(D1～D6)、六個帶反向并聯二極管的開關管(S1～S6)以及開關管(S7)組成。通過合理的開關組合,該電路拓撲可以形成七個輸出電平。七電平逆變器拓撲器件數量如表1所示。

圖1 新型組合七電平逆變器主拓撲

表1 七電平逆變器拓撲器件數量

由表1可知,相比傳統七電平逆變器拓撲結構,該電路拓撲結構簡單,使用的有源開關管以及無源器件相對較少,從而有利于降低成本、減小裝置體積以及提高系統效率。

1.2 工作模態分析

為了方便地分析,假設圖1中的四個分壓電容(C1～C4)上的電容不波動,且每個分壓電容上的電壓等于E/4,則新型組合七電平逆變器通過開關管按照一定的規律動作可以輸出七種電平。不同輸出電平對應的工作模態如圖2 所示。

圖2 工作模態等效電路

由上述七種工作模態,可得七種輸出電平與開關狀態組合的關系,如表2所示。

表2 七種電平對應的開關狀態

注:其中“1”表示開關管導通,“0”表示開關管關斷。

從表2中可得到以下規律:開關管S1和S3、S2和S4分別互補導通;在輸出電壓的一個周期內的非零輸出狀態時,開關管S5、S6和S7只能有一個導通;開關管S2和S3分別在正半周期和負半周期保持常通。

2 調制策略機理分析

模態分析只是對新型組合七電平逆變器拓撲工作原理的分析,如何根據輸出電壓uA0對應的七種開關狀態以及各開關管的導通規律設計出合理的調制策略是本文的關鍵。

從期望輸出的PWM電平段的變化分析,在輸出0～E/4電平段時,電路拓撲在工作模態3和4之間切換,此時只有S3(S1與S3互補導通)和S5頻繁交替動作;在輸出E/4～2E/4電平段時,電路拓撲在工作模態2和3之間切換,此時只有S5和S7頻繁交替動作;在輸出2E/4～3E/4電平段時,電路拓撲在工作模態1和2之間切換,此時只有S6和S7頻繁交替動作;在輸出0～-E/4電平段時,電路拓撲在工作模態4和5之間切換,此時只有S2(S4與S2互補導通)和S6頻繁交替動作;在輸出-E/4～-2E/4電平段時,電路拓撲在工作模態5和6之間切換,此時只有S6和S7頻繁交替動作;在輸出-2E/4～-3E/4電平段時,電路拓撲在工作模態7和5之間切換,此時只有S7和S5頻繁交替動作。因此,在輸出電壓正半周期和負半周期內頻繁動作的開關管分別依次為S3、S5、S7、S6和S2、S6、S7、S5;同時,開關管S7和S5、S6和S7在正半周期頻繁交替動作時輸出電平分別在E/4和2E/4、2E/4和3E/4之間切換,但是在負半周期頻繁交替動作時，輸出電平分別在-2E/4和-3E/4、-E/4和-2E/4之間切換。

基于上述的分析,要得到期望輸出的PWM電平波形,需要四個載波與正弦波相比較,在相交處產生開關管的控制極信號,分別控制四對頻繁交替動作的開關管(S3和S5、S2和S6、S5和S7、S6和S7)。載波位置的分布有兩種自由度[9]:垂直分層和水平相移分布,為了與輸出電壓波形的分層階梯波對應,本文采用垂直分層分布,其調制原理如圖3(a)所示。為了簡化載波產生的過程,這里讓調制波在正、負半周期分別向下、向上平移2個載波的幅值,此時載波就可以設計成上下對稱的四載波,從而得到四載波層疊調制算法,其調制機理如圖3(b)所示。

圖3 調制策略原理

由圖3可知,在調制波正半周期,S1與S3互補導通,輸出0～E/4電平段時,開關管S3和S5互補導通,輸出E/4～3E/4電平段時,開關S5和S6的開關次數之和為S7的開關次數,S3和S7的開關頻率之和為載波頻率,所以總的開關頻率等效為兩個載波頻率;在調制波負半周期,S2與S4互補導通,輸出0～-E/4電平段時,開關管S2和S6互補導通,輸出-E/4～-3E/4電平段時,開關S5和S6的開關次數之和為S7的開關次數,S2和S7的開關頻率之和為載波頻率,所以總的開關頻率等效為兩個載波頻率。同時,從整體來看,同一電平段以及相近兩電平段之間的切換都是按照正弦波規律進行的,因此,理論上由上述調制原理得到七電平PWM輸出電壓波形是可行的和有效的。

3 仿真驗證

為了驗證新型組合七電平逆變器工作原理的合理性以及該拓撲對應的四載波交錯SPWM調制策略的正確性與可行性,通過MATLAB/Simulink軟件對新型組合七電平逆變器進行了仿真,并與傳統的二極管鉗位式七電平逆變器在相同的仿真條件下作了對比分析。仿真條件設置:輸入電壓Udc=400 V,幅值調制比m=0.8,載波頻率fc=3 kHz。

傳統二極管鉗位七電平逆變器采用載波層疊SPWM調制策略時輸出電壓與頻譜圖和新型組合七電平逆變器采用四載波交錯SPWM調制策略時輸出電平與頻譜圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4(a)和圖5(a)可知,當輸入電壓和幅值調制比相同時,后者基波電壓幅值為240.8 V,前者基波電壓幅值為160.3 V,所以后者的直流電壓利用率大約是前者的1.5倍,這也驗證了上述關于相比傳統七電平逆變器,新型組合七電平逆變器能提高直流電壓利用率的理論分析;由圖4(b)和圖5(b)可知,兩種電路拓撲的輸出電壓諧波畸變率(THD)分別為23.71%和23.64%;最大次諧波相對基波的含量都在11%左右;其它次諧波相對諧波含量都在5%以下;同時兩者的諧波分布情況也基本一致,諧波主要集中分布在載波的整數倍次附近。

圖4 二極管鉗位型七電平逆變器輸出電壓與頻譜

圖5 新型組合七電平逆變器輸出電壓與頻譜

綜上所述,新型組合七電平逆變器采用四載波交錯SPWM調制策略時比傳統二極管鉗位七電平逆變器采用載波層疊SPWM調制策略時的直流電壓利用率高,兩者的輸出電壓諧波含量及分布情況基本一致。

4 結 論

針對解決新能源大容量并網接口電路中多電平逆變器使用的器件多、電路結構復雜的問題,本文通過組合傳統二極管鉗位三電平逆變器拓撲結構和帶雙向開關的三電平半橋單元,構建了一種新型組合七電平逆變器,并提出了相應的調制策略。經理論分析與仿真實驗得到如下結論:

1) 相比傳統七電平逆變器拓撲,該拓撲使用較少的器件,即能實現與傳統七電平逆變器相同的輸出電壓性能,從而簡化了拓撲結構,解決了新能源大容量并網系統中接口電路用七電平逆變器拓撲結構復雜的問題。同時可以把該單相組合拓撲擴展到三相組合拓撲。

2) 該調制策略使新型組合拓撲很好的實現了期望電壓的輸出;同時其設計方法可以應用到其它類似組合拓撲調制策略的研究中。

由于篇幅有限,本文仍存在一些問題沒有研究,如分壓電容平衡、開關管損耗及耐壓等問題,后續工作將重點研究上述問題。

[1] 劉鳳君. 多電平逆變技術及其應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007. LIU Fengjun. Multilevel inverter technology and its application[M]. Beijing: Machinery Industry Press,2007.

[2] 何湘寧,陳柯蓮. 多電平變換器的理論和應用技術[M].北京: 機械工業出版社, 2006. HE Xiangning, CHEN Kelian. Theory and application of multilevel converter technology [M]. Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 2006.

[3] NABAE A,TAKAHSHI I,AKAGI H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1981, 17(5):518-523.

[4] MALINOWSKI M,GOPAKUMAR K,RODRIGUEZ J, et al. A survey on neutral-point-clamped inverters[J]. IEEE Transactions on Industeial Electionics, 2010, 57(7): 2219-2230.

[5] MALINOWSKI M,GOPAKUMAR K,RODRIGUEZ J,et al. A Survey on cascaded multilevel Inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(7): 2097-2206.

[6] 王琛琛,李永東. 多電平變換器拓撲關系及新型拓撲[J]. 電工技術學報, 2011, 26(1): 92-99. WANG Chenchen, LI Yongdong. Multilevel converter topology relationship and a new topological[J]. Journal of Electrotechnics, 2011, 26 (1): 92-99.

[7] 張云. 非對稱混合多電平逆變器調制策略及功率均衡控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2010. ZHANG Yun. Asymmetric hybrid multilevel inverter modulation strategy and balance of the power control research[D]. Harbin:Harbin Industrial University, 2010.

[8] 陳阿蓮. 新型多電平逆變器組合拓撲結構和多電平逆變器的容錯技術[D].杭州：浙江大學, 2005. CHEN Alian. The new combination of multilevel inverter topology and multilevel inverter fault-tolerant technology[D].Hangzhou:Zhenjiang University,2005.

[9] 張云. 電容箝位型非對稱H橋五電平逆變器正弦脈寬調制控制[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(21): 40-45. ZHANG Yun. Clamping capacitance type asymmetric H bridge five level inverter sine pulse width modulation control[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29 (21): 40-45.

(責任編輯 郭金光)

Research on new composite seven level inverterin large capacity grid connected system

LIU Wei, GAN Xue, LI Qing

(Schoole of Electric Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to solve the problems of multilevel inverter used for the new energy large capacity grid connected interface circuit, including complex devices and circuit structure, this paper constructed a simplified new composite seven level inverter topology, and designed four-carrier staggered SPWM modulation and four-carrier cascade modulation. Through MATLAB/Simulink, the simulation of the new inverter was made, the result of which being compared with that of the traditional diode clamp type seven level inverter. The comparison shows that: the former fundamental wave voltage amplitude is 240.8 V, while the latter is 160.3 V; the output voltage harmonic distortion (THD) of two kinds of circuit topology are respectively 23.71% and 23.64%, both distributing in the same way. Thus, the feasibility and validity of the simplified topology and modulation strategy are verified.

large capacity grid connected system; new composite; seven level inverter; four-carrier staggered SPWM modulation

2015-12-29。

國家自然科學基金委員會與中國民用航空局聯合資助項目(U1333122) ；四川省應用基礎研究項目(2012JY0120)；太陽能技術集成及應用推廣四川省高校重點實驗室項目(TYN2015-09和2013TYNZ-02)。

劉 威(1988—),男,碩士研究生,研究方向為新能源并網技術。

TM464

A

2095-6843(2016)02-0161-04