一種五電平ANPC變換器的調(diào)制技術(shù)研究

耿后來，李 星，曹 偉，徐清清，李 順

（陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

多電平變換器能夠?qū)崿F(xiàn)更高電壓等級(jí)和更大容量，且可以能降低系統(tǒng)諧波，功率器件所承受的電壓應(yīng)力小，相對(duì)能用低壓開關(guān)管降低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，在交流調(diào)速、光伏發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括H橋級(jí)聯(lián)拓?fù)洹⒅悬c(diǎn)鉗位拓?fù)湟约帮w跨電容拓?fù)洹Ｆ渲蠬橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器所用的功率器件較多，整機(jī)綜合成本高，傳統(tǒng)二極管箝位式變換器存在母線電容電壓難以平衡的問題，控制較復(fù)雜，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性[1-3]。

ABB推出一種五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為有源中性點(diǎn)鉗位（5L-ANPC）轉(zhuǎn)換器，其將懸浮電容與中點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamp，NPC）拓?fù)湎嘟Y(jié)合，如圖1（a）所示[3]。與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，此類五電平拓?fù)涞闹悬c(diǎn)平衡控制更簡單，輸出的電平狀態(tài)更加靈活，可靠性更高。為提高效率，文獻(xiàn)[4]提出了一種新拓?fù)洌鐖D1（b）所示。此拓?fù)淠鼙ＷC大電流時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)管從3個(gè)降低為兩個(gè)。然而，此拓?fù)湫孰m然獲得了提升，但是為了效率等，其在高壓情況下開關(guān)管Q1和Q6的應(yīng)力較大，尚待優(yōu)化。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[5]提出了一種七電平的控制方式，然而其方案會(huì)降低轉(zhuǎn)換器輸出電流質(zhì)量，電流畸變偏大。

圖1 單相含懸浮電容的五電平逆變器

為了克服這些問題，本文基于圖1（b）提出了一種新的調(diào)制策略來確定要選擇的適當(dāng)開關(guān)狀態(tài)，即使在懸浮電容器電壓存在不平衡時(shí)，也可以產(chǎn)生所需的輸出電壓。所提出的調(diào)制技術(shù)控制懸浮電容電壓不必總是等于直流母線電壓的1/4，在高壓時(shí)使得逆變器處于七電平調(diào)制策，采用平均的概念，結(jié)合最近矢量調(diào)制和懸浮電容控制平衡方案控制輸出電壓占空比，高壓時(shí)在保證器件應(yīng)力的前提下保證逆變器輸出電流質(zhì)量。最后，在高壓下通過MATLAB進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所提調(diào)制策略的正確性與可行性。

1 ANPC五電平轉(zhuǎn)換器工作原理

基于懸浮電容的五電平ANPC轉(zhuǎn)換器如圖1（b）所示，其輸入側(cè)由兩個(gè)電容串聯(lián)組成，每個(gè)電容的額定電壓值為直流母線電壓的一半，即Udc/2。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求每一相都有一個(gè)懸浮電容Cf，通常控制其電壓應(yīng)為直流母線電壓的1/4，即Udc/4。基于懸浮電容Cf的五電平ANPC轉(zhuǎn)換器由8個(gè)開關(guān)狀態(tài)組成，根據(jù)電容器電壓在輸出端產(chǎn)生不同的電壓電平，各個(gè)矢量的開關(guān)組合及電壓輸出如表1所示。

表1 五電平各個(gè)矢量及開關(guān)狀態(tài)表

表中開關(guān)管Q7的驅(qū)動(dòng)G7與開關(guān)管Q8的驅(qū)動(dòng)G8互補(bǔ)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)G7為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)G8為1，當(dāng)驅(qū)動(dòng)G7為1時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)G8為0；開關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)G2與Q4的驅(qū)動(dòng)G5互補(bǔ)，開關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)G2與Q5的驅(qū)動(dòng)G5互補(bǔ)，開關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)G3與開關(guān)管Q6的驅(qū)動(dòng)G6互補(bǔ)，其驅(qū)動(dòng)關(guān)系和G7/G8一樣。表1為五電平各個(gè)矢量及開關(guān)狀態(tài)表，其中開關(guān)管為“0”則表示其斷開，開關(guān)管為“1”則表示其導(dǎo)通。對(duì)于正半周期，可推導(dǎo)出輸出電平的計(jì)算公式為：

其中開關(guān)管Q5的驅(qū)動(dòng)G5的狀態(tài)為：

式中，Uo為調(diào)制波信號(hào)。

以直流母線重點(diǎn)N為參考點(diǎn)，則該電路橋臂輸出電壓UAN可以輸出5個(gè)電平，分別為Udc/2、Udc/4、0、-Udc/4以及-Udc/2。某些開關(guān)狀態(tài)在產(chǎn)生一定的輸出電壓電平時(shí)是冗余的，如V2和V3是冗余開關(guān)狀態(tài)以生成Udc/4，類似地，(V6,V7)和(V4,V5)是分別生成-Udc/4和0的冗余狀態(tài)。盡管冗余開關(guān)狀態(tài)(V2,V3)和(V6,V7)產(chǎn)生相同的輸出電壓電平，但由于流過懸浮電容Cf的電流方向是變化的，它們對(duì)懸浮電容電壓的影響彼此相反，故此相同電平提供了調(diào)節(jié)其兩端電壓的機(jī)會(huì)。例如，當(dāng)輸出參考電壓介于Udc/4和Udc/2之間時(shí)，可以使用開關(guān)狀態(tài)V2和V4或V3和V4。選擇使用其中的一個(gè)(V2或V3)，主要目標(biāo)是減少參考電壓和實(shí)際懸浮電容電壓之間的差異。為了調(diào)節(jié)懸浮電容電壓，基于表1中矢量和輸出電流對(duì)懸浮電容的影響，在選擇開關(guān)狀態(tài)V2或V3時(shí)必須考慮輸出電流的極性。當(dāng)輸出電流的極性為正時(shí)，選擇V2矢量則懸浮電容Cf會(huì)放電，因此，懸浮電容的電壓會(huì)降低，而V3矢量的選擇會(huì)導(dǎo)致懸浮電容的電壓將增加。從上述的分析可推導(dǎo)出懸浮電容電壓波動(dòng)公式為：

通過上述分析可知，依據(jù)對(duì)應(yīng)相的輸出電流方向，為了達(dá)到控制懸浮電容電壓的平衡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)五電平輸出的目的，需要在正或負(fù)半周期通過選擇合適的矢量來進(jìn)行狀態(tài)切換。但是，考慮應(yīng)力等問題，可以使用不同的控制技術(shù)和策略來確定懸浮電容電壓的參考值。

2 基于懸浮電容的ANPC的調(diào)制技術(shù)

傳統(tǒng)上，調(diào)制器只需要輸出參考電壓作為輸入，假設(shè)懸浮電容Cf電壓調(diào)節(jié)到Udc/4，可以利用5個(gè)不同的電壓電平來生成所需的輸出電壓。但是，一般而言，必須考慮參考懸浮電容電壓值，特別是輸入電壓為高壓的時(shí)候，需要通過調(diào)制降低Q1和Q6的應(yīng)力。

控制懸浮電壓超過Udc/4，由于懸浮電容電壓波動(dòng)，V2和V3矢量的輸出電平將不再相同，同理V6和V7矢量的輸出電平將也不再相同，故可以使用7種不同的電壓電平來生成所需的輸出電壓[5]。控制輸出七電平，然而其使用的是七電平方案不是最近矢量調(diào)制，輸出電壓在過度點(diǎn)波動(dòng)過大，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電流THD偏大。故結(jié)合最近矢量調(diào)制和懸浮電容控制平衡的方案，提出一種基于平均的概念進(jìn)行新的調(diào)制策略。

通常，每個(gè)采樣時(shí)間Ts內(nèi)輸出電壓UAN的平均值Uos可以表示為：

式中，UAN(t)是輸出開關(guān)電壓。

圖2為參考電壓波形，Uref位于兩個(gè)電壓電平Ux和Uy之間，結(jié)果輸出電壓跟蹤基于式（4）的參考波形。

圖2 采用變化的最近電壓產(chǎn)生PWM用于跟蹤參考電壓

盡管懸浮電容兩端存在電壓波動(dòng)，但假定采樣時(shí)間Ts內(nèi)電容器電壓的變化很小，則其波動(dòng)電壓可以忽略不計(jì)，即圖2中電壓電平Ux和Uy的變化被忽略，Uref的表達(dá)式為：

通常，為了在特定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)從兩個(gè)不同的電壓電平Ux和Uy生成Uref，則占空比D為：

控制懸浮電壓超過Udc/4，V2和V3矢量的輸出的電平將不再相同，V2此時(shí)的橋臂電壓為：

V3此時(shí)的橋臂電壓為：

同理V6和V7矢量的輸出電平將也不再相同，可以使用7種不同的電壓電平來生成所需的輸出電壓。圖3顯示了懸浮電容電壓超過正常額定值Udc/4的示意圖，對(duì)應(yīng)橋臂輸出電壓UAN將會(huì)出現(xiàn)7個(gè)電平。

圖3 矢量狀態(tài)及7個(gè)電平示意圖

基于平均技術(shù)，實(shí)施平均方法以獲得懸浮五電平逆變器中所需的輸出電壓。重點(diǎn)對(duì)圖3中輸出電壓的虛線部分進(jìn)行優(yōu)化，需要利用兩個(gè)最接近的適當(dāng)電壓電平來生成所需的輸出電壓，使得輸出電壓更為平滑，輸出電流的THD也更好。

基于對(duì)懸浮電容電壓的影響來確定適當(dāng)電壓電平選擇的規(guī)則。例如，在某個(gè)時(shí)間，如果懸浮電容的實(shí)際電壓不同于預(yù)設(shè)的參考電壓，則必須通過使用表1選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)來對(duì)懸浮電容進(jìn)行充電。在表1中，如果輸出電流為正，電壓電平(Udc/2-UCf)的選擇會(huì)使懸浮電容Cf充電，如果為輸出電流負(fù)，電壓電平UCf的選擇會(huì)使懸浮電容充電。因此，根據(jù)輸出電流的iA的符號(hào)，需要選擇電壓電平(Udc/2-UCf)或電壓電平UCf。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提出新型調(diào)制策略在五電拓?fù)涔ぷ饔诟唠妷合碌男Ч疚幕贛ATLAB/Simulink軟件搭建了仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行仿真研究。其中，直流輸入電壓設(shè)置較高，為1 400 V，輸入側(cè)的上下電容容量設(shè)置為2 400 μF，懸浮電容容值為250 μF，輸出電抗為0.2 mH，開關(guān)頻率為16 kHz。考慮Q1和Q6管應(yīng)力，懸浮電容參考值超過Udc/4額定值，為430 V，輸出直接并入電網(wǎng)，電網(wǎng)線電壓為600 V，輸出功率為100 kW。

圖4為逆變器的橋臂輸出電壓UAN和輸出電流iA的波形。從仿真波形可見，懸浮電容的電壓在430 V附近，橋臂輸出電壓UAN有7個(gè)電平，其分別為700 V、430 V、270 V、0 V、-270 V、-430 V以及-700 V。理論上Q1和Q6管的平臺(tái)應(yīng)力降低到930 V，其對(duì)應(yīng)圖3虛線段內(nèi)存在V2/V4、V3/V4和V1/V2、V1/V3矢量共同調(diào)制，進(jìn)而使得輸出的電壓電平過度較為平穩(wěn)，圖5為輸出電流的FFT分析，從分析結(jié)果來看，THD為2.76%，符合理論分析。

圖4 橋臂輸出電壓和輸出電流波形

圖5 輸出電流FFT波形

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文所提出的新型調(diào)制策略在五電拓?fù)涔ぷ饔诟唠妷合碌男Ч罱艘辉囼?yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制核心采用TI的DSP芯片TMS320F28374S加LATTICE的FPGA芯片，其中FPGA主要用于PWM信號(hào)擴(kuò)展及邏輯電平處理，開關(guān)器件采用IGBT。實(shí)際實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和上述仿真參數(shù)相同，直流輸入電壓為1 400 V，考慮Q1和Q6管應(yīng)力，懸浮電容參考值超過Udc/4額定值，為430 V，開關(guān)頻率為16 kHz。上下母線電容為2 400 μF的薄膜電容，懸浮電容為250 μF的薄膜電容，輸出電抗為0.2 mH，輸出直接并入電網(wǎng)，電網(wǎng)線電壓為600 V，輸出功率為100 kW。

圖6為試驗(yàn)波形，其中通道1所示為橋臂輸出電壓UAN的波形，通道3所示為輸出電流iA的波形。從試驗(yàn)波形可見,懸浮電容的電壓在430 V附近，橋臂輸出電壓UAN有7個(gè)電平，分別為700 V、430 V、270 V、0 V、-270 V、-430 V以及-700 V，理論上的Q1和Q6管的平臺(tái)應(yīng)力降低到930 V，其對(duì)應(yīng)圖3虛線段內(nèi)存在V2/V4,V3/V4和V1/V2,V1/V3矢量共同調(diào)制，進(jìn)而使得輸出的電壓電平過度較為平穩(wěn)，輸出電流THD較低為2.92%，符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的調(diào)制策略符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 橋臂電壓和輸出電流的試驗(yàn)波形

4 結(jié) 論

本文針對(duì)含懸浮電容的五電平鉗位逆變器的五電平的工作原理進(jìn)行介紹，總結(jié)了懸浮電容電壓的控制，介紹了現(xiàn)有懸浮電容控制方案，為提高高電壓輸入五電平輸出電流質(zhì)量，并保證開關(guān)管應(yīng)力，提出了一種新的懸浮控制策略，以平均的概念獲得懸浮五電平逆變器中所需的輸出電壓，使得五電平逆變器處于七電平調(diào)制策略運(yùn)行。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出控制策略的有效性。