混合七電平逆變器調制策略的研究

顧志勇，陳如廣

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

多電平逆變器在中等能源管理市場上是頗具性價比的選擇[1],主要是由于其使用低耐壓開關器件便可得到輸出高壓的效果，使得電壓變化率dv/dt保持在較小水平的同時，又能獲得較多的電壓電平數，輸出更好的電能波形.此外，其也兼具使用效率高、電磁干擾低的優勢，便于投入到高壓大功率場所的使用中[2-4].CHB(cascaded H-bride,CHB)多電平逆變器采用的是H橋式拓撲結構，相較于其他可投入商業使用的逆變器拓撲結構有著較為明顯的優勢，例如相較于鉗位型多電平逆變器，H橋式結構由于未使用較多的鉗位二極管[5]，可以避免出現復雜的電容電壓均衡問題，提高了使用效率，且由于級聯H橋的拓撲更易于拓展和延伸，易于模塊化研究，從而能夠降低成本.CHB多電平逆變器的主要研究內容包括了電路拓撲結構、操作原理、控制策略、調制策略、數據系統仿真和實驗實踐驗證等，此外還要考慮到各種拓撲結構所需設備的不同使用情況和數量，最后生成相關的數學表達式.其中，調制策略是研究CHB逆變器的重要環節，掌握合適的調制策略便于我們在更好地獲取理想電平數量的同時，也能降低使用成本.由于傳統的級聯H橋逆變器在同等級聯單元數下，可以輸出的電平數有限，因此專家們開始提出一種直流側電壓比為1：2的混合七電平逆變器[6].相較于傳統的級聯H橋逆變器，混合H橋逆變器可以在同等級聯單元下輸出更多的電平數，并且可以使用的調制策略也更加靈活.傳統混合脈寬調制策略雖然能實現較多的電平數目，但是存在高低壓單元在同一周期內，部分區域存在輸出電壓極性相反的情況，即該策略有電流倒灌的問題.針對上述提到的傳統混合調制策略的不足之處，結合混合七電平逆變器拓撲結構的研究，提出改進型調制策略，以此解決電流倒灌問題，達到倍頻效果，減少器件的開關損耗，增加器件的使用壽命.

1 混合七電平CHB逆變器拓撲

混合七電平拓撲結構如圖1所示.

圖1 混合七電平CHB逆變器拓撲結構

圖1中顯示該拓撲結構有兩個獨立的直流電源，且高壓單元與低壓單元直流側電壓之比為2：1.S11、S31、S21、S41、S12、S32、S22、S42為8個IGBT開關器件，這里定義開關器件用函數Sij表示，其中i=1，2，3，4；j=1，2.

UH1是高壓H1單元的輸出電壓，UH2是低壓H2單元的輸出電壓，UAN為這兩單元的輸出相加總電壓，對應關系為：

UAN=UH1+UH2.

(1)

每個級聯單元可以輸出3個電平，從高壓單元來看，可以輸出2E、-2E和0共3個電平；從低壓單元來看，可以輸出E、-E和0共3個電平.該拓撲結構逆變器可輸出7個電平：±3E、±2E、±E、0.各級聯單元輸出電平關系具體如表1所列.

在表1可以看出，兩個級聯單元的開關狀態有冗余的現象，且在UAN=±E時，會發生兩個級聯單元輸出的電壓極性相反的情況，因此導致了電流倒灌和能量反饋的情況出現.

表1 各級聯單元輸出電平關系

2 調制策略的研究

2.1 傳統混合CHB調制策略

在傳統混合調制策略中高壓單元H1使用階梯波調制，選取正弦波Vr為調制波、Vm為階梯波.根據階梯波調制的特性，高壓單元工作在基頻狀態之下，減少了開關損耗，具備一定經濟性.接著將Vm減去Vr可以得到低壓單元的調制波Vref，Vcr和-Vcr為兩個極性相反的三角載波，其幅值為1.傳統的混合調制策略如圖2所示.

圖2 傳統混合CHB調制策略

對于高壓單元，可以隨著階梯波Vm輸出的電壓大小為2E，其波形如圖2中uH1所示.對于低壓單元H2,當調制波Vref大于三角載波Vcr時，可以輸出電壓E;當調制波Vref小于-Vcr時，可以輸出的電壓大小為-E，其輸出電壓的波形如圖2中uH2所示.可以通過兩個級聯單元輸出的電壓波形看出，在兩個電壓疊加的交界處會發生輸出電壓極性相反的情況，因此該調制策略會導致電流倒灌和能量回饋等問題.

2.2 CHB優化調制策略

基于傳統H-PWM調制策略提出的優化調制策略如圖3所示.其中高壓單元依舊采用階梯波調制的方法，工作在基頻，而低壓單元則使用了類似雙極倍頻的方法.正弦波vr為調制波，設定其表達式為：

Vr=3Msin(wt),

(2)

圖3 改進型CHB調制策略

式中，M為調制度.

在進行低壓單元調制中，Vref為改進后的調制波，Vcr為雙極倍頻后的載波，其周期是圖2中載波Vcr的兩倍.其中Vref對應的關系如下：

(3)

uH1和uH2分別為高壓H1單元和低壓H2單元對應的電壓輸出波形(如圖3所示).由圖可知，在前半個周期內，當調制波Vref大于載波Vcr時，開關管S12導通，否則視為關斷；當Vref的反向調制波大于Vcr時，開關管S32導通，否則視為關斷.該調制策略顯示，同一周期內，高低壓單元并沒有出現電壓波形極性相反的情況，即無電流倒灌的問題出現.此外，由于Vcr的載波周期相較于傳統混合調制策略中采用類似單級三角載波的載波周期提升了兩倍，達到了倍頻效果，在一定程度上減少了開關損耗，提升了經濟性能.

3 仿真分析

為了驗證改進型調制策略的可行性，運用MATLAB/simulink搭建基于上述調制策略的七電平逆變器仿真模型.其中參數E為10 V,載波頻率為3 000 Hz，載波比為60；電阻R為50 Ω，電感L為0.004 H，調制度M=0.6/0.9.

圖4 高壓單元調制原理

高壓和低壓單元調制原理圖，與上文所述高低壓單元情況一致.高壓單元運行在基頻狀態，減少了開關損耗，而低壓單元運行在高頻狀態，能輸出較好的諧波特性[7-8].

圖5 低壓單元調制原理

改進型逆變器調制策略下，高低壓單元所輸出的電壓和逆變器電壓波形輸出如圖6所示.由圖可知，當M越大時，輸出電平數越多.調制度M=0.6和M=0.9的時候，同一周期下，當高壓單元輸出極性為正時，低壓單元輸出極性也為正，而高壓單元輸出極性為負時，低壓單元輸出也為負，因此在一個周期內高低壓單元輸出極性相同，即未出現電流倒灌和能量反饋的問題.

圖6 不同調制度下輸出電壓特性圖

4 結論

本文提出的改進型調制策略主要基于具有兩個直流電壓源且其電壓比值為2：1的混合七電平逆變器，對其采用雙極倍頻調制策略，實現了倍頻效果的同時，解決了電流倒灌問題.