二极管箝位三电平逆变器的多载波同向层叠调制

易理军， 郭有贵,2*， 张 玉

(1.湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105；2.俄亥俄州立大学 电气与计算机工程系,俄亥俄州 哥伦布 OH 43210-1272 美国)

二极管箝位三电平逆变器的多载波同向层叠调制

易理军1， 郭有贵1,2*， 张 玉1

(1.湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105；2.俄亥俄州立大学 电气与计算机工程系,俄亥俄州 哥伦布 OH 43210-1272 美国)

分析了二极管箝位型三电平逆变器的拓扑和工作原理，阐述了其多载波同向层叠调制的具体实现过程，利用MATLAB/SIMULINK搭建了相应的仿真模型.仿真实验验证了多载波同向层叠方法的可行性、灵活性.实验过程中还发现两电平逆变器的一些结论和控制算法同样适用于三电平逆变器，从而较好地拓展了研究思路.

三电平逆变器；载波同向层叠；仿真实验

多电平逆变器具有输出电压跳变少，输出电压波形好,谐波含量低,在三相系统中共模电压减少等优点[1-3].各国学者对多电平变换器进行了深入研究，但大部分以试验室研究为主，真正应用于实际的还是两电平和三电平居多，而前者基本成熟了.在培养学生和学术研究方面，研究三电平较多，如丹麦奥尔堡大学每年都有学生研究三电平，是多电平研究中的热点[4-6].

1 二极管箝位型三电平逆变器拓扑及工作原理

为便于分析，以输出为A相的桥臂为例，如图1所示.该拓扑由4个IGBT、4个二极管、2个箝位二极管组成，其中由1个IGBT和1个二极管反并联分别构成Sa1、Sa2、Sa3、Sa44个开关，通过控制其中4个IGBT的通断，就可以在输出端A得到相对于输入电源中心点O的3个电平.由3个这样的桥臂组成的电能变换电路就叫二极管钳位型三电平逆变器[1].

如图1所示，其工作原理是：当开关Sa1和Sa2同时导通时，则Sa3和Sa4同时关断，若此时电流方向为正，即从p点经由Sa1和Sa2到达输出端A，忽略开关器件导通压降，相对于输入电源中心点O，就得到输出端A的相电压为Vdc/2；若电流为负，同样得到A的相电压为Vdc/2.当开关Sa2和Sa3同时导通时，则Sa1和Sa4同时关断，若电流方向为正，即从中性点O经由钳位二极管D5和开关Sa2到达输出端A，这时A点电压为0；若电流方向为负，同样可得到A点电压为0.当开关Sa3和Sa4同时导通时，则Sa1和Sa2同时关断，在电流方向为正负两种情况时，同理可推出，A点相对于输入电源中心点O电压都为-Vdc/2.这就是这种三电平逆变器一个桥臂的工作原理，其开关控制规律总结如表1所示.其余B、C两相桥臂的工作原理分别与A相完全相同.由于每个桥臂可输出3个相电压，3个输出端A、B、C总共可以输出33=27个电平状态，从而对应27个输出相电压空间矢量[1，4，5].

表1 二极管箝位型结构IGBT的开关状态和输出电平的关系(以A相为例)

2 二极管箝位型三电平逆变器的多载波同向层叠调制

载波PWM控制技术，就是通过多组载波和调制波比较，得到开关脉宽控制信号.三角载波叠层法是两电平载波PWM法的扩展，具体到本文的三电平逆变器控制，可由两组频率和幅值绝对值相同的三角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波.以单向桥臂输出为例，如图2所示.假设3个电平从高到低依次为p(正)、o(零)和n(负)，当调制波的正半波瞬时值大于上层载波时，输出电平为p；当调制波的负半波瞬时值小于下层载波时输出电平为n，其他情况输出o.其余两相调制原理与前述完全相同，只是调制波在相位上互差120°.当载波的相位相反时，则是载波反向叠层法[1].

3 二极管箝位三电平逆变器的多

载波同向层叠调制建模

用MATLAB/SIMULINK模块搭建基于载波同向层叠法的二极管箝位三电平逆变器仿真模型，如图3所示.具体参数设置为：直流侧用2个100 V的直流电源串联等效，它们的中点接地，为0电位，正弦调制波频率为50 Hz，三角载波频率为750 Hz，载波比N=fc/fm=15，调制度m为0.9.其中多载波同向层叠调制算法仿真模型如图4所示.正弦调制波由正弦波发生器模块产生，正、负三角载波Ucp、Ucn均由三角波发生器产生.正弦调制波通过关系运算模块分别与Ucp、Ucn比较，得到高低电平1和0.然后通过数据类型转换模块转换为双精度数据类型，最后作为S函数的输入，通过编程实现控制算法，产生正确的PWM信号.

4 二极管箝位型三电平逆变器多载波同向层叠调制的仿真分析

由仿真模型得到仿真结果如图5和图6所示.图5是A相输出的相电压波形，是3种电平.图6是A、B两相的线电压波形，是5种电平.对于其他的载波叠层法，其建模与仿真思路是类似的.实验结果较好地验证了二极管箝位型三电平逆变器多载波控制的可行性和灵活性.

5 结 论

综合上述，可以得出以下结论：

(1) 多载波层叠法能够很好地实现对三电平逆变器的控制；

(2) 控制算法简单，实时性较好，容易实现且可靠；

(3) 两电平的同步调制、异步调制、混合调制可以移植到三电平的多载波控制上；

(4) 当载波比为奇数时，输出的电压波形对称，与两电平的结论相同；

(5) 本控制算法适当扩展，可应用于三电平以上的复杂逆变器控制，而空间矢量调制实现难度是很大的.

[1] 李永东. 大容量多电平变换器[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[2] 许赟. 混合级联多电平拓扑及其在STATCOM中的应用研究[D]. 武汉:华中科技大学,2008.

[3] 胡存刚. 多电平二极管箝位型逆变器PWM控制方法及相关问题的研究[D].合肥:合肥工业大学，2008.

[4] AKIRA N. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1981, 17(3): 518-523.

[5] 朱丹. 三电平SVPWM控制策略的研究[D]. 太原:山西大学，2010.

[6] 胡慧慧. 基于空间矢量控制的三电平逆变器的研究[D].东营:中国石油大学，2008.

责任编辑：龙顺潮

Multi-carrier Phase Disposition Modulation of Diode NPC Three-level Inverter

YILi-jun1,GUOYou-gui1,2,ZHANGYu1

(1.College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105 China; 2. Department of Electrical & Computer Engineering, The Ohio State University, Columbus OH 43210-1272 America)

This paper analyzes the topology and working principle of NPC three-level inverter, discusses its specific realization process of multi-carrier phase disposition modulation. Then the corresponding simulation models are built with MATLAB/SIMULINK. Simulation experiments have verified the feasibility and flexibility of multi-carrier phase disposition method. During the experiment,some conclusions and control algorithms of two-level inverter are found that they are fit for three-level inverter. Thus the research idea is better extended.

three-level inverter; carrier phase disposition; simulation experiment

2016-04-22

国家自然科学基金项目(51277156,51307148); 省重点学科;智能计算与信息处理教育部重点实验室建设项目

郭有贵(1968—)，湖南 涟源人，博士，教授.E-mail:719983182@qq.com

TM41

A

1000-5900(2016)04-0054-04