大容量并网系统中新型组合七电平逆变器的研究

刘 威,甘 雪，李 清

(西华大学 电气与电子信息学院,成都 610039)



大容量并网系统中新型组合七电平逆变器的研究

刘 威,甘 雪，李 清

(西华大学 电气与电子信息学院,成都 610039)

为了解决新能源大容量并网接口电路中多电平逆变器使用的器件多、电路结构复杂的问题,笔者构建了一种简化的新型组合七电平逆变器拓扑,同时设计了适于该拓扑的四载波交错SPWM调制策略及四载波层叠调制策略。通过MATLAB/Simulink软件对新型组合七电平逆变器进行了仿真,并与传统的二极管钳位式七电平逆变器在相同的仿真条件下作了对比分析,其结果:前者基波电压幅值为240.8 V,后者基波电压幅值为160.3 V;两种电路拓扑的输出电压谐波畸变率(THD) 分别为23.71%和23.64%,两者的谐波分布情况基本一致。由此验证了该简化拓扑及调制策略的可行性与有效性。

大容量并网;新型组合;七电平逆变器;四载波交错SPWM调制

相比传统两电平逆变器,多电平逆变器具有许多优势[1],因此,广泛应用于高压大功率交流电动机的变频调速、高压直流输电、电力有源滤波器以及新能源发电系统等领域中[2]。自上世纪80年代初日本学者A.Nabae等人提出二极管中点钳位式三电平逆变器以来[3],很多学者相继提出了具有研究价值的多电平逆变器拓扑结构及其控制策略[4-6],如今已经形成了二极管钳位型、飞跨电容型以及级联型三类基本的电路拓扑结构。但是,由于基本的多电平逆变器拓扑结构复杂,有源开关管以及无源器件使用的比较多,因此如何简化拓扑结构并提出相应的调制策略,提高装置性能,则成了研究多电平逆变器目的之一。文献[7]研究了非对称混合多电平逆变器,并提出了一种非对称H桥具有通用性的新型载波交错调制策略,在输出相同电平数时,比传统多电平逆变器所使用的功率器件少,结构简单;文献[8]通过组合传统的钳位多电平拓扑与两电平桥臂,得到一类新的多电平拓扑,与传统多电平拓扑相比,在输出相同电平数的情况下,简化了拓扑结构。本文在现有相关文献研究的基础上,构建了一种简化的新型组合七电平逆变器拓扑结构,即通过把传统二极管三电平逆变器中的零电平扩展为含有双向开关的三电平半桥结构,从而更进一步简化了拓扑结构,同时针对新型组合七电平逆变器拓扑自身的工作特点,提出了适合该电路拓扑的四载波交错SPWM调制策略,并详细分析了其调制原理。

1 新型组合七电平逆变器

1.1 主电路拓扑分析

本文构建的新型组合七电平逆变器拓扑如图1所示,由四个分压电容(C1～C4)、六个二极管(D1～D6)、六个带反向并联二极管的开关管(S1～S6)以及开关管(S7)组成。通过合理的开关组合,该电路拓扑可以形成七个输出电平。七电平逆变器拓扑器件数量如表1所示。

图1 新型组合七电平逆变器主拓扑

表1 七电平逆变器拓扑器件数量

由表1可知,相比传统七电平逆变器拓扑结构,该电路拓扑结构简单,使用的有源开关管以及无源器件相对较少,从而有利于降低成本、减小装置体积以及提高系统效率。

1.2 工作模态分析

为了方便地分析,假设图1中的四个分压电容(C1～C4)上的电容不波动,且每个分压电容上的电压等于E/4,则新型组合七电平逆变器通过开关管按照一定的规律动作可以输出七种电平。不同输出电平对应的工作模态如图2 所示。

图2 工作模态等效电路

由上述七种工作模态,可得七种输出电平与开关状态组合的关系,如表2所示。

表2 七种电平对应的开关状态

注:其中“1”表示开关管导通,“0”表示开关管关断。

从表2中可得到以下规律:开关管S1和S3、S2和S4分别互补导通;在输出电压的一个周期内的非零输出状态时,开关管S5、S6和S7只能有一个导通;开关管S2和S3分别在正半周期和负半周期保持常通。

2 调制策略机理分析

模态分析只是对新型组合七电平逆变器拓扑工作原理的分析,如何根据输出电压uA0对应的七种开关状态以及各开关管的导通规律设计出合理的调制策略是本文的关键。

从期望输出的PWM电平段的变化分析,在输出0～E/4电平段时,电路拓扑在工作模态3和4之间切换,此时只有S3(S1与S3互补导通)和S5频繁交替动作;在输出E/4～2E/4电平段时,电路拓扑在工作模态2和3之间切换,此时只有S5和S7频繁交替动作;在输出2E/4～3E/4电平段时,电路拓扑在工作模态1和2之间切换,此时只有S6和S7频繁交替动作;在输出0～-E/4电平段时,电路拓扑在工作模态4和5之间切换,此时只有S2(S4与S2互补导通)和S6频繁交替动作;在输出-E/4～-2E/4电平段时,电路拓扑在工作模态5和6之间切换,此时只有S6和S7频繁交替动作;在输出-2E/4～-3E/4电平段时,电路拓扑在工作模态7和5之间切换,此时只有S7和S5频繁交替动作。因此,在输出电压正半周期和负半周期内频繁动作的开关管分别依次为S3、S5、S7、S6和S2、S6、S7、S5;同时,开关管S7和S5、S6和S7在正半周期频繁交替动作时输出电平分别在E/4和2E/4、2E/4和3E/4之间切换,但是在负半周期频繁交替动作时，输出电平分别在-2E/4和-3E/4、-E/4和-2E/4之间切换。

基于上述的分析,要得到期望输出的PWM电平波形,需要四个载波与正弦波相比较,在相交处产生开关管的控制极信号,分别控制四对频繁交替动作的开关管(S3和S5、S2和S6、S5和S7、S6和S7)。载波位置的分布有两种自由度[9]:垂直分层和水平相移分布,为了与输出电压波形的分层阶梯波对应,本文采用垂直分层分布,其调制原理如图3(a)所示。为了简化载波产生的过程,这里让调制波在正、负半周期分别向下、向上平移2个载波的幅值,此时载波就可以设计成上下对称的四载波,从而得到四载波层叠调制算法,其调制机理如图3(b)所示。

图3 调制策略原理

由图3可知,在调制波正半周期,S1与S3互补导通,输出0～E/4电平段时,开关管S3和S5互补导通,输出E/4～3E/4电平段时,开关S5和S6的开关次数之和为S7的开关次数,S3和S7的开关频率之和为载波频率,所以总的开关频率等效为两个载波频率;在调制波负半周期,S2与S4互补导通,输出0～-E/4电平段时,开关管S2和S6互补导通,输出-E/4～-3E/4电平段时,开关S5和S6的开关次数之和为S7的开关次数,S2和S7的开关频率之和为载波频率,所以总的开关频率等效为两个载波频率。同时,从整体来看,同一电平段以及相近两电平段之间的切换都是按照正弦波规律进行的,因此,理论上由上述调制原理得到七电平PWM输出电压波形是可行的和有效的。

3 仿真验证

为了验证新型组合七电平逆变器工作原理的合理性以及该拓扑对应的四载波交错SPWM调制策略的正确性与可行性,通过MATLAB/Simulink软件对新型组合七电平逆变器进行了仿真,并与传统的二极管钳位式七电平逆变器在相同的仿真条件下作了对比分析。仿真条件设置:输入电压Udc=400 V,幅值调制比m=0.8,载波频率fc=3 kHz。

传统二极管钳位七电平逆变器采用载波层叠SPWM调制策略时输出电压与频谱图和新型组合七电平逆变器采用四载波交错SPWM调制策略时输出电平与频谱图分别如图4、图5所示。

由图4(a)和图5(a)可知,当输入电压和幅值调制比相同时,后者基波电压幅值为240.8 V,前者基波电压幅值为160.3 V,所以后者的直流电压利用率大约是前者的1.5倍,这也验证了上述关于相比传统七电平逆变器,新型组合七电平逆变器能提高直流电压利用率的理论分析;由图4(b)和图5(b)可知,两种电路拓扑的输出电压谐波畸变率(THD)分别为23.71%和23.64%;最大次谐波相对基波的含量都在11%左右;其它次谐波相对谐波含量都在5%以下;同时两者的谐波分布情况也基本一致,谐波主要集中分布在载波的整数倍次附近。

图4 二极管钳位型七电平逆变器输出电压与频谱

图5 新型组合七电平逆变器输出电压与频谱

综上所述,新型组合七电平逆变器采用四载波交错SPWM调制策略时比传统二极管钳位七电平逆变器采用载波层叠SPWM调制策略时的直流电压利用率高,两者的输出电压谐波含量及分布情况基本一致。

4 结 论

针对解决新能源大容量并网接口电路中多电平逆变器使用的器件多、电路结构复杂的问题,本文通过组合传统二极管钳位三电平逆变器拓扑结构和带双向开关的三电平半桥单元,构建了一种新型组合七电平逆变器,并提出了相应的调制策略。经理论分析与仿真实验得到如下结论:

1) 相比传统七电平逆变器拓扑,该拓扑使用较少的器件,即能实现与传统七电平逆变器相同的输出电压性能,从而简化了拓扑结构,解决了新能源大容量并网系统中接口电路用七电平逆变器拓扑结构复杂的问题。同时可以把该单相组合拓扑扩展到三相组合拓扑。

2) 该调制策略使新型组合拓扑很好的实现了期望电压的输出;同时其设计方法可以应用到其它类似组合拓扑调制策略的研究中。

由于篇幅有限,本文仍存在一些问题没有研究,如分压电容平衡、开关管损耗及耐压等问题,后续工作将重点研究上述问题。

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(责任编辑 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。

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目(U1333122) ；四川省应用基础研究项目(2012JY0120)；太阳能技术集成及应用推广四川省高校重点实验室项目(TYN2015-09和2013TYNZ-02)。

刘 威(1988—),男,硕士研究生,研究方向为新能源并网技术。

TM464

A

2095-6843(2016)02-0161-04