混合七电平逆变器调制策略的研究

顾志勇，陈如广

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000)

多电平逆变器在中等能源管理市场上是颇具性价比的选择[1],主要是由于其使用低耐压开关器件便可得到输出高压的效果，使得电压变化率dv/dt保持在较小水平的同时，又能获得较多的电压电平数，输出更好的电能波形.此外，其也兼具使用效率高、电磁干扰低的优势，便于投入到高压大功率场所的使用中[2-4].CHB(cascaded H-bride,CHB)多电平逆变器采用的是H桥式拓扑结构，相较于其他可投入商业使用的逆变器拓扑结构有着较为明显的优势，例如相较于钳位型多电平逆变器，H桥式结构由于未使用较多的钳位二极管[5]，可以避免出现复杂的电容电压均衡问题，提高了使用效率，且由于级联H桥的拓扑更易于拓展和延伸，易于模块化研究，从而能够降低成本.CHB多电平逆变器的主要研究内容包括了电路拓扑结构、操作原理、控制策略、调制策略、数据系统仿真和实验实践验证等，此外还要考虑到各种拓扑结构所需设备的不同使用情况和数量，最后生成相关的数学表达式.其中，调制策略是研究CHB逆变器的重要环节，掌握合适的调制策略便于我们在更好地获取理想电平数量的同时，也能降低使用成本.由于传统的级联H桥逆变器在同等级联单元数下，可以输出的电平数有限，因此专家们开始提出一种直流侧电压比为1：2的混合七电平逆变器[6].相较于传统的级联H桥逆变器，混合H桥逆变器可以在同等级联单元下输出更多的电平数，并且可以使用的调制策略也更加灵活.传统混合脉宽调制策略虽然能实现较多的电平数目，但是存在高低压单元在同一周期内，部分区域存在输出电压极性相反的情况，即该策略有电流倒灌的问题.针对上述提到的传统混合调制策略的不足之处，结合混合七电平逆变器拓扑结构的研究，提出改进型调制策略，以此解决电流倒灌问题，达到倍频效果，减少器件的开关损耗，增加器件的使用寿命.

1 混合七电平CHB逆变器拓扑

混合七电平拓扑结构如图1所示.

图1 混合七电平CHB逆变器拓扑结构

图1中显示该拓扑结构有两个独立的直流电源，且高压单元与低压单元直流侧电压之比为2：1.S11、S31、S21、S41、S12、S32、S22、S42为8个IGBT开关器件，这里定义开关器件用函数Sij表示，其中i=1，2，3，4；j=1，2.

UH1是高压H1单元的输出电压，UH2是低压H2单元的输出电压，UAN为这两单元的输出相加总电压，对应关系为：

UAN=UH1+UH2.

(1)

每个级联单元可以输出3个电平，从高压单元来看，可以输出2E、-2E和0共3个电平；从低压单元来看，可以输出E、-E和0共3个电平.该拓扑结构逆变器可输出7个电平：±3E、±2E、±E、0.各级联单元输出电平关系具体如表1所列.

在表1可以看出，两个级联单元的开关状态有冗余的现象，且在UAN=±E时，会发生两个级联单元输出的电压极性相反的情况，因此导致了电流倒灌和能量反馈的情况出现.

表1 各级联单元输出电平关系

2 调制策略的研究

2.1 传统混合CHB调制策略

在传统混合调制策略中高压单元H1使用阶梯波调制，选取正弦波Vr为调制波、Vm为阶梯波.根据阶梯波调制的特性，高压单元工作在基频状态之下，减少了开关损耗，具备一定经济性.接着将Vm减去Vr可以得到低压单元的调制波Vref，Vcr和-Vcr为两个极性相反的三角载波，其幅值为1.传统的混合调制策略如图2所示.

图2 传统混合CHB调制策略

对于高压单元，可以随着阶梯波Vm输出的电压大小为2E，其波形如图2中uH1所示.对于低压单元H2,当调制波Vref大于三角载波Vcr时，可以输出电压E;当调制波Vref小于-Vcr时，可以输出的电压大小为-E，其输出电压的波形如图2中uH2所示.可以通过两个级联单元输出的电压波形看出，在两个电压叠加的交界处会发生输出电压极性相反的情况，因此该调制策略会导致电流倒灌和能量回馈等问题.

2.2 CHB优化调制策略

基于传统H-PWM调制策略提出的优化调制策略如图3所示.其中高压单元依旧采用阶梯波调制的方法，工作在基频，而低压单元则使用了类似双极倍频的方法.正弦波vr为调制波，设定其表达式为：

Vr=3Msin(wt),

(2)

图3 改进型CHB调制策略

式中，M为调制度.

在进行低压单元调制中，Vref为改进后的调制波，Vcr为双极倍频后的载波，其周期是图2中载波Vcr的两倍.其中Vref对应的关系如下：

(3)

uH1和uH2分别为高压H1单元和低压H2单元对应的电压输出波形(如图3所示).由图可知，在前半个周期内，当调制波Vref大于载波Vcr时，开关管S12导通，否则视为关断；当Vref的反向调制波大于Vcr时，开关管S32导通，否则视为关断.该调制策略显示，同一周期内，高低压单元并没有出现电压波形极性相反的情况，即无电流倒灌的问题出现.此外，由于Vcr的载波周期相较于传统混合调制策略中采用类似单级三角载波的载波周期提升了两倍，达到了倍频效果，在一定程度上减少了开关损耗，提升了经济性能.

3 仿真分析

为了验证改进型调制策略的可行性，运用MATLAB/simulink搭建基于上述调制策略的七电平逆变器仿真模型.其中参数E为10 V,载波频率为3 000 Hz，载波比为60；电阻R为50 Ω，电感L为0.004 H，调制度M=0.6/0.9.

图4 高压单元调制原理

高压和低压单元调制原理图，与上文所述高低压单元情况一致.高压单元运行在基频状态，减少了开关损耗，而低压单元运行在高频状态，能输出较好的谐波特性[7-8].

图5 低压单元调制原理

改进型逆变器调制策略下，高低压单元所输出的电压和逆变器电压波形输出如图6所示.由图可知，当M越大时，输出电平数越多.调制度M=0.6和M=0.9的时候，同一周期下，当高压单元输出极性为正时，低压单元输出极性也为正，而高压单元输出极性为负时，低压单元输出也为负，因此在一个周期内高低压单元输出极性相同，即未出现电流倒灌和能量反馈的问题.

图6 不同调制度下输出电压特性图

4 结论

本文提出的改进型调制策略主要基于具有两个直流电压源且其电压比值为2：1的混合七电平逆变器，对其采用双极倍频调制策略，实现了倍频效果的同时，解决了电流倒灌问题.