两单元五开关逆变器的倍频调制及功率平衡方法

胡文华, 丁文斌, 喻正炎, 邢瑞新, 余书琨, 熊志磊

(华东交通大学 电气与自动化工程学院, 江西 南昌 330013)

随着电力行业的不断发展,级联多电平逆变器(CHB)无需注意串联时开关器件的均压问题,具有输出电压质量好、容易模块化等优点,在高压大功率传动系统和新能源发电等领域实现了大规模的应用[1].

正负反向层叠正弦波脉宽(phase opposite disposition,POD)调制下逆变器输出电压的THD较小,各单元间功率不平衡[2].两单元级联H桥采用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM),存在输出电平数少且谐波含量高的问题.

为了解决以上弊端,目前研究的方向是对传统CHB拓扑结构进行改进和创新并且提出相对应的调制策略,提高逆变器的输出性能[3].五开关级联H桥逆变器就是通过CHB改进得到,其电压波形质量高且谐波含量低[4],但是五开关逆变器不管从拓扑还是调制策略方面,其参考文献较少.对此,叶满园等[5]通过级联H桥输出波形结合逆变器的工作模式逆向推导了五开关逆变器的脉冲信号,提供了一种全新调制的思路.张云等[6]提出了一种应用于五开关逆变器的新型SPWM控制策略,通过调制波分层和三角载波周期性交错进行比较,得到了输出电压的驱动信号,但其本质为载波层叠调制,级联单元之间存在功率均衡的问题.为此,叶满园等[7]提出了改进的调制策略,利用载波移相的方法使得各单元功率分配均衡.许亚明等[8-9]通过对三角波进行周期性的重构解决了各单元之间功率均衡的问题.但改变三角载波的排列方式使得调制策略的数字难度增加.所以胡文华等[10]基于不对称多电平逆变器的拓扑结构,通过对脉冲信号的逻辑组合得到开关管的驱动信号,使得两个单元之间功率得到均衡,利于工程的实现.

本文为进一步增加五开关逆变器输出电平数和提高波形质量,提出了一种两单元级联H桥九电平五开关逆变器新型拓扑结构和改进型 POD-PWM的倍频调制策略,并给出了一种实现两个单元之间功率均衡的方法.由仿真说明和实验研究可知:两单元五开关级联H桥九电平逆变器应用所提调制策略既可以输出更多的电平数,又具有良好的谐波特性.

1 逆变器拓扑及调制方法

1.1 拓扑

本文所提两单元五开关级联H桥九电平逆变器拓扑结构如图1所示,由两个五开关H桥逆变器单元构成该拓扑.两个单元的输出电压分别为u1和u2,两个单元通过变压器级联在一起形成的逆变器的输出相电压为uAN.该拓扑结构具有五开关逆变器和两单元级联H桥逆变器拓扑的特点,能输出更多的电平数,使得谐波畸变率变低,提高了电能的质量,而且减少了器件的损耗.二极管D1和D2起到了续流和钳位的作用并且拓扑结构引入了变压器,

图1 两单元五开关九电平逆变器拓扑

虽然增加了成本和重量,但具有电压变换、电气隔离等优点.

表1给出了各个单元输出的电压及其对应的开关状态.通过有序地对五个开关管进行通断控制,来输出相对应的±2E、±E和0共5种电平模式.表1中,“1”表示开关管导通,“0”表示开关管关断.

表1 第一个单元的输出电压及其对应的开关状态

五开关逆变器输出的相电压与两个级联单元的输出电压存在如下关系:

uAN=uH1+uH2

(1)

对于第一个单元来说,u1可以得到2E、E、0、-E和-2E共5种电平;对于第二个单元,u2可以得到2E、E、0、-E和-2E共5种电平.所以uAN一共有±4E、±3E、±2E、±E和0共9种电平的输出.

1.2 基于改进型POD-PWM倍频调制策略

为了解决传统两单元级联H桥在POD-PWM调制下输出电平数少的问题,对于本文五开关拓扑,可以采用改进型POD-PWM对其进行调制,通过正弦波和三角载波相比较得到的脉冲信号再进一步进行逻辑组合才能作为各个开关管的触发信号,但两个单元之间仍然存在功率均衡的问题.图2为改进POD-PWM调制原理,vn、vn1和vn2为正弦波调制信号, 其数学表达式为

(2)

图2中,载波vd+、vd-、vb+和vb-垂直排列,幅值和频率相同,但相位相反;vd+、vd-为开关管S11、S12、S21和S22的载波信号;vb+、vb-为开关管S15、S25的载波信号;开关管S13、S14、S23和S24的驱动信号为基波频率的方波信号,不需另加载波信号进行调制,其他开关器件都需要通过正弦波和三角载波比较,再进行逻辑组合得到驱动信号,具体过程为:当vn1>vd+,vn1>vd-时,得到脉冲信号q1和q2,对其进行或操作得到S11触发信号,对其进行与操作得到S21触发信号;当vn2>vd+,vn2>vd-时,得到脉冲信号e1和e2,对其进行或操作得到S12触发信号,对其进行与操作得到S22触发信号;当vn>vb+,vn>vb-时,得到脉冲信号z1和z2,对其进行与操作,得到S15驱动信号,对其进行或操作得到S25触发信号.

图2 改进POD-PWM调制原理图Fig.2 Improved POD-PWM modulation schematic

根据以上分析,第一个单元和第二个单元各个开关器件的触发信号满足如下关系式:

(3)

1.3 功率均衡方法

图3 改进POD-PWM调制下的功率均衡方法Fig.3 Improved power balance method under POD-PWM modulation

两单元五开关逆变器之间级联构成回路,流过的电流大小相等,但是在一个周期内的电压基波幅值各不相同,因此在改进型POD-PWM下两个单元输出功率并不均衡,对此提出了一种功率均衡的策略,即通过交换脉冲实现功率均衡,调制原理如图3所示.分析如下:P1、P2为相差180°的两个方波信号,其频率和基频相同,S11、S12、S21、S22、S15、S25为六个开关器件的初始驱动信号;P1、P2信号的作用就是对初始信号按照1/2输出电压周期循环进行互换,得到实际驱动信号S′11、S′12、S′21、S′22、S′15和S′25,这样使得u1和u2电压波形在半个周期内交换,电压基波幅值相等,实现了两个单元之间的功率均衡.由图3可知,当交换S11、S21的触发信号,S12、S22触发信号保持不变,两个单元开关管的正半周期实际驱动信号的数学逻辑表达式为

(4)

当交换S12、S22的触发信号,S11、S21触发信号保持不变,两个单元开关管负半周期的实际驱动信号的数学逻辑表达式为

(5)

对于两单元五开关级联H桥逆变器来说,在一个周期T内,第一个和第二个单元输出的平均功率表达式为

(6)

式中:Uoi为第i个单元(i=1,2)电压基波分量的幅值;Io为输出相电流的幅值;β为输出电压和电流相位之差.根据双边傅里叶分析法可知,两个单元输出的电压基波分量幅值为

Uo1=Uo2=mE

(7)

根据式(6,7)可知,Po1=Po2,第一个和第二个单元的功率达到了均衡.

2 仿真研究

为了验证倍频调制策略以及功率均衡方法的正确性,利用Matlab2018/Simulink进行了两单元五开关级联H桥逆变器的仿真研究,仿真参数为E=100 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=5 000 Hz,m选择0.9、0.6、0.3,fm=50 Hz,变压器变比N=1.

图4为m选择0.3、0.6和0.9时,采用功率均衡的改进型POD-PWM调制策略,逆变器各个单元及总的输出电压波形.由于开关器件导通时刻各不相同,第一、二两个单元从三电平到四电平最后再到五电平,输出的相电压从五电平到七电平最后完成了九电平的转变,输出了更多的电平数.

图4 逆变器在功率均衡策略下的输出电压波形Fig.4 The output voltage waveform of the inverter under the power balance strategy

两个单元的输出功率波形如图5所示,采用改进型POD-PWM调制策略并对开关管驱动信号进行1/2电压周期互换的策略,使两个单元的功率得到了均衡.

图5 功率均衡调制方法下两个单元的输出功率

图6为两单元五开关逆变器在采用功率均衡的改进型POD-PWM输出相电压频谱图,可见加大调制比,输出相电压的THD在不断减小,具有更高的电能质量.而且逆变器输出电压的谐波主要分布在载波频率fc=5 kHz的2n(n=1,2,…)倍及其附近处,实现了对逆变器的倍频调制,提高了输出电压的等效频率,因此在实际频率较低的情况下,两单元五开关逆变器的输出电压也具有良好的谐波特性.

图6 功率均衡策略下逆变器的输出电压频谱Fig.6 Inverter output voltage spectrum under power balance strategy

3 实验验证

为了验证本文所提两种调制策略及功率均衡方法的准确性和切实性,搭建了一个两单元五开关九电平逆变器实验平台(如图7所示),采用FPGA对主电路进行控制.主要参数为E=24 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=5 000 Hz,m=0.9,fm=50 Hz,变压器变比N=1.

图7 实验平台

图8给出了在功率均衡的POD-PWM调制策略下,m=0.9时逆变器的输出波形.从图8b可知,输出相电压中谐波频率主要分布在2fc附近,与仿真输出频谱一致.

图9给出了在调制度为0.9时,第一和第二个单元的输出电压、电流和瞬时功率波形.从图中可以看出,两个单元各自的瞬时功率波形在一个周期电压输出下保持一致,证明了这种功率均衡策略的优越性和有效性.

图8 m=0.9时逆变器的电压波形及频谱图Fig.8 Inverter voltage waveform and frequency spectrum when m=0.9

图9 调制度m=0.9时逆变器的输出功率波形

4 结论

本文提出了一种直流侧电压比为1∶1的两单元五开关九电平逆变器拓扑结构和改进型POD-PWM的倍频调制策略,相对于传统两单元级联H桥来说,得到了更多的电平数和较高的波形质量.在改进型POD-PWM的倍频调制策略的基础上,通过交换1/2输出电压周期驱动脉冲,使得在一个输出电压周期内实现了第一和第二两个单元之间的功率均衡.