基于载波重构的CHB多电平逆变器的功率均衡方法

耿占权, 邢 玥

(1. 中国中铁电气化局集团有限公司 城铁公司, 北京 100007; 2. 中国中铁电气化局集团有限公司 设计研究院, 北京 100000)

在电力领域不断发展的过程中,级联H桥(CHB)逆变器无需注意串联时开关器件的均压问题,开关电压应力较小,提高了电压输出的质量,便于进行模块化生产,广泛地应用于高压大功率传动系统和电动汽车等领域[1].

目前H桥的调制策略一般分为低频调制和高频调制两种.低频调制主要有阶梯波合成法和特定谐波消除法两种,具有开关器件损耗低,但电能质量较差的特点.高频调制对应的有空间矢量调制、载波移相和载波移幅调制[2-3]三种,具有消除谐波能力强,电压波形质量较高的特点,因此高频调制在H桥单元应用较广泛.在PD-PWM调制下逆变器输出电压的THD较小,但各单元间存在功率不平衡的现象,由于各H桥单元之间功率不均衡会产生电源充放电不平衡的问题,长时间工作对电源有一定的损害,减少其使用寿命.所以确保各H桥单元之间功率均衡有一定的现实意义,必须提出相应的解决办法.

针对各H桥单元不均衡的问题,许多学者提出了解决办法.Tolbert等[4]通过级联H桥将输出电压分成多份,让其循环输出达到电压利用率相等,但只在低调制度下适用,具有一定的局限性.李宋等[5]提出了一种功率均衡策略,通过对三角波进行改造,使得各个开关器件的导通时间相同,实现了逆变器在一个电压输出周期的均衡,虽然谐波特性良好,但通过两次改变三角波的排列会使得调制策略的数字难度增加,不利于在工程中实现.王学华等[6]利用约束方程来实现一个周期的电压输出功率均衡,但随着约束方程的增加,会出现计算量大以及求解精度的问题,对逆变器电压输出会造成影响,需要进一步研究.单庆晓等[7]提出了改进的调制策略,利用随机分配脉冲的方法使得各单元功率分配均衡,但其算法复杂,而且需要较长的时间,电压的利用率才会趋于相同,有着明显的弊端.侯世英等[8]通过对一个三角波和多个阶梯波进行采样,并且进行了一系列的推导,谐波特性良好,但是各单元依然存在功率不平衡的问题,并且控制较为复杂.胡文华等[9]提出了一种新型的调制策略,对传统的三角载波进行改造使其变成梯形,增大了调制的脉冲宽度,使得THD降低,但还是存在各单元输出功率不平衡的情况.为此,叶满园和陈仲等[10-11]通过对三角波进行重构,实现了各个单元的功率在全调制度下的平衡,保证了线电压良好的谐波特性,提高了逆变器等效开关频率.

本文对电压比为1∶1∶1∶1的四单元级联H桥九电平逆变器进行研究,并且针对逆变器工作的特点,提出了一种改进的载波重构功率均衡的调制方法,实现两两单元的功率均衡,在此基础上,对开关管的驱动信号进行1/4周期逻辑互换后得到开关管的实际驱动信号,从而达到了全调制度下全单元功率均衡的目的,而且保证了电平数不变以及输出谐波特性良好的优点.

1 逆变器拓扑及改进的调制方法

1.1 拓扑

本文所提四单元级联H桥九电平逆变器拓扑结构如图1所示,由四个H桥逆变器单元构成该拓扑.L1、L2、L3、L4四个单元的输出电压分别为uL1、uL2、uL3、uL4,四个单元级联在一起形成的逆变器的输出相电压为uAN.负载侧电流由i0表示,由传统CHB逆变器的电压叠加机制可知,输出相电压uAN与四个H桥单元输出电压满足以下关系式:

图1 四单元九电平拓扑Fig.1 Four-cell nine-level topology

uAN=uL1+uL2+uL3+uL4

(1)

每个单元可以输出E、0、-E三种电平,所以各单元级联后输出相电压uAN有0至±4E九种不同的电平.

1.2 基于改进优化的载波重构调制策略

为了解决传统四单元级联H桥在PD-PWM调制下输出功率不均衡的问题,本文进行了载波重构,即对L1和L4、L2和L3单元载波进行1/4电压周期的互换,再通过正弦波和三角载波相比较得到的脉冲信号作为各个开关管的触发信号,实现了L1和L4、L2和L3各两个单元的功率均衡,四个单元之间仍然存在功率均衡的问题.并对三角载波优化,减少了载波的数量.本文在传统的PD-PWM调制策略下,提出了一种基于载波变换的功率均衡调制策略.通过对8个载波进行重构并进行载波优化,使得开关器件导通时间平均分配,实现了两两单元的功率均衡.图2为重构原理,其中图2a为传统PD-PWM下的载波信号,图2b为改进功率均衡下的载波信号.假设一个三角载波周期为Ta,每次经过2Ta的末尾对载波进行垂直方向上的移动,移动4次完成一次载波循环,重构之后的载波信号周期变为8Ta.而且可以发现,优化调制后的载波数量较传统的调制减少了一半.

图2 三角载波重构原理图Fig.2 Schematic diagram of triangular carrier reconstruction

图3为改进的调制原理,vn为正弦调制波信号,其数学表达式为

图3 改进的调制原理Fig.3 Improved modulation principle

vn=|4maEsin(wt)|

(2)

式中:ma为幅值调制.

图3中,从上到下依次为L1、L2、L3、L4的输出电压uL1、uL2、uL3、uL4以及输出相电压uAN的波形.在vn的前半个周期,当vn>vci时,四个H桥单元输出电压大小为E,在vn的后半个周期,当vn

由图3可以看出,L1和L4单元输出脉宽相同,L2和L3单元输出脉宽相同,两种输出电压的平均值相同,逆变器之间级联构成回路,流过的电流大小相等.所以两两单元之间实现了功率均衡,但L1和L2单元开关管导通时间并不相等,四个单元存在功率不平衡的问题.L1、L2、L3、L4单元输出功率如图4所示,可知L1单元功率为201 W,L2单元功率为246 W,L3单元功率为247 W,L4单元功率为201 W,存在功率不均衡的问题,并未彻底实现全部级联单元的均衡.

图4 载波重构策略下各个单元功率波形Fig.4 Power waveform of each unit under the carrier reconfiguration strategy

1.3 二次功率均衡方法

图5 二次功率均衡方法

(3)

四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

(4)

对于四单元九电平级联H桥逆变器,在一个周期T内,四个单元输出的平均功率表达式为

(5)

式中:Uoi为第i个单元(i=1,2,3,4)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=Uo3=Uo4=mE

(6)

根据式(5,6)可知,Po1=Po2=Po3=Po4,四个单元的功率达到了均衡.

2 仿真研究

为了验证二功率均衡方法的正确性,利用Matlab/Simulink进行了四单元九电平级联H桥逆变器的仿真研究,参数如下:E=100 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=6 000 Hz,ma=0.35、0.65、0.95,fm=50 Hz.

图6为ma=0.35、0.65和0.95时,采用二次功率均衡的改进调制策略,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,四个单元的输出电压都是三电平,但输出的相电压从五电平到七电平最后达到了九电平的输出,得到了更多的电平数.

图6 二次功率均衡策略下输出电压波形 Fig.6 Output voltage waveform under secondary power equalization strategy

四个单元的功率波形如图7所示,对开关管驱动信号进行1/4电压周期互换的策略,使四个单元的功率得到了均衡.

图7 二次功率均衡调制方法下四个单元输出功率

图8为四单元九电平逆变器在采用二次功率均衡的改进调制策略的输出相电压频谱图,可见随着调制比增大,输出相电压的THD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=6 kHz的n(n=1,2,…)倍及其附近处,符合移幅调制一般规律.

图8 均衡策略下输出电压的频谱 Fig.8 Spectrum of output voltage under equalization strategy

3 实验证明

为了对本文所提功率均衡调制策略的切实性进行验证,搭建了一个四单元九电平逆变器实验平台,采用FPGA进行控制.主要参数如下:E=24 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=6 000 Hz,ma=0.95,fm=50 Hz.

图9是在ma=0.95的调制下得到的L1、L2、L3、L4单元的电压、电流和功率波形.由图9可知,L1、L2、L3、L4功率基本一致,四个单元输出平均功率分别为51.70、50.74、50.24、50.24 W,输出功率之比为1.01∶1∶1∶1,实现了功率均衡.

图9 ma=0.95时功率波形

图10给出了在功率均衡的调制策略下,在ma=0.95时逆变器的各个电压波形及其频谱图.从图10可知,输出相电压中谐波频率主要分布在fc附近,与仿真输出频谱一致.

图10 ma =0.95时逆变器电压波形及频谱图Fig.10 Inverter voltage waveform and frequency spectrum when ma=0.95

4 结论

本文针对电压比为1∶1∶1∶1的级联H桥逆变器拓扑,提出了一种在全调制度下四个单元之间的输出功率均衡的调制策略,理论分析、仿真和实验结果表明:

1) 针对单元功率出现不平衡的现象,载波重构功率均衡的调制策略通过对载波进行上下方向的移动,实现了L1和L4、L2和L3单元的功率均衡和开关损耗平均分配,谐波特性良好.

2) 通过交换1/4输出电压周期驱动脉冲,使得在一个输出电压周期内又实现了L1和L4、L2和L3单元之间的功率均衡,从而彻底地使四个H桥之间实现了功率均衡.