PWM 逆變器消諧方法及仿真探究

李 樂

(蘇州大學(xué),蘇州,215000)

0 引言

在電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今，新能源技術(shù)得到了越來越受到人們的重視。逆變技術(shù)，是指將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能并與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。逆變器作為大功率變頻器的重要電器元件，其技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。但逆變器的新技術(shù)仍存在著不足之處，如開關(guān)管耐壓能力不足，損耗較大，工作效率低，脈沖頻率低，諧波含量大等問題 。

高壓逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為三種：二極管箝位式（Diode-Clamped）、電容箝位式（Capacitor-Clamped）、H 橋級聯(lián)式（Cascaded H-bridge，CHB） 。由于H 橋級聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)諧波失真和dv/dt 都很低，可以不用功率器件串聯(lián)，保證工作電壓數(shù)值，再加之其模塊的結(jié)構(gòu)成本較低，因此，H 橋級聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高電壓大功率逆變器中的應(yīng)用極為廣泛。

本文介紹了7 電平H 橋級鏈接高壓逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及梯形電壓調(diào)制技術(shù)，通過非線性方程組的同倫計算得出計算結(jié)果和真實結(jié)果進(jìn)行比較。最終通過仿真實驗驗證其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在消除諧波，提高功率等方面的優(yōu)勢。

1 H 橋級聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 H 橋逆變器

H 橋逆變器也叫做CHB 逆變器，如圖1 此種結(jié)構(gòu)采用的是單

圖1 H 橋級聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（7 電平）

個的H 橋單元，通過級聯(lián)串聯(lián)的連接形式，這種連接方式，有利于產(chǎn)生很高的工作電壓和很低的諧波失真。由于每個H 橋都具有一個獨立的電源供電，所以這種連接方式在一定程度上克服了均壓的問題，各個電源也因其獨立性，不會相互影響。在電源的選擇中可以采用二級管整流的方式來取得各個級之間的獨立電源。在電平數(shù)的計算中可得：

（A 是指CHB 逆變器每相H 橋的單元數(shù)）。

在對圖1 的分析中可知，系統(tǒng)的諧波要求和工作電壓決定了CHB 電平逆變器電平數(shù)。在電力電子應(yīng)用中電平數(shù)為7、9 和11CHB 電平逆變器得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。

1.2 載波階梯式調(diào)制

基于載波調(diào)制的CHB 逆變器的PWM 調(diào)制方式有相位移位調(diào)制、電壓移位調(diào)制和階梯調(diào)制三種調(diào)制方式。通過使用SHE 技術(shù)，開關(guān)損耗比較低，在基波頻率下工作的調(diào)制方式稱為階梯調(diào)制。階梯調(diào)制方式是用來消除5 次和7 次諧波的重要方法，同時也用于調(diào)節(jié)基波幅值。此種調(diào)制方法目前應(yīng)用較為廣泛，特別是在CHB 逆變器上的應(yīng)用其優(yōu)勢較為顯著，在工業(yè)設(shè)計中這種調(diào)制方式也經(jīng)常用來設(shè)置多個開關(guān)的角度，消除諧波。

2 利用傅里葉級數(shù)建立非線性方程組及求解過程

用向量形式表示可得最終求解的非線性超越方程組：

3 同倫算法模型的構(gòu)造及其映射函數(shù)的求解方法

根據(jù)同倫計算的基本原理，由公式（3）可得出超越方程組：

在取易解方程組不同的時候則，得到的同倫映射也不同。因此通兩邊對t 求導(dǎo)，整理可得：

對上述方程也可求出它的精確解，即先用四階龍格-庫塔法求得近似解，再利用牛頓迭代法，求精確解。

4 利用同倫算法求解梯形調(diào)制

根據(jù)上面同倫運算公式（5）可得同倫方程如下：

圖2 相電壓和線電壓的仿真頻譜分析圖

5 同倫算法對階梯調(diào)制的仿真實驗

本文通過PSIM 6.0 電力電子仿真實驗軟件，運用SHE-PWM的控制方法，對7 電平H 橋級聯(lián)式逆變器進(jìn)行了仿真實驗。旨在驗證同倫算法的結(jié)果在階梯調(diào)制諧波消除的作用與效果是否與推理一致。如圖2，通過仿真實驗，輸出工頻（50Hz）相電壓和線電壓的諧波頻譜分析，在時，相電壓和線電壓的5 次、7 次諧波均已被消除，但是3 的倍數(shù)次諧波還存在，而線電壓的3 的倍數(shù)次諧波被消除。由此可以看出由同倫算法的與預(yù)期的消諧次數(shù)與前面的出的計算結(jié)果是一致的。

6 結(jié)論

（1）在對多電平H 橋級聯(lián)式逆變器的運算中，同倫算法與單純用牛頓迭代算法進(jìn)行迭代相比具有的收斂速度較高，同時收斂范圍大。此結(jié)論在運算推理后，通過仿真實驗得到充分有效的證明。因此可推斷，在今后的研究中同倫計算將成為較為先進(jìn)的算法。

（2）利用多電平H 橋級聯(lián)式逆變器，可以有效地降低電壓的諧波失真，通過仿真驗證可以降低線電壓的dv/dt，這一結(jié)果表明通過此方法，不但有效減小諧波對電機(jī)絕緣的損害，電壓的波形也由于去諧的作用接近理想正弦波。

[1] 蔡忠見，林吉海.基于四橋臂變流器的三維空間矢量調(diào)制方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2003,15(6).

[2] 官二勇，宋平崗，葉滿園，劉順炮.CHB 逆變器階梯調(diào)制的同倫算法研究 [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2005(1).

[3] 官二勇，宋平崗，蔣一泉.鏈?zhǔn)侥孀兤鞯烷_關(guān)頻率的雙波段研究 [J].電工電能新技術(shù)，2006(01)

[4] 余瑛，張宇峰，官二勇.基于NPC 逆變器SHE-PWM 技術(shù)的同倫算法研究 [J].內(nèi)江科技，2005(4)

[5] 王剛，宋平崗，官二勇.級聯(lián)型逆變器的雙波段階梯調(diào)制 [J].防爆電機(jī)，2006(03)

[6] 周爾民.遺傳算法應(yīng)用于多電平最優(yōu)化階梯波技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù)，2007(5)

[7] 謝運祥，周煉，彭宏.逆變器消諧模型的同倫算法研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2000,20(10).

[8] 馬正飛，殷翔.數(shù)學(xué)計算方法與軟件的工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.