基于載波重構的CHB多電平逆變器的功率均衡方法

耿占權, 邢 玥

(1. 中國中鐵電氣化局集團有限公司 城鐵公司, 北京 100007; 2. 中國中鐵電氣化局集團有限公司 設計研究院, 北京 100000)

在電力領域不斷發展的過程中,級聯H橋(CHB)逆變器無需注意串聯時開關器件的均壓問題,開關電壓應力較小,提高了電壓輸出的質量,便于進行模塊化生產,廣泛地應用于高壓大功率傳動系統和電動汽車等領域[1].

目前H橋的調制策略一般分為低頻調制和高頻調制兩種.低頻調制主要有階梯波合成法和特定諧波消除法兩種,具有開關器件損耗低,但電能質量較差的特點.高頻調制對應的有空間矢量調制、載波移相和載波移幅調制[2-3]三種,具有消除諧波能力強,電壓波形質量較高的特點,因此高頻調制在H橋單元應用較廣泛.在PD-PWM調制下逆變器輸出電壓的THD較小,但各單元間存在功率不平衡的現象,由于各H橋單元之間功率不均衡會產生電源充放電不平衡的問題,長時間工作對電源有一定的損害,減少其使用壽命.所以確保各H橋單元之間功率均衡有一定的現實意義,必須提出相應的解決辦法.

針對各H橋單元不均衡的問題,許多學者提出了解決辦法.Tolbert等[4]通過級聯H橋將輸出電壓分成多份,讓其循環輸出達到電壓利用率相等,但只在低調制度下適用,具有一定的局限性.李宋等[5]提出了一種功率均衡策略,通過對三角波進行改造,使得各個開關器件的導通時間相同,實現了逆變器在一個電壓輸出周期的均衡,雖然諧波特性良好,但通過兩次改變三角波的排列會使得調制策略的數字難度增加,不利于在工程中實現.王學華等[6]利用約束方程來實現一個周期的電壓輸出功率均衡,但隨著約束方程的增加,會出現計算量大以及求解精度的問題,對逆變器電壓輸出會造成影響,需要進一步研究.單慶曉等[7]提出了改進的調制策略,利用隨機分配脈沖的方法使得各單元功率分配均衡,但其算法復雜,而且需要較長的時間,電壓的利用率才會趨于相同,有著明顯的弊端.侯世英等[8]通過對一個三角波和多個階梯波進行采樣,并且進行了一系列的推導,諧波特性良好,但是各單元依然存在功率不平衡的問題,并且控制較為復雜.胡文華等[9]提出了一種新型的調制策略,對傳統的三角載波進行改造使其變成梯形,增大了調制的脈沖寬度,使得THD降低,但還是存在各單元輸出功率不平衡的情況.為此,葉滿園和陳仲等[10-11]通過對三角波進行重構,實現了各個單元的功率在全調制度下的平衡,保證了線電壓良好的諧波特性,提高了逆變器等效開關頻率.

本文對電壓比為1∶1∶1∶1的四單元級聯H橋九電平逆變器進行研究,并且針對逆變器工作的特點,提出了一種改進的載波重構功率均衡的調制方法,實現兩兩單元的功率均衡,在此基礎上,對開關管的驅動信號進行1/4周期邏輯互換后得到開關管的實際驅動信號,從而達到了全調制度下全單元功率均衡的目的,而且保證了電平數不變以及輸出諧波特性良好的優點.

1 逆變器拓撲及改進的調制方法

1.1 拓撲

本文所提四單元級聯H橋九電平逆變器拓撲結構如圖1所示,由四個H橋逆變器單元構成該拓撲.L1、L2、L3、L4四個單元的輸出電壓分別為uL1、uL2、uL3、uL4,四個單元級聯在一起形成的逆變器的輸出相電壓為uAN.負載側電流由i0表示,由傳統CHB逆變器的電壓疊加機制可知,輸出相電壓uAN與四個H橋單元輸出電壓滿足以下關系式:

圖1 四單元九電平拓撲Fig.1 Four-cell nine-level topology

uAN=uL1+uL2+uL3+uL4

(1)

每個單元可以輸出E、0、-E三種電平,所以各單元級聯后輸出相電壓uAN有0至±4E九種不同的電平.

1.2 基于改進優化的載波重構調制策略

為了解決傳統四單元級聯H橋在PD-PWM調制下輸出功率不均衡的問題,本文進行了載波重構,即對L1和L4、L2和L3單元載波進行1/4電壓周期的互換,再通過正弦波和三角載波相比較得到的脈沖信號作為各個開關管的觸發信號,實現了L1和L4、L2和L3各兩個單元的功率均衡,四個單元之間仍然存在功率均衡的問題.并對三角載波優化,減少了載波的數量.本文在傳統的PD-PWM調制策略下,提出了一種基于載波變換的功率均衡調制策略.通過對8個載波進行重構并進行載波優化,使得開關器件導通時間平均分配,實現了兩兩單元的功率均衡.圖2為重構原理,其中圖2a為傳統PD-PWM下的載波信號,圖2b為改進功率均衡下的載波信號.假設一個三角載波周期為Ta,每次經過2Ta的末尾對載波進行垂直方向上的移動,移動4次完成一次載波循環,重構之后的載波信號周期變為8Ta.而且可以發現,優化調制后的載波數量較傳統的調制減少了一半.

圖2 三角載波重構原理圖Fig.2 Schematic diagram of triangular carrier reconstruction

圖3為改進的調制原理,vn為正弦調制波信號,其數學表達式為

圖3 改進的調制原理Fig.3 Improved modulation principle

vn=|4maEsin(wt)|

(2)

式中:ma為幅值調制.

圖3中,從上到下依次為L1、L2、L3、L4的輸出電壓uL1、uL2、uL3、uL4以及輸出相電壓uAN的波形.在vn的前半個周期,當vn>vci時,四個H橋單元輸出電壓大小為E,在vn的后半個周期,當vn

由圖3可以看出,L1和L4單元輸出脈寬相同,L2和L3單元輸出脈寬相同,兩種輸出電壓的平均值相同,逆變器之間級聯構成回路,流過的電流大小相等.所以兩兩單元之間實現了功率均衡,但L1和L2單元開關管導通時間并不相等,四個單元存在功率不平衡的問題.L1、L2、L3、L4單元輸出功率如圖4所示,可知L1單元功率為201 W,L2單元功率為246 W,L3單元功率為247 W,L4單元功率為201 W,存在功率不均衡的問題,并未徹底實現全部級聯單元的均衡.

圖4 載波重構策略下各個單元功率波形Fig.4 Power waveform of each unit under the carrier reconfiguration strategy

1.3 二次功率均衡方法

圖5 二次功率均衡方法

(3)

四個單元開關管負半周期的實際驅動信號的數學邏輯表達式為

(4)

對于四單元九電平級聯H橋逆變器,在一個周期T內,四個單元輸出的平均功率表達式為

(5)

式中:Uoi為第i個單元(i=1,2,3,4)電壓基波分量的幅值;Io為輸出相電流的幅值;β為輸出電壓和電流相位之差.根據雙邊傅里葉分析法可知,兩個單元輸出的電壓基波分量幅值為

Uo1=Uo2=Uo3=Uo4=mE

(6)

根據式(5,6)可知,Po1=Po2=Po3=Po4,四個單元的功率達到了均衡.

2 仿真研究

為了驗證二功率均衡方法的正確性,利用Matlab/Simulink進行了四單元九電平級聯H橋逆變器的仿真研究,參數如下:E=100 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=6 000 Hz,ma=0.35、0.65、0.95,fm=50 Hz.

圖6為ma=0.35、0.65和0.95時,采用二次功率均衡的改進調制策略,逆變器各個單元及總的輸出電壓波形.由于開關器件導通時刻各不相同,四個單元的輸出電壓都是三電平,但輸出的相電壓從五電平到七電平最后達到了九電平的輸出,得到了更多的電平數.

圖6 二次功率均衡策略下輸出電壓波形 Fig.6 Output voltage waveform under secondary power equalization strategy

四個單元的功率波形如圖7所示,對開關管驅動信號進行1/4電壓周期互換的策略,使四個單元的功率得到了均衡.

圖7 二次功率均衡調制方法下四個單元輸出功率

圖8為四單元九電平逆變器在采用二次功率均衡的改進調制策略的輸出相電壓頻譜圖,可見隨著調制比增大,輸出相電壓的THD不斷減小,具有更高的電能質量.而且逆變器輸出電壓的諧波主要分布在載波頻率fc=6 kHz的n(n=1,2,…)倍及其附近處,符合移幅調制一般規律.

圖8 均衡策略下輸出電壓的頻譜 Fig.8 Spectrum of output voltage under equalization strategy

3 實驗證明

為了對本文所提功率均衡調制策略的切實性進行驗證,搭建了一個四單元九電平逆變器實驗平臺,采用FPGA進行控制.主要參數如下:E=24 V,R=20 Ω,L=0.004 H,fc=6 000 Hz,ma=0.95,fm=50 Hz.

圖9是在ma=0.95的調制下得到的L1、L2、L3、L4單元的電壓、電流和功率波形.由圖9可知,L1、L2、L3、L4功率基本一致,四個單元輸出平均功率分別為51.70、50.74、50.24、50.24 W,輸出功率之比為1.01∶1∶1∶1,實現了功率均衡.

圖9 ma=0.95時功率波形

圖10給出了在功率均衡的調制策略下,在ma=0.95時逆變器的各個電壓波形及其頻譜圖.從圖10可知,輸出相電壓中諧波頻率主要分布在fc附近,與仿真輸出頻譜一致.

圖10 ma =0.95時逆變器電壓波形及頻譜圖Fig.10 Inverter voltage waveform and frequency spectrum when ma=0.95

4 結論

本文針對電壓比為1∶1∶1∶1的級聯H橋逆變器拓撲,提出了一種在全調制度下四個單元之間的輸出功率均衡的調制策略,理論分析、仿真和實驗結果表明:

1) 針對單元功率出現不平衡的現象,載波重構功率均衡的調制策略通過對載波進行上下方向的移動,實現了L1和L4、L2和L3單元的功率均衡和開關損耗平均分配,諧波特性良好.

2) 通過交換1/4輸出電壓周期驅動脈沖,使得在一個輸出電壓周期內又實現了L1和L4、L2和L3單元之間的功率均衡,從而徹底地使四個H橋之間實現了功率均衡.