不同电压比的混合多电平逆变器拓扑和控制策略分析.pdf

《冶金自动化》2004年增刊 不同电压比的混合多电平逆变器 拓扑和控制策略分析 江友华，曹以龙，龚幼民 (上海大学自动化系，上海200072) [摘要]多电平变换器是近年来高压、大功率应用领域的一个研究热点，其相应的PWM控制方法是一个重要的研究方 向。本文针对级联型多重化需要很多独立的直流电压源的缺点，提出一种按照最大延伸定理来分配不同电压比的控制方 式，可以在不增加直流电压源的情况下，增加输出电平数量，从而提高波形质量，减少谐波。最后通过仿真加以验证和分 析。 [关键词]多电平逆变器；移相SPWM技术；拓扑 0 引言 近年来，在高压大功率应用场合，特别是在电力系统、冶金自动化等领域，一种新型的多电平变换器 受到越来越多的关注。从目前所见到的各种主电路拓扑结构来看，最终可归结为3种基本的拓扑结构： (Cascaded--inverterswith DC separatesources)。其中第3种拓扑结构发展前景比较大，在国外被称为 “完美无谐波”变换器。因为这种拓扑结构具有以下优点：①使用串联的方法可以将耐压低、开关频率也 不高的功率器件直接应用到高压大功率场合；②由于电路基于单元串联结构，每个单元的控制逻辑都是 独立的，从而解决了中点钳位逆变电路在电平数增加时，开关逻辑越来越复杂的问题；③由于各单元互相 隔离，串级电路结构不存在静、动态均压问题。然而串级电路结构的缺点也比较明显，即电路的每个基本 单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。虽然使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼 此隔离，从而解决单元串联时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数增加，串级电路单元使用的直流 电源数也将大量增加，从而使系统变的复杂。本文在现有的多电平级联型逆变器基础上给出了一种新的 控制策略，即按照参考文献E1]中所述的最大延伸定理，在不同的H桥中使用不同的电压，这样就可以不 增加直流电源数，而增加输出电压电平数和提高电源质量。 1主电路拓扑结构 图1是常用的多重化拓扑结构。这种结构可以根据所需要的功率和电压的要求来决定H桥单元的 串联个数。图中每一相由p个独立直流电源的H桥单元构成。如果每个单元直流电压取相同值(如 ‰一UK一砜刚i一1，2，…夕)，则相电压可以用下面公式来表示： 一 ％一∑ki (1) 式中，z为电压相序，分别表示口，b，c；为变换器中点。 由图1可以看出，单元的电压等级和串联数量决定变频器的输出电压，单元的额定电流决定了变频 器的输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是整个功率单元串联，因此不 存在器件串联引起的均压问题。但由于串联的功率单元较多，所以对功率单元本身可靠性要求很高。 2控制策略 图1中各个独立直流电源都取相同的电压值，但是如果按照最大延伸定理[1~23来选取电压值，即各 个直流电源不是取相同值，而是按照式(2)来选取，主电路拓扑做相应的变换，其输出电平数量就可以得 [收稿日期]2003—12一03I[修改稿收到日期]2004一01一05 [基金项目]上海市搏士建设基金(k07) [作者简介]江友华(1974一)，男，江西南城人，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。 480 《冶金自动化))2004年增刊 图1 H桥多重化拓扑结构 到增加，因此波形质量在原有基础上可以进一步得到提高。 一1 ‰(i--1)一j詈南U耐，卢1，2，…，P (2) ’‘t＼，‘l—l 1， 啦为第i号单元H桥电平数量，一般可以产生+Vd。、0、一U三个电平。z为电压相序。 两倍或三倍于IGBT单元的电压，则可以在输出端得到更多的电平输出。因为如果每个直流电压都取相 3E)