级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期DOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.09.009级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究陈鑫跃，刘春晖，杨朋威，鲍音夫，陈浩然（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020）摘要：针对级联型中点钳位全桥（neutral point clamped H-bridge，NPC-HB）多电平逆变器模块间存在功率不均衡的问题，通过详细分析传统基于载波层叠调制策略下模块输出功率与输出电压基波有效值之间的定量关系，提出一种改进型混合调制策略。该策略将载波层叠和移相相结合，不仅能够保证各个模块输出功率的均衡，而且可提高输出电压的等效开关频率，进而有效地降低输出滤波器的体积和成本。文中对模块间功率分布情况以及模块内部各个器件损耗分布情况进行分析，并搭建含两个级联NPC-HB九电平模块的实验样机。实验结果表明该调制策略能够有效解决级联系统中各功率模块之间的功率均衡问题。关键词：逆变器；级联多电平；功率均衡；混合调制策略中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1007-9904（2023）09-0065-08Research on Power Balance Strategy for Cascaded NPC-HBBridge Multilevel InverterCHEN Xinyue，LIU Chunhui，YANG Pengwei，BAO Yinfu，CHEN Haoran（State Grid East Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot 010020，China）Abstract：A cascaded neutral point clamped H-bridge（NPC-HB）multilevel inverter module has power imbalance issues.Animproved hybrid modulation strategy was proposed by analyzing the quantitative relationship between the module output powerand the fundamental RMS value of the output voltage under the traditional carrier disposition modulation strategy in detail.Thestrategy combines carrier disposition and phase shifting，which can not only ensure the output power balance of each module，butalso improve the equivalent switching frequency of the output voltage，and effectively reduce the size and cost of the output filter.The power distribution between modules and the loss distribution of various devices inside the module were analyzed，and anexperimental prototype containing two cascaded NPC-HB nine level modules was built.The experimental results show that thismodulation strategy can effectively solve the power balance problem between various power modules in the cascaded system.Keywords：inverter；cascade multilevel；power balance；hybrid modulation strategy0引言多电平逆变器具有电压应力小、谐波含量低、易于模块化设计等优点，在中高压、大功率电气传动系统中得到广泛应用1-3。一般，多电平逆变器拓扑主要分为二极管钳位型（neutral point clamped，NPC）、飞跨电容型（flying capacitor，FC）以及级联 H 桥型（cascaded H-bridge，CHB）4-8。其中 NPC 型逆变器无需钳位电容与独立电源，结构简单，被广泛应用于电机驱动9、有源滤波器10和静止无功发生器11等场合。当系统容量较大时，往往需要将多个模块进行级联输出，应用于级联型多电平逆变器的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）策略主要有载波层叠PWM和载波移相PWM。相对载波移相调制策略，载波层叠调制策略在开关损耗和谐波优化方面具有较大优势，但是其无法实现模块之间的功率均衡。当级联系统中各个模块输出有功功率不相等时，各个模块利用率不一致，输出电压谐波含量增加，器件使用寿命差异较大，影响系统性能，增加系统维护成本。为解决逆变器多模块级联系统输出功率不均衡问题，国内外学者进行大量研究，并提出一系列解决方案。文献 12 针对级联H桥多电平逆变器拓扑结65山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期构，提出一种单极性层叠载波调制策略，使高低压模块 的 两 桥 臂 工 作 在 单 极 倍 频 正 弦 脉 宽 调 制（sinusoidal PWM，SPWM）状态，该方法同时具备高低压模块功率均衡和同相层叠载波谐波含量低的优点，但是高压模块和低压模块须分开调制，且需要多条不规则调制波，会增加系统的复杂程度。文献13-14 针对二极管钳位型级联多电平逆变器，提出一种基于脉冲编码与轮换的多电平 SPWM 调制策略，通过脉冲编码与脉冲旋转技术，有效地控制逆变模块内部电容电压，以保证输出电压与输出功率的平衡。但该方法通用性不高，受限于逆变器实际拓扑结构，难以对算法进行扩展应用。文献 15 针对多电平H桥逆变器，提出一种同相层叠型SPWM脉冲分配方法，通过将各H桥模块的触发信号进行周期轮换，从而达到功率平衡的目的，但该方法需要经过3/4个工频周期才能实现功率平衡，因此存在较大的功率波动。为缩短功率均衡所需时间，文献 16 提出一种改进的同相载波层叠调制策略，然而开关器件的动作次数有所增加，降低了系统效率。为解决NPC/H桥型五电平逆变器开关损耗分布不均匀的问题，文献17提出一种载波层叠与载波移相相结合的混合分布SPWM算法。文献 18 对各种载波脉宽调制策略在不同调制度时输出线电压波形的谐波性能及基波含量进行了仿真对比分析。文献 19 研究载波层叠脉冲宽度调制和三段式空间矢量脉冲宽度调制的策略，证明提高载波频率可使主要高次谐波频率增大，并减小谐波含量。文 中 以 级 联 型 中 点 钳 位 全 桥（neutral pointclamped H-bridge，NPC-HB）多电平逆变器为研究对象，详细分析NPC-HB多电平逆变器拓扑结构采用传统载波层叠调制方法功率不均衡的机理，在此基础上提出一种载波层叠和移相控制相结合的混合调制策略。该方法可以同时实现模块之间功率均衡分配和降低输出电压谐波含量，降低滤波器的体积和成本，仿真和实验结果验证了该方法的有效性。1NPC-HB级联多电平拓扑结构与调制策略分析1.1主电路拓扑NPC-HB级联多电平逆变器主电路拓扑结构如图1所示。单个功率模块采用两个NPC半桥组成的五电平全桥结构。在第一个模块中，T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18为带有反并联二极管的功率开关器件，D11、D12、D13、D14为钳位二极管，C11与C12为分压电容，其电压均为直流母线电压的一半。每个功率模块的输出通过串行方式连接在一起。每个独立的模块都可以输出Vdc、Vdc/2和0这5种电平。当n个模块串联时，则一共可以产生4n+1个电平。图1NPC-HB级联多电平逆变器电路拓扑Fig.1 Topology of the cascaded NPC-HBmultilevel inverter1.2基于载波层叠SPWM调制策略分析基于载波调制的正弦脉宽调制SPWM算法通常采用正弦调制波与三角载波进行比较，从而产生PWM脉冲信号来开通或关断相应的开关器件。由于输出谐波含量低的特点，同向层叠（phase disposition，PD）载波调制策略在多电平逆变器中得到了广泛应用。以两个功率模块级联为例，同向载波层叠SPWM调制原理以及输出波形如图2所示。两个功率模块级联输出九电平需要 8 个载波（正半周期为ua，ub，uc，ud）和1个正弦调制波（uref），其中8个载波同向层叠。当0urefua时输出电平0，当uaurefub时输出电平 Vdc/2，当 uburefuc时输出电平66Vdc，当ucurefud时输出电平3Vdc/2，当uduref时输出电平2Vdc，同理在负半周期也可以分别输出-Vdc/2，-Vdc，-3Vdc/2和-2Vdc共4个电平。通过分析可以得到低压模块开关管T11、T12、T13、T14工作在基波频率与载波频率之间，而高压模块开关管T21、T22、T23、T24全部关断。每个桥臂的工作频率均不一致，由此产生的发热不均匀问题会严重影响系统的可靠性。另一方面，NPC-HB多电平逆变器各模块输出端为串行连接，各个模块输出的电流相等。虽然逆变器输出的功率既包含有功功率又包含无功功率，但是仅有有功功率消耗在负载中，而无功功率则存储在电感和电容中。因此，NPC-HB多电平逆变器各模块的功率分配问题主要考虑有功功率的分配。图2同向载波层叠SPWM调制Fig.2 Co-directional carrier stacked SPWM modulation2NPC-HB级联多电平逆变器功率均衡方法2.1混合调制策略通过上述分析，模块间功率不均分的根本原因是各个模块输出电压基波分量不相等，这也是采用载波层叠调制策略固有的缺陷。因此，文中提出一种混合调制策略，在半桥结构中采用载波层叠式调制策略，而在桥臂之间采用载波移相式调制策略，混合调制策略如图3所示。图3混合调制策略Fig.3 Hybrid modulation strategy以两模块级联为例，1号模块8个开关器件的驱动信号由调制波（um）与4个载波（u1a、u1b、u1c、u1d）进行比较得到。2号模块8个开关器件的驱动信号由调制波（um）与4个载波（u2a、u2b、u2c、u2d）进行比较得到。在1号模块中，u1a和u1c同相位，u1b和u1d同相位，而u1a与u1b相位相反，2号模块中的4个载波之间的相位关系与1号模块一致。两个模块载波的不同点是2号模块的4个载波相对于1号模块整体上有90的相位差。第一个模块的T11、T12、T18、T17触发脉冲信号由调制波um与载波u1a、u1b、u1c、u1d比较产生，T13、T14、T16、T15的脉冲信号分别与T2a、T2b、T2c、T2d互补。第二个模块的脉冲触发信号与第一个模块类似。陈鑫跃，等：级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究67山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期采用混合调制策略之后，各个功率器件的平均开关频率相等，因此系统散热更加均匀。各个功率模块的脉冲信号是通过移相得到的，因此各个模块输出电压基波分量大小相等，从而保证了各个模块的功率均衡。当系统由n个模块级联组成多电平逆变器时，不同模块载波之间的移相角度为/n，同层载波与调制波比较同样可以获得均衡的功率输出。2.2模块内开关器件损耗分布情况分析功率损耗的估计对于评估电力电子电路的最大效率至关重要。本节对功率器件的导通和开关损耗进行分析。一般来说，导通损耗与调制策略和负载功率有关。根据所提出的调制策略，得到每个开关的占空比函数如表1所示，其中M是调制度，是电网电压的角频率。在半工频周期内，绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的平均导通损耗PCond为PCond=1202uce(t)i(t)dsw(t)d(t)（1）式中：uce（t）为IGBT动态压降，uce（t）=uceo+i（t）Ron，其中uceo为IGBT的固定压降，Ron为IGBT的导通电阻；i（t）为输出电流，i（t）=Imsin（t），其中Im为输出电流幅值；dsw（t）为开关器件的占空比。结合式（1）和表1，T11、T18、T21和T28的导通损耗为PCond1=23MRonI2m+uceoMIm4（2）表1每个开关的占空比表达式Table 1 Duty cycle expression for each switch开关T11、T18、T21、T28T12、T17、T22、T27T13、T16、T23、T26T14、T15、T24、T25占空比（dsw）正半周期M sin（t）11|M sin（t）|0负半周期01|M sin（t）|1M sin（t）同理，开关（T12、T17、T22、T27）、（T13、T16、T23、T26）和（T14、T15、T24、T25）的导通损耗分别可以表示为：PCond2=RonI2m2+2uceoIm-MuceoIm4-2MRonI2m3（3）PCond3=RonI2m2+2uceoIm-MuceoIm4-2MRonI2m3（4）PCond4=23MRonI2m+uceoMIm4（5）正如在文献 20 中所讨论的，带有反并联二极管的开关器件的开关损耗Psw可以表示为Psw=Vofff()ton+toff402|i()td(t)（6）式中：Voff为关断电压；ton和toff分别为开通时间和关断时间；f为开关频率。根据样机参数和实验条件，选择开关器件IKW40N60，其主要参数如表 2所示。结合式（2）式（6）、表2和表3所列实验参数，可以计算出单个模块中每个开关器件的导通损耗和开关损耗情况，结果如图4所示。表2开关器件主要参数Table 2 Main parameters of switch参数IKW40N60uceo/V0.8Ron/m24.33ton/ns48toff/ns249表3实验参数Table 3 Experimental parameters项目功率/kW载波频率/kHz滤波电容/F参数4202项目直流电压/V滤波电感/mHIGBT参数3001IKW40N60图4开关器件的导通损耗和开关损耗分布Fig.4 Distribution of conduction losses and switchinglosses for each switch68由图4可知，模块单元内部各个功率器件的开关损耗均相同，而T12、T13、T16、T17的导通损耗高于其他功率器件的导通损耗。在总损耗方面，T11、T14、T15、T18具有相同的总损耗；T12、T13、T16、T17具有相同的总损耗。从上述分析结果可得，所提调制方法促使模块内部各个功率器件的损耗趋于均匀，有助于提升器件使用寿命，提高系统可靠性。2.3模块间功率分布情况分析图5展示了采用混合调制策略时高低压单元及级联输出桥臂电压及其等效基波波形。从图中可以看出，高低压单元输出的桥臂电压均为五电平，且两者基波分量大小完全一致。级联输出电压呈现九电平形式。高低压单元串行连接，流过两者的电流均为输出负载电流，因此高低压单元所承担的功率一致。故所提方法可以有效均衡高低压单元的功率，当级联单元数量增加时，所提混合调制策略依然适用。图5高低压单元与级联输出桥臂电压及其等效基波波形Fig.5 High and low voltage unit and cascadedoutput bridge arm voltage and its equivalentfundamental waveform3实验验证为验证所提混合调制策略的有效性，以图1所示的2个NPC-HB五电平功率模块为例，建立级联NPC-HB 实 验 样 机。控 制 系 统 采 用 TI 公 司 的TMS320F28335 数 字 处 理 器 与 Altera 公 司 的EP2C8Q208 可编程逻辑器件。实验样机如图 6 所示，实验参数如表3所示。图7和图8为采用载波层叠调制策略在不同调制度下的输出电压波形。当调制度M=0.4时，各个模块的输出电压VAC、VDB和总输出电压VAB波形如图7（a）所示，从图中可以看出逆变器的总输出全部由低压模块承受，而高压模块没有功率输出。图7（b）是输出电压的快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）结果，其谐波主要集中在20 kHz附近，谐波峰值达到 50 V，高次谐波含量较小。当调制度为 M=0.8时，各个模块的输出电压VAC、VDB和总输出电压图6实验样机Fig.6 Experimental prototype（a）高低压单元及总输出电压实验波形（b）总输出电压波形及其FFT分析结果图7载波层叠调制逆变器输出电压实验结果（M=0.4）Fig.7 Experimental results of the output voltage of theinverter under PD PWM strategy（M=0.4）陈鑫跃，等：级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究69山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期（a）高低压单元及总输出电压实验波形（b）总输出电压波形及其FFT分析结果图8载波层叠调制逆变器输出电压实验结果（M=0.8）Fig.8 Experimental results of the output voltage of theinverter under PD PWM strategy（M=0.8）VAB波形如图8（a）所示。从图中可以看出低压模块输出基波有效值大于高压模块输出电压基波有效值，因此低压模块的输出功率要大于低压模块的输出功率，总输出电压的傅里叶分析结果如图8（b）所示，谐波主要集中在 20 kHz 附近，谐波峰值约为40 V。图9和图10为采用混合调制策略下各个单元输出电压波形图。图9（a）为调制度为0.4时各单元输出电压及总输出电压的波形图。从图中可以看出，低压单元VAC和高压单元VDB输出基波电压有效值相等，因此级联系统各个单元的输出功率是均衡的。输出电压VAB的傅里叶分析结构如图9（b）所示，谐波主要集中在80 kHz附近，谐波峰值约为25 V。当调制度为0.8时，如图10所示，两个单元均为五电平输出，且输出基波有效值相等，输出功率也达到了均衡，此时总输出电压的开关次谐波峰值约为20 V。通过对比实验结果可得：采用混合调制策略后，高压单元和低压单元输出功率均衡效果较为明显；输出电压谐波峰值所对应的频率相对于载波层叠调制策略有较大提高，有利于减小滤波器的成本和体积。（a）高低压单元及总输出电压实验波形（b）总输出电压波形及其FFT分析结果图9混合调制策略逆变器输出电压实验结果（M=0.4）Fig.9 Experimental results of the output voltage of theinverter under hybrid modulation strategy（M=0.4）（a）高低压单元及总输出电压实验波形70（b）总输出电压波形及其FFT分析结果图10混合调制策略逆变器输出电压实验结果（MM=0.8）Fig.10 Experimental results of the output voltage of theinverter under hybrid modulation strategy（MM=0.8）4结论针对 NPC-HB 型级联多电平逆变器载波层叠SPWM调制策略中存在的功率均衡问题，提出一种混合调制策略。以两单元级联九电平逆变器为例，通过软件仿真和实验验证，得到以下结论：1）提出的混合调制策略可以有效均衡NPC-HB级联型多电平逆变器各单元输出功率，且输出电压波形质量不受影响。2）混合调制策略可以使各个器件具有相同的开关频率，从而使系统损耗和散热更加均匀，有利于延长功率器件的使用寿命，提高整体系统的稳定性。3）混合调制策略可以有效提高输出电压的等效开关频率和降低谐波峰值，有利于降低滤波器的成本和体积。参考文献1UMESH B S，SIVAKUMAR K.Multilevel inverter scheme forperformance improvement of pole-phase-modulated multiphaseinduction motor drive J.IEEETransactions on IndustrialElectronics，2016，63（4）：2 036-2 043.2杨旭红，郝鹏飞.电网电压谐波畸变条件下并网逆变器的控制策略研究 J.浙江电力，2021，40（6）：22-27.YANG Xuhong，HAO Pengfei.Research on control strategy of grid-connected inverter under grid voltage harmonic distortionJ.Zhejiang Electric Power，2021，40（6）：22-27.3夏翔，吴彬锋，朱利锋，等.不平衡及非线性负载下的三相逆变器控制方法 J.浙江电力，2022，41（2）：29-39.XIA Xiang，WU Binfeng，ZHU Lifeng，et al.A control method forthree-phase inverters with unbalanced and nonlinear loadsJ.Zhejiang Electric Power，2022，41（2）：29-39.4熊飞，吴俊勇，段青，等.一种适用于级联H桥储能变换器的相内功率分配控制策略 J.中国电机工程学报，2019，39（6）：1732-1 748.XIONG Fei，WU Junyong，DUAN Qing，et al.A novel inner-phasepower distribution control strategy for cascaded H-bridge converterJ.Proceedings of the CSEE，2019，39（6）：1 732-1 748.5钱金跃，吴佳，施文杰，等.基于SVPWM的NPC三电平逆变器简化MPC算法 J.浙江电力，2022，41（1）：80-88.QIAN Jinyue，WU Jia，SHI Wenjie，et al.Simplified MPC algorithmof NPC three-level inverter based on SVPWMJ.ZhejiangElectric Power，2022，41（1）：80-88.6李友光，胡存刚，刘浩洋，等.一种改进的单相九电平逆变器FCS-MPC方法 J.电力电子技术，2021，55（1）：121-124.LI Youguang，HU Cungang，LIU Haoyang，et al.An improved FCS-MPC strategy of single-phase nine-level inverterJ.PowerElectronics，2021，55（1）：121-124.7张云雷，王群京，胡存刚.一种新型混合式七电平逆变器 J.电机与控制学报，2020，24（10）：48-58.ZHANG Yunlei，WANG Qunjing，HU Cungang.Hybrid seven-level inverter and control strategyJ.Electric Machines andControl，2020，24（10）：48-58.8绳伟辉，葛琼璇.基于零序电压注入的七电平有源中点钳位型逆变器中点电压平衡控制方法 J.中国电机工程学报，2018，38（8）：2 408-2 418.SHENG Weihui，GE Qiongxuan.A neutral-point point balancingalgorithm for seven-level active neutral-point-clamped invertersbased on zero-sequence voltage injectionJ.Proceedings of theCSEE，2018，38（8）：2 408-2 418.9李昆鹏，万健如，宫成，等.双PWM变换器一体化控制策略 J.电机与控制学报，2013，17（4）：72-78.LI Kunpeng，WAN Jianru，GONG Cheng，et al.Integrated controlstrategy for dual-PWM converterJ.Electric Machines andControl，2013，17（4）：72-78.10 黄海宏，刘亚云，王海欣，等.H桥级联型APF直流侧电压平衡三级控制 J.电机与控制学报，2018，22（1）：77-85.HUANG Haihong，LIU Yayun，WANG Haixin，et al.Three-levelequilibrium strategy of DC voltage balance control for H-bridgecascaded APFJ.Electric Machines and Control，2018，22（1）：77-85.11 于雁南，杨荣峰，严继池，等.级联H桥静止无功发生器的多变量自抗扰解耦控制 J.中国电机工程学报，2016，36（8）：2 233-2 241.YU Yannan，YANG Rongfeng，YAN Jichi，et al.Multiple-inputmultiple-output decoupling control schemes of static var generatorwith cascaded H-bridge based on active disturbance rejectioncontrolJ.Proceedings of the CSEE，2016，36（8）：2 233-陈鑫跃，等：级联型NPC-HB多电平逆变器功率均衡控制策略研究71山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期2 241.12 王飞龙，苏利捷，杨国超.H桥多电平逆变器的混合载波交叠式PWM控制 J.电测与仪表，2019，56（10）：134-139.WANG Longfei，SU Lijie，YANG Guochao.The hybrid carrieroverlap PWM control of H bridge multilevel inverter J.ElectricalMeasurement and Instrumentation，2019，56（10）：134-139.13 秦春江，葛宝明，彭方正脉冲编码和旋转的级联中点箝位逆变器脉宽调制控制 J.中国电机工程学报，2009，29（33）：34-39.QIN Chunjiang，GE Baoming，PENG Fangzheng.Pulse widthmodulation control based on pulse encode and pulse rotation forcascade neutral point clamped inverterJ.Proceedings of theCSEE，2009，29（33）：34-3914 林城美，汪光森，王功宝，等.二极管钳位型级联多电平逆变器新型SPWM研究 J.电机与控制学报，2016，20（2）：8-13.LIN Chengmei，WANG Guangsen，WANG Gongbao，et al.Novalspwm for diode-clamped cascaded multilevel inverter J.ElectricMachine and Control，2016，20（2）：8-13.15 章勇高，熊健.级联多电平H 桥逆变器的同相层叠型SPWM脉冲分配方法 J.电力自动化设备，2017，37（7）：148-154.ZHANG Yonggao，XIONG Jian.Pulse distribution strategy for IPD-SPWM of cascaded multi-level H-bridge inverterJ.ElectricPower Automation Equipment，2017，37（7）：148-154.16 ANGULO M，LEZANA P，KOURO S，et alLevel-shifted PWMfor cascaded multilevel inverters with even power distributionCProceedingsof2007IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference，200717 邢履帅.NPC/H桥型五电平逆变器调制策略研究 D.徐州：中国矿业大学，2016.18 吴斌.NPC/H桥五电平逆变器脉宽调制策略研究 D.徐州：中国矿业大学，2015.19 程隽，刘虎，解光庆，等.五电平 NPC/H 桥逆变器的调制策略J.广东电力，2017，30（9）：70-74.CHENG Jun，LIU Hu，XIE Guangqing，et al.Modulating strategyforfive-levelNPC/Hbridge-typeconverter J.GuangdongElectric Power，2017，30（9）：70-74.20 NGUYEN N，NGUYEN B，LEE H.An optimized discontinuousPWM method to minimize switching loss for multilevel invertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，58（9）：3958-3 966.收稿日期：2023-01-30修回日期：2023-07-03作者简介：陈鑫跃（1996），男，硕士，工程师，主要研究方向为新能源发电、电力电子技术等；刘春晖（1990），男，硕士，工程师，主要研究方向为新能源消纳技术；杨朋威（1989），男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统仿真技术；鲍音夫（1995），男，工程师，主要研究方向为电力调度及工控技术；陈浩然（1994），男，硕士，工程师，主要研究方向为分布式新能源技术。（责任编辑马艳）72