混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法.pdf

第 卷 第期湘潭大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a l o fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)F e b D O I:/j i s s n X 引用格式:胡文华,丁文斌,尚硕,等混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法J湘潭大学学报(自然科学版),():C i t a t i o n:HU W e n h u a,D I NG W e n b i n,S HAN GS h u o,e t a l H y b r i dc a s c a d e d t h i r t e e n l e v e lH b r i d g em o d u l a t i o ns t r a t e g ya n dp o w e re q u a l i z a t i o nm e t h o dJJ o u r n a l o fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法胡文华,丁文斌,尚硕,杜家辉,张殷(华东交通大学 电气与自动化工程学院,江西 南昌 )摘要:直流电压源比为混合逆变器,采用传统的混合调制策略分别存在两个高压和低压功率不均衡的弊端,针对以上问题,该文提出了一种改进的调制策略,通过/周期互换高压单元脉冲实现了高压单元的功率均衡,在此基础上,让三角载波重构使得两个低压H桥单元的开关损耗相同,确保了高低压两两单元的功率均衡,并且高压和低压部分的功率开关分别工作在基频和高频状态,降低了损耗且谐波特性良好仿真及实验研究证明了上述理论分析的准确性和切实性关键词:逆变器;混合调制;载波重构;脉冲互换;功率均衡;谐波性能中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:X()H y b r i dc a s c a d e dt h i r t e e n l e v e lH b r i d g em o d u l a t i o ns t r a t e g ya n dp o w e r e q u a l i z a t i o nm e t h o dHUW e n h u a,D I NGW e n b i n,SHANGS h u o,D UJ i a h u i,ZHANGY i n(S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g,E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,N a n c h a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:Wh e nt h eD Cv o l t a g e s o u r c e r a t i o i s,t h eh y b r i d i n v e r t e r a d o p t s t h e t r a d i t i o n a l h y b r i dm o d u l a t i o ns t r a t e g y,w h i c hh a s t h ed i s a d v a n t a g eo fu n b a l a n c e dp o w e ro f t w oh i g hv o l t a g ea n dl o wv o l t a g er e s p e c t i v e l y T os o l v e t h ea b o v ep r o b l e m s,t h i sp a p e rp r o p o s e sa n i m p r o v e dm o d u l a t i o ns t r a t e g y,w h i c hr e a l i z e s t h ep o w e rb a l a n c eo f t h eh i g hv o l t a g eu n i tb ye x c h a n g i n gt h ep u l s e so f t h eh i g hv o l t a g eu n i tw i t h/c y c l e O n t h i sb a s i s,t h e t r i a n g u l a r c a r r i e r i s r e c o n s t r u c t e d t om a k e t h e s w i t c h i n g l o s so f t h e t w o l o wv o l t a g eH b r i d g eu n i t s t h e s a m e I t e n s u r e s t h ep o w e rb a l a n c eo f t h eh i g ha n d l o wv o l t a g e t w ou n i t s,a n d t h ep o w e rs w i t c h e so f t h eh i g hv o l t a g ea n dl o wv o l t a g ep a r t sw o r ka t t h eb a s i cf r e q u e n c ya n dh i g hf r e q u e n c yr e s p e c t i v e l y,r e d u c i n gt h e l o s s a n dh a v i n gg o o dh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i c s S i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d i e sh a v ep r o v e dt h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t yo f t h ea b o v e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s K e yw o r d s:i n v e r t e r;m i x e dm o d u l a t i o n;c a r r i e rr e c o n s t r u c t i o n;p u l s ee x c h a n g e;p o w e re q u a l i z a t i o n;h a r m o n i cp e r f o r m a n c e收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();江西省教育厅科学技术研究项目(G J J )通信作者:丁文斌(),男,江西抚州人 E m a i l:q q c o m引言近年来,电力行业发展迅速,级联H桥(CH B)多电平逆变器因为无须考虑串联均压的问题,便于进行模块化,输出电压较高,在高压大功率变换和汽车等领域有着广阔的发展前景 混合级联H桥逆变器在级联单元个数相同的情况下,可以比传统H桥逆变器输出更高质量的电能,而且在电平数一定前提下,开关管器件使用少,从而对生产成本进行了降低针对混合多电平H桥逆变器拓扑来说,提出调制策略很关键,好的调制策略不仅可以得到高质量的电能而且方便设计滤波装置,经济效益高脉宽调制根据开关频率不同主要分为种,分别是低频调制、高频调制和混合频率调制高频调制又有空间矢量调制、移幅调制 和移相调制 种,其谐波性能好,但开关损耗较高低频调制主要有阶梯波合成法、特定谐波消除法 两种,其开关器件频率低、损耗较小,但电能质量较差混合频率调制融合了上述两种调制的优点,兼具器件损耗低和电压质量高的特点因为各H桥单元之间输入电压不同,级联下的电流大小相同,这就会导致输出功率不等,对电源损害较大所以确保各H桥单元之间功率均衡有一定的现实意义文献 对直流比为的混合逆变器提出了一种调制策略,使得高低压部开关管分别工作在基频和高频下,输出了高质量电能,但有电流倒灌的现象对此文献 提出了一种单极倍频的调制方法,对脉冲进行一定的逻辑组合,完美地解决了电流倒灌的问题文献 提出了一种针对混合级联七电平逆变器的调制策略,高压和低压部分的开关管在不同的频率信号下一起配合进行工作,提高了电压波形的质量,但其存在电流倒灌的问题文献 对脉冲进行逻辑组合与运算,使电流倒灌的问题得到了解决文献 对模块之间的功率不平衡的问题,提出了一种基于零序电压补偿的控制策略,使得所有模块输出了相同的有功功率文献 提出了新的零序分量注入法,使得七电平级联H桥相间功率达到均衡本文研究了直流电压源为的四单元混合级联H桥十三电平逆变器,通过重构载波同相层叠(P D)调制策略的三角载波使得个低压单元之间自均衡,并进一步对高压进H12E2EEESSSSSSSSQQQQQQQQ图个H桥单元级联组成的拓扑结构F i g T o p o l o g l c a l s t r u c t u r ec o m p o s e do f f o u rc a s c a d e dH b r i d e g eu n i t s行/周期脉冲互换,实现了高低压两两单元的功率均衡拓扑及调制策略 拓扑图所示为个H桥单元级联组成的拓扑结构,其中H、H 是高压单元;L、L 是低压单元Q、S分别表示H、H、L、L 单元的功率开 关器件uL、uL 分别为L、L 两个低压H桥单元的输出电压,uH 和uH 分别为第个和第个高压H桥单元的输出电压,负载侧电流由i表示,输出相电压uAN与各个单元输出电压之间满足以下关系式:uANuH uH uL uL()传统的混合调制方法图为传统混合调制原理图,在高压部分采取阶梯波调制,得到的方波幅值为E,个高压部分第期胡文华,等混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法工作在基频下,开关损耗较小,个低压部分采用的是载波层叠调制vn l为高压单元H 和H 的正弦调制波,H 单元的驱动信号可由其与vb和vc比较得到,H 单元的驱动信号可由其与va和vd比较得到vn 为低压单元的调制波,由vn l减去高压两单元输出电压uH 与uH 得到,其中低压部分调制波vn 表达式为:vn vn E,vn E;vn E,Evn E;vn,Evn E;vn E,Evn E;vn E,vn E()当vn v时,L 输出电压大小为E,当vn v时,L 输出电压大小为E L 单元的载波信号为v和v,当vn v时,L 输出电压大小为E,当vn v时,L 输出电压大小为E4E0-4E2EuH1-2E2EuH2-2E2E0-2EEuL1-EEuL2-E6EuAN-6E图传统混合调制原理图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a d i t i o n a l h y b r i dm o d u l a t i o n高低压两两单元的电压基波幅值不同,它们输出的功率并不均衡,这会导致逆变器的电压利用率不一致,充放电不平衡,影响系统的使用稳定性和寿命如果要解决功率不均衡的问题,就要采用载波互换或脉冲分配等控制技术进行解决为此提出改进的混合调制方法 改进的混合调制方法图为改进混合调制原理图,vn 为高压单元H 和H 的正弦调制波,其数学关系式为:vn E ms i nw t,()式中,m为幅值调制改进的高压调制方法和传统方法相同,都是工作在基波频率有所区别的是,低压部分的调制采用载波重构的方法,L 载波信号为v和v,L 载波信号为v和v,个载波的幅值和频率相同,上下个载波进行了部分变换,使得低压单元的开关次数和开关损耗进行了平均分湘潭大学学报(自然科学版)年配,输出电压基波幅值一样改进调制方法可实现个低压单元功率自均衡4E0-4E2EuH1-2EEuL1-EuL26EuAN-6EuH22E0-2E图改进混合调制原理图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f i m p r o v e dh y b r i dm o d u l a t i o n 高压单元功率均衡方法四单元H桥逆变器之间级联构成回路,流过的电流大小相等,但是在一个周期内高压单元的电压基波幅值各不相同,因此,在载波重构下个低压单元输出功率相同的基础上,提出了一种高压单元功率均衡的策略,即通过交换脉冲实现功率均衡,调制原理如图所示P2E0-2EuH12E0-2EuH21010101010S11S21S13S23互换互换00.010.02图高压单元功率均衡方法F i g H i g hv o l t a g eu n i tp o w e re q u a l i z a t i o nm e t h o d图分析如下,P为 H z的方波信号,S、S、S、S 信号分别为个高压单元上半桥臂个开关器件的初始驱动信号P信号的作用就是对初始信号按照/输出电压周期循环进行互换,得到实际驱动信号S 、S 、S 这样使得uH 和uH 电压波形在半个周期内第期胡文华,等混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法交换,电压基波幅值相等,实现了个单元之间的功率均衡各个开关管实际驱动信号的数学逻辑表达式为:S S PS P;S S ;S S PS P;S S ()S S PS P;S S ;S S PS P;S S ()仿真验证为了验证改进型调制策略及功率均衡方法的正确性,利用M a t l a b 进行了四单元H桥逆变器的仿真仿真参数如表所示,输入电压 V,载波频率 H z,调制波频率 H z,电阻,电感mH,选用I G B T为I X GH B 表仿真参数T a b S i m u l a t i o np a r a m e t e r s仿真参数数值E/V R/L/H fc/H z m /fm/H z 采用改进调制策略及功率均衡方法,在频率调制比m为 、和 时,四单元H桥逆变器输出电压波形如图所示随着调制比的增加,四单元H桥逆变器的个高压单元的输出从零电平到三电平变成了五电平,然后保持不变,个低压单元的输出波形一直是五电平,但输出相电压从五电平逐渐变为九电平最后完成了到十三电平的转变湘潭大学学报(自然科学版)年m=0.3m=0.6m=0.9t/sUAN/VUL/VUH/V图逆变器输出电压波形F i g T h eo u t p u t v o l t a g ew a v e f o r mo f t h e i n v e r t e r图为频率调制比m为 、时,个单元的功率波形,在改进调制下,当调制比m 时,pH 和pH 一个周期内的平均值都为W;pL 和pL 一个周期内的平均值分别为pL W和pL W 在m 条件下,pH W、pH W、pL W和pL W 在ma 条件下,pH W、pH W、pL W和pL W(a)m=0.3时改进混合调制下瞬时功率波形(b)m=0.6时改进混合调制下瞬时功率波形(c)m=0.9时改进混合调制下瞬时功率波形1 6000pH1pH2pL1pL21 600080008000瞬时功率/W1 6000pH1pH2pL1pL21 600080008000瞬时功率/W00.010.02t/s00.010.02t/s1 6000pH1pH2pL1pL21 600080008000瞬时功率/W00.010.02t/s图改进混合调制方法下的瞬时波形F i g I n s t a n t a n e o u sw a v e f o r mu n d e r i m p r o v e dh y b r i dm o d u l a t i o nm e t h o d图为频率调制比为 、和 时逆变器输出相电压频谱图,可见随着调制比的增大,输出相电压的THD分别为 ,在不断地减小,逆变器输出电压的谐波主要分布在载波频率fsk H z的n(n,)倍及其附近,符合移幅调制的第期胡文华,等混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法一般规律0100200300谐波次数（c）m=0.9，fc=5 kHz时输出相电压频谱0100200300谐波次数（a）m=0.3，fc=5 kHz时输出相电压频谱0100200300谐波次数（b）m=0.6，fc=5 kHz时输出相电压频谱基波(50 Hz)=180 VTHD=33.47%基波(50 Hz)=359.9 VTHD=16.71%谐波与基波比值/%谐波与基波比值/%谐波与基波比值/%基波(50 Hz)=539.9 VTHD=10.76%图改进策略下逆变器输出电压频谱F i g F r e q u e n c ys p e c t r u mo f i n v e r t e ro u t p u t v o l t a g eu n d e r i m p r o v e ds t r a t e g y实验验证为了对本文所提改进调制策略及功率均衡方法的准确性和切实性进行验证,搭建了一个四单元H桥逆变器实验平台如图所示,主要参数如表所示图实验平台F i g E x p e r i m e n tp l a t f o r m表实验参数T a b E x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s实验参数数值E/V/R/L/H fc/H z m fm/H z 图给出了在改进调制策略下,m 时逆变器的高低压单元电压波形和相电压波形及其频谱图相电压为十三电平从图(b)可知,输出相电压中谐波主要分布在fc附近,与仿真输出频谱一致湘潭大学学报(自然科学版)年(a)高低压单元电压波形(b)相电压波形及其频谱分布图电压/（20伏/格）电压/（20伏/格）谐波含量/（1伏/格）t/(4毫秒/格)t/(4毫秒/格)f/(1.25千赫兹/格)图m 时逆变器电压波形及频谱图F i g I n v e r t e rv o l t a g ew a v e f o r ma n df r e q u e n c ys p e c t r u mw h e nm 图 给出了在频率调制比m为 时,个单元的输出电压、电流和瞬时功率波形从图中可以看出,个低压单元功率自均衡证明了这种功率均衡策略的有效性而个高压单元在采用了脉冲互换的方法后瞬时功率波形在半个输出电压周期内基本对称,也达到了功率均衡以频率调制比 为例,个高压单元H 和H 开关损耗为 W和 W,个低压单元L、L的开关损耗分别为 W、W,开关损耗基本相等(a)H1单元电压、电流及功率(b)H2单元电压、电流及功率(c)L1单元电压、电流及功率(d)L2单元电压、电流及功率uH1(50伏/格)i0(5伏/格)pH1(50瓦/格)pH1(50瓦/格)i0(5伏/格)uH2(50伏/格)t/(10毫秒/格)t/(10毫秒/格)t/(10毫秒/格)t/(10毫秒/格)uL1(50伏/格)i0(5伏/格)pL1(50瓦/格)uL2(50伏/格)i0(5伏/格)pL2(50瓦/格)图 m 时的功率波形F i g P o w e rw a v e f o r mw h e nm 第期胡文华,等混合级联十三电平H桥调制策略及功率均衡方法结论)提出的改进的调制策略能够实现个低压单元的功率自均衡,在改进的调制策略基础上,通过交换/输出电压周期驱动脉冲,使得在一个输出电压周期内实现了高压单元功率均衡)对于本文所提的改进调制策略,优化了全调制度下相电压的THD,而且也在全调制度下实现了高低压两两单元之间的功率均衡参考文献胡腾,许烈,李永东,等混合电动汽车多电平车载变换器的研究J电工技术学报,():许烈,张奇,李永东,等混合电动汽车功率变换器的研究J电机与控制学报,():邱凤,冯江华,胡家喜高压大功率变频器拓扑结构研究J物联网技术,():顾军,宋飞,李平,等混合级联H桥逆变器的调制策略优化方法J高电压技术,():易理军,郭有贵,张玉二极管箝位三电平逆变器的多载波同向层叠调制J湘潭大学自然科学学报,():胡文华,刘剑锋,王小衬一种混合级联H桥逆变器的倍频调制方法J电力电子技术,():赵起问,李俊杰,姜建国三电平N P C逆变器改进虚拟空间矢量调制策略J电力电子技术,():李宋,肖云煌 CHB逆变器移幅载波调制法及其功率均衡控制策略J电力系统及其自动化学报,():,胡文华,张军仁,董运一种新型载波移幅S PWM调制策略J电气传动,():李彦君,张兴,赵文广,等基于拓展移相调制的双有源桥回流功率优化策略J太阳能学报,():叶满园,苗志林,陈子豪,等电容电压自均衡多电平逆变器S HE PWM控制策略研究J高电压技术,():MA DHAV M D,P E T E RSK,L I P OTA H y b r i dm u l t i l e v e l p o w e r c o n v e r s i o ns y s t e m:Ac o m p e t i t i v e s o l u t i o nf o rh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n sJI E E Et r a n s a c t i o n so n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s,():叶满园,童子威,陈子豪,等改进的新型型不对称CHB逆变器调制策略J高电压技术,():陈仲,许亚明,袁涛一种基于载波层叠脉宽调制的倍频调制方法J电工技术学报,():胡文华,刘剑锋一种混合级联逆变器的改进载波层叠调制方法J电 力电 子 技术,():Z HAO T,CHE N D R e s e a r c ho nt h em o d u l ep o w e re q u a l i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e e p h a s ec o mm o nD C b u sc a s c a d e d H b r i d g em u l t i l e v e l i n v e r t e rf o rl a r g e s c a l eP Vp o w e rp l a n t sJ I E E Ea c c e s s,:Y U Y,K O N S T A N T I N O U G,H R E D Z A KB,e ta l P o w e rb a l a n c eo fc a s c a d e dh b r i d g em u l t i l e v e lc o n v e r t e r sf o rl a r g e s c a l ep h o t o v o l t a i c i n t e g r a t i o nJ I E E Et r a n s a c t i o n so np o w e r e l e c t r o n i c s,():(责任编辑:夏金玉)湘潭大学学报(自然科学版)年