箝位型三电平变流器多载波PWM技术研究[1]

２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集二极管箝位型三电平变流器多载波ＰＷＭ技术研究许鸿飞（山西省水利水电勘测设计院，太原山西０３４１００）摘要：二极管箝位型三电平变流器（ＮＰｃ）电路拓扑结构简单，应用广泛，控制策略也比较简单，已成为近年来中高压大功率场合的研究热点。二极管箝位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的特点，具有输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高，交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等优点。多载波ＰｗＭ技术是目前在多电平变流器中常用的开关调制技术，具有原理简单、实现方便的优点。通过不同幅值和相位三角载波的组合，多载波ＰｗＭ技术可实现丰富的调制方案。通过Ｐｓｉｌｌｌ仿真分析，得到了各种多载波ＰｗＭ方案在二极管箝位型三电平变流器中的仿真结果。在此基础上，从谐波品质角度比较了各种方案的优劣，选择了最适合ＮＰｃ的最佳调制方案。关键词：二极管箝位型三电平；多载波ＰｗＭ；多电平变流器；谐波特性；最佳调制方案Ｒｅｓ咖曲帆圳ｔｉ－ｃａ耐ｅｒ刑蹦蚓ｑ眦ｆｏｒⅢｔｉ－ｌｅＶｄＩｉ’ｌ衄ＸＵＸＵＨｏｎｇｆｅｉ（ＳｈａＩｌｇｘｉＩｎｓｉｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｔｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ，ｒＩ缸ｙｕａｎＳｈａｌｌ）【ｉ０３４１００ｂｅｉｎｇｐａｉｄｍｏｒｅａＩｌｄｍｏｒｅＣ量ｌｉｎａ）Ａｂｓｔ髓ｃｔｓ：ＲｙｉＩｌｇｃ叩ａｃ“ｏｒｓｃａｌａｂｌｅｉＩｌｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｈａｓａｎｅ以ｏｎｆｅｃｅｎⅡｙｆｏｒｉｔｓｕｓｉｎｇｏＩｌｌｙｓｉｎｇｌｅｓｕｐｐｌｙＤＣＶｏｌｔａｇｅ，ａｔｅｍｏｆＶｏｌｔａｇｅ１ｅＶｅｌｓｃｏｎｖｅｍｒｓｉｎａｌｌｄｃｏｎ昀ｌｆｌｅｘｉｂｉｌ姆Ｍｕｌｄ—ｃ棚ｅｒＰＷＭ敞１１Ｉｌｉｑｕｅｉｓａｓｈｎｄｏｆｓｗｉｔｃｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ住ａｔｅｇｙｆｏｒｃｏｍｍｏｎｕｓｅ，ｗｌｌｉｃｈｉｓｏｆｓｕｃｈａｄｖａＩｌｔａｇｅｓｅｘｐＵｃｉｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｅａｓｙｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎａＩｌｄｓｕｉｔａ＿ｂｉｌｉｔｙｆｏｒａＩｌｙａｒｅｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｍｅｐｈａｓｅｓｏｆｅａｃｈ拄ｉａｎｇｌｅｃ删ｅｒ＇ｔｈｅｒｅｆｏｕｒｍｏｄｕｌａｔｅｄｍｅｔｌｌｏｄｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓｉｍｕｌ撕ｏｎｕｓｉｎｇＯｒｃａｄ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｅｒｉｔｓｏｆｅａｃｈｍｅｔｂｃＨｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａＩｌｄｃｏｍｐａｒｅｄｆｂｍⅡｌｅＶｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｈ籼Ｉｌｉｃｑｕａｌｉ哆，ａＩｌｄｃｈｏｏｓｅｔｌｌｅｏｐｔｉｒｎｉｚｅｄｍｏｄｕｌａｔｅｄｍｅｍｏｄｆｏｒＭｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌｎｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｏＩ’ｃｏｎＶｅｒｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｏｒＭｕｌｔｉ—ｃａｒｒｉｅｒＰＷＭ；ｍｕｌｔｉ一１ｅｖｅｌｃｏｎＶｅｒｔｅｒｓ；ｈａｒｒｎｏｌｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅＩｉｓｔｉｃ；ｏｐｔｉＩＩｌｉｚｅｄｍｏｄｕｌａｔｅｄｍｅｍｏｄｓＯ引言多电平变流器是实现变流器高电压、大容量化高压大功率场合应用最为广泛”Ｉ。多电平变流器的ＰｗＭ策略主要有：多载波ＰｗＭ技术”ｌ、载波相移ｓＰｗＭ技术”ｌ、多电平空间矢量调制技术…及错时采样空间矢量调制技术”等等。多载波ＰＷＭ技术原理简单、实现方便而且普遍适用于各种多电平变流器，因而在目前是比较常用的多电平变流器开关调制策略。ＰｗＭ技术根据载波可以分为单极性调制，载波周期单极性调制和双极性调制三种类型。双极性调的有效途径，是近年来电力电子应用领域的研究热点。多电平变流器的三种基本拓扑结构为：二极管箝位型、飞跨电容型、级联Ｈ桥型。在这三种拓扑结构中，二极管箝位三电平变流器由于其同时具有多重化和脉宽调制的特点，具有输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等优点在中吏藏杖术．座硐ｈｌｖｅｒ竹Ｔｅ曲喇ｅｓ粕ｄＡＩ】ｐｌ跏咄２２１２００７全国电技术节能第九届学术年会制利用多载波ＰｗＭ技术，按各载波相位的不同安排，可以分为四种方案。本文针对ＮＰＣ，对以上各种ＰｗＭ调制方案进行了仿真分析，从谐波特性角度分析了各种方案的优劣，给出了定性分析的结果，得到了一些结论。这些结论对ＮＰＣ开关调制策略的选择，有一定的指导意义。１论文集ＮＰＣ相对于两电平拓扑有以下优点。１）很好的解决器件耐压不够高的问题。由于每相输出电压在ｐ—ｏ或者。一ｎ之间，器件承受的关断电压是直流回路电压的一半，而在两电平拓扑中，开关承受的是ｐ—ｎ之间的电压。可以看出，三电平可以使用相同耐压水平的开关器件，可以用于中高压大容量变频器…。２）输出相电压和线电压更接近正弦波，在同样的开关频率下，谐波比两电平小得多。３）ＮＰＣ使用的主开关器件数目并不比两电平多…。二极管箝位型三电平变流器原理如图ｌ所示为二极管箝位型三电平逆变桥主电路，其每一相可以输出玩。，０，一耽。三种电平。以Ａ相为例，其ＩＧＢＴ的开关状态和输出电平的关系如表１所列。但这种结构也有它固有的不足：１）二极管可能要承受不同反压。ｓ－Ｊ眨ｒ＆·＿Ｊ眨￡＆·Ｊ臣｝ｒｉ２）器件所需额定电流不同。不同管子的开关时间不同：Ｓａ２，ｓａ３开通的时间是Ｓａｌ和Ｓａ４的２倍３）电容均压有问题，将会引起中点电压偏移。其原因主要有：三倍输出频率的大电流流过中性点；ｓｔ＿Ｊ臣ｒ■臣刈眨ｆ——“＿』臣ｒＵ眨Ｉ¨＆，＿Ｊ廷器件特ｆ生的分散陛；与负载特Ｉ生及开关状态有关的原因。ｓ·Ｊ旺ｆ，＿Ｊ臣ｋＢ备Ｊ《ｉＣ２适用于ＮＰＣ的ＰＷＭ控制技术及谐波分析图１三相三电乎ＮＰＣ逆变器拓扑结构表１图１电路Ａ相主开关的开关状态输爨电，ＦｐＳ．１Ｓ。２Ｓ１３Ｓ１４根据载波类型可以分为单极眭调制和双极性调制两种。单极性调制是指载波在半个周期里只在正极性或者负极性一种极性范围内变化，如图２所示”ｌ。Ｏｎ０ｎｏｆｆｏｆｆｏｆｉ’ＯｎＯｎｏｆｔ’ｎｏｆｉ、ｏｆｆＯｎｏｎ根据上述图表分析，主开关Ｓａｌ和Ｓａ４不能同时导通，且Ｓａｌ和Ｓａ３，Ｓａ２和Ｓａ４的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关所承受的正相阻断电压为玩／２。另外从表１中可以明显看出，每相桥臂中间的两个ＩＧＢＴ导通时间最长，导致发热量也多一些，因此实际系统散热设计应以这两个ＩＧＢＴ为准…。图２单极性调制原理图将调制波取绝对值，从而载波在一个周期里只存在一种极性的方式，如图３所示，称为载波周期单极性调制。对于双极性调制，可以分为载波垂直分布技术２２２ｈＩ代ｒ自盯ＴｅｃｔＩ呐ｊｏｇｉｅｓ吏痰挑求座硐ａＩｌｄＡ珥妪ｃ鲥ｏｎｓ２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集和载波水平相移技术口１。载波垂直分布技术可以分２）正负反相层叠方式（Ｐｈａｓｅｏｐｐｏｓｉｔｉｏｎ为以下几种。Ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰｏＤ）零值以上的载波与零值以下的载波相位相反。如图６所示，上下载波的初相位相反，分别为００和１８０ｏ。图７上下载波初相分别为１８００和０。。３）交替反相层叠方式（Ａ１ｔｅｒｎａｔｉｖｅＰｈａｓｅｏｐｐｏｓｉｔｉｏｎＤｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＡＰｏＤ）所有相邻载波相位都相反。对于ＮＰＣ而言，ＡＰＯＤ调制方式与ＰＯＤ方式是相同的，但是对于更多路载波两者有显著差别，如图８所示，为四路载波下ＰＯＤ与ＡＰＯＤ的比较。图３载波周期单极性调制原理图１）同相层叠方式（ＰｈａｓｅＤｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＤ）所有载波以相同相位上下排列叠加。图４所示的载波初相位均为Ｏ。。图５所示的载波初相位均为１８００。燃㈣黝型强雕！鞴㈧５泌娜圈６ＰｏＤ（载波初相为０ｏ和１８００。）方式氐喁图４ＰＤ（载波初相为００）调制原理因｛！≯ｉ图７ＰｏＤ（载波初相为１８００和０。）方式４）载波相移方式（ＰｈａｓｅＳｈｉｆｔ，Ｐｓ）在载波相移调制方式中，相邻载波依此相移２１ｒ／（Ｎ—１）角度。不同载波分别调制不同的桥臂从而图５ＰＤ（载波初相为ｏｏ）调稍原理图得到最终波形，如图·９所示。２２３２００７全国电技术带能第九届学术年会论文集基波分量与调制波相同，没有基波损失；不含载波分量；不含七为偶数次的边带谐波；整个频谱中不含余弦分量。（４）载波相移方式的主要特征基波分量与调制波相同，没有基波损失；最低次谐波为载波频率的２倍；不含七为偶数次的边带谐（ａ）正负反相层懋方式波；整个频谱中不含余弦分量。３仿真验证依照前面所述的电路拓扑、工作原理和控制策略，利用Ｐｓｉｍ仿真工具，对ＮＰｃ进行了仿真研究。这里假设直流侧电压平衡，交流侧三相输出端负载特性相同，均为肚负载星接，无死区。仿真参数二一ｆｂ）交替反矧层叠方式图８ＰｏＤ和ＡＰｏＤ调制方式的比较如下：直流侧电压Ｋ。为１０００Ｖ；感性负载为厶＝２ｍＨ，冠＝１０５０ｎ；载波频率为ｌｋＨｚ；调制波频率为Ｈｚ；调制比胆Ｏ．８。１）单极性调制方式（图２方式）单极性调制方式下相电压波形以及线电压波形如图１０所示，可以看出，相电压波形为三电平输出，周期为２０ｍｓ。从其频谱图上可以看出，最低次载波谐波在１ｋＨｚ左右。图１１为Ａ相输出电流波形及其频谱分析。图９载波相移调制方式理论上可以通过双边傅立叶分析，得出这四种载波方法各次谐波的值，从而得出他们在消除谐波方面的优劣。理论上得到上述四种载波方案的结论ｐ。…。（１）同相层叠方式的主要特征基波分量与调制波相同，没有基波损失；含有奇数次载波分量，且为余弦分量不含肿七为偶数次的边带谐波；不含偶数次载波；整个频谱中含有余弦分量一致。（２）正负反相层叠方式的主要特征基波分量与调制波相同，没有基波损失；不含载波分量；不含七为偶数次的边带谐波；整个频谱中不含余弦分量。（３）交替反相层叠方式的主要特征２２４…（ａ）ａ相电压ｕａｎ的波形｜｜五．．㈣■㈨（ｂ）ａ相电压Ｕａｎ对应的频谱走藏技术座羽如ｖｅ啦ｒＲｃＩ啪１０９ｉｅｓａｎｄＡｌ驴蜥∞８２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集（ｃ）线电压Ｕａｂ的波形（ａ）科目电压Ｕａｎ的波形血。。一｝（ｄ）线电压Ｕａｂ对应的频谱ｌｋ。“。●…。…一图１０单极性调制方式下电压波形及其对应频谱曲）ａ捆电压仉。对应的频谱（ａ）ａ栩电潮。的波形（ｃ）线电压魄的波彤ｊ－¨｛，－●一●●∞（ｂ）ａ栩电流‘。对应的频谱ｉｕＩ“～．图１ｌ单极性调制方式下相电流波形及其对应频谱（ｄ）线电压Ｕ。。对应的频潜２）载波周期单极性调制方式（图３方式）阁１２载波周期挚极性调制方式Ｆ电压波形相应输出如图１２，图１３所示。及其对应频谱２２５２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集Ｉｈ。一（ｂ）ａ棚电压（‘。对应的频谱（ａ）ａ相电流ｋ的波形◆∞（ｃ）线电胍（，。的波形……，…ｉ…，…，～０，，ｈｌ。。Ｈ－坤●啦（ｂ）ａ相电础。对应的频谱图ｌ３单极性调制方式下电流波形及其对应频谱』澎ｊ如。…一３）ＰＤ（载波初相为００）方式（图４方式）（ｄ）线电压以。对戍的频谱对应的输出波形如图１４，图１５所示。圈１４Ｐｄ（戡波初楣为０发）调制方式Ｆ电鹾波形及其对应频谱掣‰熙ｌ舻‰蕊删濂畔赫４轴０∞Ｔｌｍ＊｛㈣Ｏ胂（ａ）ａ相电流，。的波形２２６ｈｌｖ咖Ｔｂｃｈ加ｌｏｇｉ幅锄ｄＡｐｐｂｃ撕ｏｎ８吏疲杖松硐２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集……ｒ茸。ｏｌ￡Ｉｊ，Ｉ＿｜１＿Ｉ｜ｊ…，Ｉ｜，Ｉ。｜，一，ｉ｜Ｉ｜一＿｜『Ｉ¨＿｜｝¨（１，）ａ相电流，，。对应的频谱图１５１）ｄ（载波初相为（１度）下电流波形及其对应频谱（ｄ）线电压（‘。对应的频谱图１６ｐＩ）（载波初相为１∽度）调制方式下电压波形及其对应频谱４）ＰＤ（载波初相为１８００）方式（图５）对应的输出波形如图１６，图１７所示。蛐脚嘞啪声，，｝｜翔心㈣（ａ）ａ相电压ｕ。。的波彤蜥脚。蕊一（ａ）ａ桶电流，。。ｆ｜勺波形…＿｜州鹾一。∽≮一。。薅√㈡。㈠。＝二｜ｏ－＿『『’｝Ｉ｜ｒ｜『『『≥＿『１『．一一一ｍ≥、……一……～一…～…～…一一一～…一～一………－……，一，－ｖ≥。＿｜｜Ｉｉ；｜’｜『≯『『｜｜』．＿『Ｉ～≯‘｜｜（ｂ）ａ相电流』。对应的频谱也。．一一。（ｂ）ａ相电压ｕ。。对应的频谱图１７ＰＤ（载波初符ｌ为１８０。）调制方式Ｆ电流波形及其对应频谱５）ＰｏＤ（载波初相为００和１８００）方式（图６）对应的输出波形如图１８，图１９所示。（ｃ）线电压ｕ。的波形（ａ）ａ相电压Ｕ。的波形２２７２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集㈣∞１１、…～～’…～一…㈣蚂椭∞∞∞∞（ｂ）ａ相电压氓。对应的频谱（ｂ）ａ相电射。对应的频谱图１９ｐｏＤ（载波初相为Ｉ）ｏ和１８ｆＪｏ）调制方式下电流波形及其对应频谱（ｃ）线电压ｕ。的波形“≮≯”１’’…一菇～６…一瓣㈣‰（ａ）ａ相电压配。的波形ｌ§堪‰ｋ……ｋ也‰．（ｄ）线电压址。时应的频谱图１８Ｉ）ｏＤ（裁波初相为（）ｏ和１８（＇。）调制方式下电压波形及其对应频谱（ｂ）ａ相电压配。对应的频谱二熊旒｛溉一『『；溉一。：嫩；。＊≯≯，≯，Ｖ尹≮７、；二０繁繁：鬻；够粥；：矗～。矗Ｔ－…。≥“、ｉ磊一一’ｊ。孙‘蚰（ｃ）线电｝ｌｉＵ。。的波形（ａ）ａ相电流Ｌ。。的波形７）载波水平相移（Ｐｓ）方式（图９）比较图１０，１２，１４，１６，１８，２０的电压波形６）ＰｏＤ（载波初相为１８０。和ｏ。）方式（图７）和频谱分析，以及图１ｌ，１３，１５，１７，１９，２ｌ的电流波形和频谱分析可以明显看出，对于Ｍ）Ｃ同相层对应的输出波形如图２０，图２ｌ所示。２２８２００７全国电技术节能第九届学术年会论文集流器，是目前比较常用的多电平变流器开关调制策略。通过载波相位，幅值的不同组合，形成了形形色色的多载波ＰｗＭ调制方案。本文从输出电压及电流波形的谐波品质出发，采用仿真方法对各种多载波ＰｗＭ方案进行了分析比较研究。研究结果表．ｉ““¨．．．．（ｄ）线电踬Ｕ。对应的频谱Ｉ鞫２０ＰｏＤ（载波初相为１８０。和Ｏ。）调制方式卜．电ｆｉｉ波形及其对应频谱『１１明，对于二极管箝位型三电平变流器同相层叠方式（ＰＤ）输出电压，电流的谐波性能最好。参考文献李永东，肖曦，高跃。大容量多电平变换器——原理控制应用『Ｍ１．北京：科学出版社，２００５ｆ２１王兆安，黄俊．电力电子技术『Ｍ１．北京：机械工业出版社．２００４黄守道，葛照强，叶光辉，徐乐．级联式变频器的几种多载波控制算法的对比分析『『１．电气传动，２００７，２『３１ｆ４１王芸、李建林、赵斌．适合直驱型风力发电系统的大功率变流器…。可再生能源，２００８，２ｆ５１李建林，王立乔，刘兆，张仲超．一种新型的组合变流器错时采样空间矢量调制技术分析ｆ１１中国电机工程学报．２０（）４，２４（１）：１４２—１４６（ａ）ａ相电流Ｉ。。的波形一一～一～『６１张元媛，阮新波．多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略ｍ．中国电机工程学报．２（）０４，２４（８）：３４—３８｝｜．¨ｉ¨一～～一，～Ｌ～一ｆ７１李建林，王立乔，李彩霞，张仲超．基于现场可编程门阵列的多路ＰｗＭ波形发生器『１１．中国电机工程．■｜；；｜；｜｜帼｛｛『８１学报２５（１０）：５５—５９王鸿雁，邓焰，赵荣祥，何湘宁．飞跨电容多电平变流器开关损耗最小ＰｗＭ方法ｆ１１．中国电机工程学报．２００４，２４（８）：５１—５５ｆ９１（ｂ）ａ相电流Ｉ。对应的频谱图２１ＰｏＤ（载波初相为１８（）。和ｒ’。）调制方式下电流波形及其对应频谱王长永，金陶涛，张仲超．基于ｃＰｓ—ｓｐｗＭ技术的电流源有源滤波器的研究『１１电力系统自动化．２０００，，２４（１３）：１１—１４叠方式（ＰＤ）输出电压，电流的谐波性能最好，尤其是线电压和电流谐波性能。ＰＯＤ，ＡＰｏＤ，载波周期单极性谐波性能次之，单极性调制谐波性能最差。ＡＰＯＤ和ＰＳ有相同的谐波性能，前提是在一个基波周期内总的开关次数相同…。ＰＳ调制方式由于其具有模块化，功率平衡的特殊优点，已经成为Ｈ桥多电平电路的标准ＰＷＭ控制方法。『１０１李建林，林平，王长永，张仲超．基于载波ｃＰｓ—ｓＰｗＭ技术的电流型有源电力滤波器的研究ｆＴｌ．中国电机工程学报．２００３，２３（１０）：９９—１０３４结论二极管箝位型三电平变流器广泛的用于中高压大功率场合。多载波ＰｗＭ技术普遍适用各种多电平变戈藏杖书虚阑。２２９二极管箝位型三电平变流器多载波PWM技术研究

作者：作者单位：

许鸿飞

山西省水利水电勘测设计院,太原,山西,034100

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