级联H桥七电平逆变器同相层叠SPWM调制技术仿真研究.pdf
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1、级联H桥七电平逆变器同相层叠SPWM调制技术仿真研究雷达技术级联H桥七电平逆变器同相层叠SPWM调制技术仿真研究赵志远(陕西黄河集团设计研究所,陕西百西安7 10 0 43)摘要:联型多电平逆变器输出电压谐波含量小,易于实现模块化,适用于高压大功率场合。本文主要介绍了H桥级联七电平逆变器拓扑电路结构和电压同相层叠调制(In-PhaseDisposition,简称IPD)技术的基本原理,然后通过Matlab/Simu-link仿真软件对级联全桥逆变器(CascadeHalf-BridgeInverter,简称CHBI)的运行特性进行了仿真研究(仿真建模、控制方法)。由于七电平CHBI是由6 个频
2、率相等、相位相同、幅值层叠的三角载波和正弦波相位调制产生脉冲信号,所以七电平CHBI在450 0 Hz载波频率,0.9 9 幅值调制度下可使其相电压和线电压的THD分别达到18.76%,10.7 1%,说明CHBI在较低的工作频率下其谐波失真亦较小。关键词:逆变器;同相层叠SPWM;级联H桥;谐波分析1 引 言随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量的高压变频调速技术得到了广泛的应用。由于CHB的谐波失真和do/dt很低,而且功率器件间无需串联就能得到很高的工作电压,其模块化结构还可以降低生产成本。因此CHB大量应用在大功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域。
3、本文应用H桥级联七电平逆变器拓扑(CHBI),以及电压同向层叠调制(IPD)方式。目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多,相应的开关功率器件容量也越来越大,其主要有以下4种基本的拓扑结构:H桥级联式(CascadedH-bridge,CH B);电容箱位式(Ca-pacitor-Clamped);二极管箱位式(Diode-Clamped);飞跨电容钳位式(Flying-Capacitors)。由于CHB逆变器具有很低的谐波失真和do/dt,而且不需要功率器件间的串联,就可以得到很高的工作电压,它的模块化结构还可以降低生产成本,所以CHB逆变器在高功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACT
4、S)领域都得到了大量的应用。本文着重对电压层叠调制技术进行具体的分析,并通过MATLAB/Simulink仿真软件对CHB逆变器进行了全面的仿真研究。本文针对基于电压层叠调制技术的SPWM调制展开了原理介绍,并进行了模拟仿真、建模,对电压层叠技术进行原理分析,级联H桥七电平电路拓扑结构进行原理简介。并对于这种调制技术相对于传统的调制技术的优点和缺点进行比较,对电压层叠调制控制方式的谐波展开分析。2级联H桥多电平变频器的主电路拓扑对于如图1所示的m电平H桥逆变器,每相级联n个H桥,由直流电压源E独立供电。雷达技术级联H桥七电平逆变器同相层叠SPWM调制技术仿真研究24相电压为:U,=UHp1+U
5、Hp2+UHp3+.+UHpn(1)其中,p=a,b,c;U,为p相电压;UHpn为p相的第n个H桥单元的输出电压。由于每个H桥可以输出0、士E这3 种电平,使得相电压对电平的选择非常灵活。a相b相相Sa31Sc31本K4一SSa21a41521S12c32SS42042SSb33S3.3.SS13a43J43图1级联H桥七电平逆变器拓扑CHB逆变器是H桥逆变器的级联形式,电路拓扑如图1所示,它是由单个单项逆变器单元串联而成。当开关Sall、Sa 41、Sa 12、Sa 42、Sa l 3 和Sa43同时导通,其它器件都关断时,H桥单元H1、H 和H:的输出电压相等且都等于E,由图1很容易得到
6、此时7 电平CHB逆变器的相电压aN等于UH1、U H2 及UH3之和,大小等于3 E。同理,通过使Sa21、Sa 3 1、Sa 12、Sa 3 2、Sa 13 和Sa33同时导通,其它器件都关断,CHB逆变器的相电压UaN大小等于-3 E。依次类推,只要我们有针对性的导通和关断相应的器件,我们就可以使CHB逆变器相电压输出以下七个电平:3 E、2 E、E、O、-E、-2 E 和-3 E,故称为7 电平CHB逆变器。3电压层叠调制原理及脉冲分配策略逆变器中常见的电压层叠调制方式主要有三种排列方式:同相位排列(In-phaseDispo-sition,IP D);反相位排列(PhaseOppos
7、itionDisposition,P O D);交替反相位排列(Alter-native PhaseOppositionDisposition,A P O D)。它们的工作原理如下图2 所示。图2 中,在正弦波与三角波相交的时刻,如果调制波的幅值大于三角波的幅值,则开通相应的开关器件,反之,则关断该器件。由参考文献5 可知以上三种排列方式调制方式中,IPD方式得到的线电压含THD最小,调制效果最好,所以本文只着重介绍IPD模式调制。图3 显示了7 点平CHB逆变器IPD调制方式的基本原理载波对和分别与调制波相交来产生和的门极脉冲信号;同理,载波与调制波相交产生和的门极脉冲信号;载波和与调制波相
8、交产生和的门极脉冲信号。当A相调制波幅值大于X轴上方的三个载波、和的幅值时,对应的开关、和分别导通;而当A相调制波幅值小于x轴下方的三个载波、和的幅值时,对应的开关、和才导通。图3 给出了CHB逆变器中H1、H 2 和H3单元的电压输出波形及相电压的电雷达技术25级联H桥七电平逆变器同相层叠SPWM调制技术仿真研究压波形,可见具有7 个电平等级。Vcrlcr20VTcr2-Vcr1(a)同相位排列原理VCT1c20Vcr2V(b)反相位排列原理VcrlV0VC72-(c)交替反相位排列图2电压层叠调制的原理41仿真结果分析Va220Va3Vd240.02VioVm012VANOAN=VHLtV
9、H2+VH300.010.02Time/s图3 7 电平CHB逆变器电压层叠脉宽调制基于MATLAB/simulink仿真平台搭建了如图4所示的仿真模型。ContinuouspowerguiVAHIPulsesAVAH2gate_AVAH3PulsesAVANVABPulsesBgate_BVBNPulsesBVCNVAPulsescgate_cVBPPulsescVC图4级联H桥七电平仿真模型设置IPD电压移位调制参数:fm=50Hz,载波比N=90,幅值调制度ma=0.99,E=10 4V的线电压VAB、各相电压VAN、V BN、V c N的仿真波形图如下图5(a)、(b)所示。由图5可见
10、,7 电平CHB的相电压VAN和线电压VAB分别都是峰值为士3 E和士6 E的7电平和13 电平波形,故CHB逆变器在较低的开关频率下所输出的电压波形都具有很低的THD和电磁干扰(EMI),同时由于开关频率较低,器件的开光损耗也很低,正是基于这些优点,CHB逆变器在高功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域都得到了广泛应用。图6(a)、(b)为由simulink中的FFT分析工具箱得到相应VAB、V A N的谐波成分及含量分析。VAB和VAN的FFT分析如图6(a)、(b)所示的IPD电压层叠调制波形频谱图可见,VAN和雷达技术级联H桥七同相层叠SPWM调制技术仿真研究26线
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