一种差分对称型五电平逆变器拓扑及分析.pdf
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1、研究与设计IEMCA电机与控制应用2 0 2 3,50(8)一种差分对称型五电平逆变器拓扑及分析张少如1.2.3,刘洋12,杜秀菊1.2.3,黄战平1,贾谊垫,王平军1,张介禄”(1.河北师范大学,河北石家庄0 50 0 2 4;2.河北省信息融合与智能控制重点实验室,河北石家庄C3.江苏泰隆减速机股份有限公司,江苏泰州2 2 540 0;4.河北科技工程学校,河北保定0 7 10 0 0)摘要:大多数多电平逆变器通过前级结构产生不同水平的电压,后级连接到H桥臂以改变输出电压的方向。由于H桥谐波成分高,并且增加了成本,故提出一种差分对称型五电平逆变器。该逆变器拓扑结构对称、控制简单、谐波低,不
2、需要额外的桥臂来改变输出电压的方向,其本身既能产生多个电平又能改变输出电压方向。此外,该逆变器在一个运行周期中,电容均只有一个模态放电,因此电容充电时间大于放电时间,故有足够的能量供给负载。利用MATLAB/Simulink对所提逆变器进行了仿真分析,并搭建了样机进行试验验证,仿真和试验结果与理论分析一致,证明了所提逆变器的有效性。关键词:多电平;总谐波畸变率;差分;逆变器中图分类号:TM464doi:10.12177/emca.2023.090Topology and Analysis of a Differential Symmetrical Five-Level InverterZHAN
3、G Shaorul.2.3,L2.Hebei Provincial Key Laboratory of Information Fusion and Intelligent Control,Shijiazhuang 050024,China;4.Hebei Science and Technology Engineering School,Baoding 071000,China)Abstract:Most multi-level inverters generate different levels of voltage through the front stage structure,a
4、nd therear stage is connected to the H-bridge arm to change the polarity of the output voltage.Due to the high harmoniccontent and increased cost of H-bridge,a differential symmetric five-level inverter is proposed.The inverter topologystructure is symmetrical,easy to control,and has low harmonics.I
5、t does not require additional bridge arms to changethe polarity of the output voltage,and the topology itself can generate multiple levels while also changing the polarityof the output voltage.In addition,the inverter has only one mode of discharge for each capacitor in one operatingcycle,so the cha
6、rging time of the capacitor is greater than the discharge time,and there is sufficient energy to supplythe load.The proposed inverter was simulated using MATLAB/Simulink and a prototype was built for experimental收稿日期:2 0 2 3-0 2-12;收到修改稿日期:2 0 2 3-0 4-18*基金项目:河北省重点研发计划项目(2 2 352 2 0 1D);河北师范大学科研基金资助
7、项目(L2023J03);安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心开放课题(KFKT201504)作者简介:张少如(19 7 1一),女,博士,教授,研究方向为电力电子与电力传动。刘洋(19 9 8 一),男,硕士研究生,研究方向为软件工程。杜秀菊(19 7 5一),女,博士,副教授,研究方向为新能源汽车。(通信作者)黄战平(19 6 9 一),男,本科,实验师,研究方向为新能源汽车。(通信作者)一52 一050024;文献标志码:A文章编号:16 7 3-6 540(2 0 2 3)0 8-0 0 52-0 8WANG Pingiun,ZHANG Jielu3(1.Hebei Normal
8、University,Shijiazhuang 050024,China;3.Jiangsu Tailong Reducer Co.,Ltd.,Taizhou 225400,China;电机与控制应用2 0 2 3,50(8)verification.The simulation and experimental results were consistent with theoretical analysis,proving theeffectiveness of the proposed inverter.Key words:multi-level;total harmonic disto
9、rtion(THD);differential;inverter0引言如今,人们对电力的需求正在增加。逆变器在电子设备中发挥着重要作用,因此,逆变器输出电压的质量也越来越受到关注。为了提高输出电压的质量,降低总谐波畸变率(THD),多电平逆变器应运而生。多电平逆变器的输出电压更接近正弦波形,因为其具有多级电平,考虑到极限状态,无数级电平可以合成一个真正的正弦波。多电平逆变器有三种常见类型:中性点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)型1-3、飞跨电容(Fl y i n g-Ca p a c i t o r,FC)型4-6)和级联H桥(Cascade H-Bridge,CHB
10、)型7-9 。NPC 逆变器结构本身存在缺点,即连接在电源上的电容电压分布不均匀,因此很难保证两个电容具有完全相同的参数3。FC逆变器可以通过允余模态调节电容电压,因此相对于NPC逆变器,FC 逆变器的电容电压不平衡问题得到了改善6 。文献10 直接用直流电源串联给负载供电,这样虽然可以得到稳定电压,但这需要更多的直流电源,使用起来极为不便。由于CHB具有模块化结构,CHB逆变器理论上可以得到任何电平数,但是随着级联单元的增加,组件的数量将大大增加 ,制作成本也随之大幅增长。当使用两级级联时,文献12中的拓扑需要两个电源,但只能获得五级电平。文献13 中的拓扑输出九级电平时,则需要两个电源,并
11、且要求两个电源的电压不同,也不便使用。文献14 中的拓扑需要电源和电容串联对另一个电容充电以获得更高的电压,这样电容的损耗将增大,转换效率降低。为了克服上述缺点,本文提出了一种拓扑,其采用差分结构,能够输出五级电平,且只需要一个电源,方便使用。所提拓扑中的四个电容由电源直接供电,因此各个电容电压均相等且等于输入电压,改善了NPC逆变器电容电压不平衡的缺点。电容在一个工作周期内只有一个模态放电,所以电容充电时间大于放电时间,故电容有足够的能量给负载供电。该拓扑的元器件电压应力低,均不超过输人电源电压。此外,该拓扑结构对研究与设计IEMCA称、控制简单、THD 低。下面将对所提拓扑的工作原理、调制
12、方法和参数设计进行详细分析,并对所提拓扑进行仿真分析和试验验证。1拓扑和模态分析1.1差分对称型五电平逆变器拓扑差分对称型五电平逆变器拓扑如图1所示,该拓扑中电容直接由输人电源供电,充电完成后,各个电容电压相等,均等于输人电压,改善了NPC逆变器电容电压不平衡的缺点。其不再需要H桥臂来改变输出电压方向,因为结构本身就可以改变输出电压的方向。拓扑中的开关管为电容充放电提供了回路。为了便于说明工作原理,对称位置的器件分别用“X”和“X”表示。S.LS4S3图1差分对称型五电平逆变器拓扑1.2模态分析差分对称型五电平逆变器拓扑的工作原理有5种模态,如图2 所示。模态1:如图2(a)所示,开关管S2、
13、S3、S4、S2、S和S4闭合,SI、Ss、Si 和S,断开。负载通过开关管S2、S3S4、S2、S;和S4短路,此时输出电压为0。同时,电容C,通过二极管D充电,电容C通过二极管D充电,电容C,和Ci的电压保持不变。模态2:如图2(b)所示,开关管S1、S、S4、S5、S2、Ss 和S4闭合,电容Cz通过二极管D和开关管S,充电,电容C,通过二极管D、开关管Ss、S4和 St充电,电容C通过二极管D和开关管S3充电,电容C2通过二极管D和开关管S,充电。此时,负载由输人电源直接供电,并且输出电压为Vin。该模态结束时,电容C、C和C2的电压为Vin。模态3:如图2(c)所示,开关SI、S、S
14、s、S4、S2一 53 一SALSD研究与设计IEMCA和Ss闭合,S,、S4、Si 和S断开。电容C,和C2通过开关管St、S2、Ss、S4、S和S2串联向负载供电,此时输出电压为2 Vim,电容C2继续充电。模态4:如图2(d)所示,由于电路的对称性,模态4与模态2 相似,不同的是输出电压为-Vimn模态5:如图2(e)所示,由于电路的对称性,模态5与模态3相似,输出电压为-2 Vin。SSSSSS,S,SSSS3图2 差分对称型五电平逆变器工作模态通过上述五种模态,可以得到0、Vim、2 Vi n-V和-2 V五个电平。开关管状态、电容充电和一54一电机与控制应用日2 0 2 3,50(
15、8)放电状态以及每个模态的输出电压如表1所示。其中,数字1表示开关闭合,数字0 表示开关断开。字母C表示电容充电,字母D表示电容放电,-表示电容电压不变。表1开关状态、电容充放电状态和输出电压S1S2S3S4SSiS2S3S4SsCC2C2V。0111001110一C一CSSSsDD(a)模态1S(a)模态2S4CDDV(a)模态3S.(a)模态4SSDD(a)模态50101 1101110CC一CVim1100101110DD0111010111一CCC-Vin0 11 1011001一CDD-2Vin从表1可以看出,开关管的控制信号是互补S4SC六SS驾CSS4C2Vin对称的,因此拓扑控
16、制方法比较简单。电容C在模态2 充电,在模态3放电,在其他模态下C,的电压保持不变。电容Ci在模态4充电,在模态5放电,在其他模态下C的电压保持不变。电容C在模态3放电,在其他模态下充电。电容C2在模态5放电,在其他模态下充电。综上所述,这些电容在一个周期中,均只有一个模态放电,因此电容充电时间大于放电时间,所以电容有足够的能量给负载供电。2调制方法与传统的逆变器调制方法不同,多电平逆变器调制方法是对传统逆变器调制方法的改进。多S电平逆变器有多种调制方法,本文采用载波移位法,如图3所示。首先,将具有相同振幅的多个三角载波叠加,然后与调制波进行比较,以获得多电平脉冲宽度调制(PWM)脉冲。这种调
17、制方法适用于大多数多电平逆变器。由于10 个开关管的控制信号是互补的,因此S仅分析开关管S1、S2、S3、S4、Ss 的控制信号。在图3中,S是幅度为2 的正弦波,作为调制信号。TI、T、T,和T4是三角波载波,幅度为1。V。为逆变器滤波前的输出波形。波形eive2、e 3、e 4和es分别是开关管S1、S2、S3、S4和Ss的控制信号,具体逻辑关系如图4所示。3参数设计与仿真3.1元器件电压应力分析在模态1中,开关管 S,的电压为Vs=Vci=(2)电机与控制应用2 0 2 3,50(8)0-102VinL图3调制信号和输出波形sinANI图4开关管控制信号的逻辑关系Vin。类似地,可以得到
18、 Vs4=Vcr=Vin,Vss=Vc2=Vm和 Vss=Vc=Vin。在模态2 中,Vs2=Vci=Vin,Vss=Vc=Vin 和 Vst=Vc=Vin。在模态 3 中,Vs=Vcl=Vin,Vsa=e=.n,s=Vec-in,Vst=Vecl=i.研究与设计IEMCASV,=Vci+Vc-Vm=Vin。模态4与模态2 相同,模态5与模态3相同。式(1)式(3)分别是模态1 3中元器件的电压。因此,电容、开关管和二极管的tTe2e3et/s电压应力低,只需要承受输人电压Vin3.2电容设计Vsi=Vci=ViVs4=Vcl,=VinVS5VS5S2Vss=Vc2;=Vim11Vvs1=Ve
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