《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種雙電源四輸入端三電平逆變器
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
李文鵬，張宇翔，張曉榮，曹文燕，郭 敏，張海超
鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，河南 鄭州450001
摘要： 提出了一種由雙直流電源構(gòu)成的四輸入端三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用三次諧波注入PWM作為調(diào)制方法。該逆變器通過(guò)前級(jí)兩個(gè)電源和兩個(gè)Buck變換器為后級(jí)電路提供四路電平，不同狀態(tài)下后級(jí)電路工作于不同的三個(gè)電平狀態(tài)；前級(jí)Buck變換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的調(diào)節(jié)，有較寬的工作電壓范圍；采用三次諧波注入PWM調(diào)制方法能實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)制范圍、低開(kāi)關(guān)損耗及輸出電壓電流較少的諧波含量。分析了不同狀態(tài)下雙電源四輸入端三電平逆變器工作原理、控制方法，并通過(guò)Simulink仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的正確性和可行性。
中圖分類(lèi)號(hào)： TM464
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)05-0130-04
A double-power four-input terminals three-level three-phase invertor
Li Wenpeng，Zhang Yuxiang，Zhang Xiaorong，Cao Wenyan，Guo Min，Zhang Haichao
School of Physical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China
Abstract： This paper presents a double-power four-input terminals three-level inverter topology with Pre-Buck converter and uses the modulation of the third harmonic injection. The circuit of double power Vs and Pre-Buck converters supplys four levels voltage,and the inventer circuit works on different voltage by various situation. Buck circuit can regulage the DC side voltage,and the inventer has a wide range working voltage. The third harmonic injection modulation can achieve lower switching loss and less harmonic content of the output voltage and current. The working principle and controlling means of the inverter during different models is analyzed. Finally the simulation shows the feasibility and valid of the double-power four-input terminal three-level inverter topology.
Key words : double-power；Buck converter；four-input terminal；three-level inverter；third harmonic injection

    

0 引言

    通常情況下逆變器要有較寬的工作電壓范圍，對(duì)于電壓型逆變器而言直流側(cè)電壓要高于交流側(cè)的電壓[1-4]，為適應(yīng)直流輸入電壓大幅變化的特性，目前大多數(shù)逆變器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)：在并網(wǎng)逆變器前加一個(gè)Boost升壓電路[5-7]，該方法在提高直流母線電壓的同時(shí)也大幅提高了Boost電路的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，需要使用耐壓值更高的開(kāi)關(guān)管和體積更大的電感器，這增加了開(kāi)關(guān)損耗和系統(tǒng)成本。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種雙電源四輸入端三電平逆變器，該電路通過(guò)兩個(gè)直流電源和兩個(gè)Buck變換器為后級(jí)提供四路電平，直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)由前級(jí)Buck完成，因?yàn)锽uck電路的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力比Boost升壓電路要小很多，可以有效降低前級(jí)的損耗和成本；后級(jí)逆變電路通過(guò)四路電平與前級(jí)相關(guān)聯(lián)，穩(wěn)定狀態(tài)下前級(jí)Buck電路以較小的功率工作或者不工作，后級(jí)電路在不同狀態(tài)下工作在不同的三電平狀態(tài)，能進(jìn)一步減小逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。最后在Simulink中對(duì)雙電源四輸入端三電平逆變電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

    本文提出的雙電源四輸入端三電平逆變器拓?fù)潆娐酚呻娫刺峁┎糠趾腿嗄孀儤蚵凡糠纸M成，見(jiàn)圖1。

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1.1 電源提供部分

    電源提供部分由直流電源Vs1、Vs2，電容C1、C2和Buck變化器組成，其中開(kāi)關(guān)管Ts1、二極管Ds1、電感L1組成Buck1變換器，開(kāi)關(guān)管Ts2、二極管Ds2和電感L2組成Buck2變換器。為后級(jí)逆變電路提供4路電平V3、V2、V1、V0，其中V3=Vs2+Vc1為電源Vs2與C1兩端電壓Vc1之和，V2=Vs2為電源Vs2電壓，V1=Vc2為C2兩端電壓Vc2，電壓Vc1、Vc2由對(duì)應(yīng)的Buck變換器提供。

    電平V3、V2、V1、V0通過(guò)后級(jí)電路可形成4條電流回路：由V3輸出經(jīng)V1流入；由V2輸出經(jīng)V0流入；由V3輸出經(jīng)V0流入；由V2輸出經(jīng)V1流入。前兩條回路的電流由電源Vs1或Vs2提供，此時(shí)Buck電路不工作。后兩條回路的電流大小如果相等，則系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)，前級(jí)Buck電路不工作；如果不相等，前級(jí)Buck電路以較小的功率即可使逆變電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

    當(dāng)直流側(cè)電壓V3低于要求的工作電壓時(shí)，Vs1通過(guò)Buck1變換器向后級(jí)電路供電，C1兩端電壓Vc1升高，電壓V3=Vs2+Vc1隨之提升，見(jiàn)圖2。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Ts1導(dǎo)通時(shí)，Vs1供電，電感L1蓄能，如圖2(a)；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Ts1關(guān)斷，電感電壓不能突變，經(jīng)續(xù)流二極管Ds1向電容C1和后級(jí)電路放電，如圖2(b)。同理，當(dāng)電壓V1變低時(shí)，Vs2通過(guò)Buck2變換器向后級(jí)電路供電。

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1.2 三相逆變橋部分

    本文提出的四輸入端三電平逆變器是在傳統(tǒng)三電平逆變器的基礎(chǔ)上提供了4個(gè)輸入端，不同狀態(tài)下逆變器工作于不同的三路電平，圖3為A相橋在不同開(kāi)關(guān)態(tài)下輸出電壓的等效電路圖。

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    當(dāng)Ta1導(dǎo)通時(shí)逆變器輸出電壓V3見(jiàn)圖3(a)；Ta2與電平V2間加一個(gè)二極管Da1，由于Da1的作用，Ta2導(dǎo)通時(shí)電平V2只能向外電路輸出電流，見(jiàn)圖3(b)；Ta3與電平V1之間加一個(gè)反向二極管Da2，由于反向二級(jí)管Da2的作用，當(dāng)Ta3導(dǎo)通時(shí)電平V1只能向內(nèi)流入電流，見(jiàn)圖3(c)；當(dāng)Ta4導(dǎo)通時(shí)，逆變器輸出電壓V0，見(jiàn)圖3(d)。

    當(dāng)A相電壓相對(duì)于參考電壓為正時(shí)，Ta1、Ta2、Ta4交替導(dǎo)通，Ta3一直關(guān)斷，輸出電壓在V3、V2、V0之間跳變；當(dāng)A相電壓相對(duì)于參考電壓為負(fù)時(shí)，Ta1、Ta3、Ta4交替導(dǎo)通，Ta2一直關(guān)斷，輸出電壓在V3、V1、V0之間跳變。逆變器每一相在正負(fù)半周內(nèi)的電壓均由幅值不同的三路電平提供，電平V3-V2和V0-V1間的電壓較小，減小了大電流時(shí)開(kāi)關(guān)管承載的電壓變化幅值；電平V2-V0和V1-V3間的電壓稍大，雖然相應(yīng)地加大了小電流時(shí)開(kāi)關(guān)管承載電壓的變化值，但綜合效果有助于降低后級(jí)電路的開(kāi)關(guān)損壞。

2 逆變器控制策略

    針對(duì)本文提出的雙電源四輸入端三電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此采用了三次諧波注入PWM調(diào)制方法。

    三次諧波注入PWM是在正弦調(diào)制信號(hào)上疊加三次諧波，也稱(chēng)為T(mén)HIPWM，三次諧波注入法可以有效增大線性調(diào)制范圍，降低開(kāi)關(guān)損耗[8-9]，同時(shí)由于三相逆變器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及無(wú)中線的負(fù)載連接方式，三次諧波在各相橋臂間消除，輸出線電壓和線電流中均不含三次諧波。此外三次諧波注入法應(yīng)用于雙電源四輸入端三電平逆變器還可以增大電路在V3-V2和V0-V1電壓間的工作時(shí)長(zhǎng)，減小在V2-V0和V1-V3電壓間的工作時(shí)長(zhǎng)，有助于進(jìn)一步降低后級(jí)逆變電路的開(kāi)關(guān)損耗。

圖4所示為三次諧波注入示意圖，其中Vacr為正弦參考信號(hào)，Von為三次諧波注入信號(hào)，Vdcr為調(diào)制信號(hào)，三次    諧波信號(hào)Von由正弦參考信號(hào)Vacr取得。

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    設(shè)參考信號(hào)Vacr的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下；

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    將三角函數(shù)化簡(jiǎn)可得：

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    在本文采用的THIPWM調(diào)制方法中取α=1/4，即注入的三次諧波幅值為參考信號(hào)幅值的1/4，此時(shí)輸出電流的諧波最小[10]，且能保持較大的線性調(diào)制范圍。

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    圖5所示為四輸入端三電平逆變器單相的調(diào)制波形圖，其中Uc1和Uc2為載波信號(hào)。

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    當(dāng)Vdcr相對(duì)于中性點(diǎn)為正時(shí)，Uc1幅值為[V3 V2]，Uc2為[V2 V0]。當(dāng)Vdcr≥Uc1時(shí)，Ta1導(dǎo)通輸出V3；當(dāng)Vdcr<Uc1且Vdcr>Uc2時(shí)，Ta2導(dǎo)通輸出V2；當(dāng)Vdcr≤Uc2時(shí)，Ta4導(dǎo)通輸出V0，Ta3一直關(guān)斷。

    當(dāng)Vdcr相對(duì)于中性點(diǎn)為負(fù)時(shí)，Uc1幅值為[V3 V1]，Uc2為[V1 V0]。當(dāng)Vdcr≥Uc1時(shí)，Ta1導(dǎo)通輸出V3；當(dāng)Vdcr<Uc1且Vdcr>Uc2時(shí)，Ta3導(dǎo)通輸出V1；當(dāng)Vdcr≤Uc2時(shí)，Ta4導(dǎo)通輸出V0，Ta2一直關(guān)斷。

    調(diào)制信號(hào)大部分時(shí)間內(nèi)在電壓幅值較小的[V3 V2]和[V1 V0]間進(jìn)行調(diào)制，較小時(shí)間段內(nèi)在[V2 V0]和[V3 V1]間調(diào)制，可進(jìn)一步降低后級(jí)電路的開(kāi)關(guān)損耗。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

    基于上述理論，在MATLAB/Simulink中針對(duì)雙電源四輸入端三電平逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了可行性仿真。如圖6所示為雙電源四輸入端三電平逆變器的前級(jí)電源提供部分的仿真電路，電源Vs1、Vs2和前級(jí)Buck變換器為后級(jí)電路提供4路電平V3、V2、V1和V0，前級(jí)Buck變換器分別由直流側(cè)電壓V3和V1反饋控制。仿真電路主要模型參數(shù)為:電源電壓Vs=400 V，調(diào)制波幅值311 V，頻率50 Hz，載波頻率5 kHz，負(fù)載電阻5 Ω。

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    設(shè)仿真電路中逆變器最低輸入工作電壓為700 V，當(dāng)直流側(cè)電壓低于要求時(shí)前級(jí)Buck電路工作，為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的4路電壓V3、V2、V1和V0。圖7為直流側(cè)電壓降低時(shí)Buck電路提供的四路電平，其中電壓V2=Vs2=400 V，電壓V0=0 V，電壓V3=Vs2+Vc1=700 V，電容兩端電壓Vc1=300 V，電壓V1=Vc2=300 V。

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    圖8所示為穩(wěn)定工作狀態(tài)下前級(jí)Buck電路中電感流過(guò)的電流，前級(jí)變換器中的電流及其波動(dòng)較小，可以有效降低前級(jí)電路的開(kāi)關(guān)損耗和電感體積成本。

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    圖9為前級(jí)兩個(gè)Buck變換器在不同輸入工作電壓下所對(duì)應(yīng)的功率，在允許范圍內(nèi)，工作電壓越高，前級(jí)功率越小，體現(xiàn)了雙電源四輸入端三電平逆變器的優(yōu)勢(shì)。

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    圖10所示為逆變器各相橋的相電壓，在相對(duì)正半周內(nèi)相電壓在V3-V2-V0間轉(zhuǎn)換，負(fù)半周內(nèi)在V0-V1-V3間轉(zhuǎn)換，這有助于進(jìn)一步降低后級(jí)電路的開(kāi)關(guān)損壞。

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    圖11為逆變器輸出的線電壓經(jīng)過(guò)濾波后的波形及其諧波分布，可見(jiàn)線電壓輸出波形好，F(xiàn)FT分析1 000次以內(nèi)的總諧波失真小，可為電網(wǎng)或負(fù)載提供較好的電能。

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4 結(jié)論

    本文提出一種雙電源四輸入端三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采用三次諧波注入PWM調(diào)制方法。該調(diào)制方法不僅能增大線性調(diào)制范圍，減小輸出諧波含量，還能增加后級(jí)逆變電路在窄電壓范圍的工作時(shí)間，能進(jìn)一步降低后級(jí)電路的開(kāi)關(guān)損耗。該逆變器結(jié)構(gòu)能以較低的前級(jí)損耗和成本使后級(jí)電路工作在穩(wěn)定直流電壓下，且后級(jí)電路的損耗較低。最后通過(guò)Simulink仿真驗(yàn)證了電路結(jié)構(gòu)的正確性和可行性，這對(duì)既要求有比較寬的工作電壓范圍，在電壓較低時(shí)也能繼續(xù)工作，又要求較低損耗和成本的兩級(jí)逆變器有很好的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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