一种新型四象限级联型多电平逆变器拓扑

2008 年 4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.23 No. 4 第 23 卷第 4 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2008 一种新型四象限级联型多电平逆变器拓扑吴凤江 赵 克 孙 力 张 云（哈尔滨工业大学电气工程系 哈尔滨 150001 ）摘要 传统级联型多电平逆变器无法实现能量双向流动。提出一种可四象限运行的新型级联型多电平逆变器拓扑。将 PWM 整流器与传统 H 桥逆变器相结合，进而实现了级联型逆变器的四象限运行。提出一种限频式电流滞环控制方法，以获得优良的输入电流控制特性；将载波移相SPWM 技术引入到级联型逆变器，有效减小了输出电压电流谐波。对单相三单元逆变器拓扑进行了实验验证。所提出的逆变器拓扑具有输入电流波形近似正弦，无需移相变压器，自动实现能量的双向流动等优点。仿真和实验结果证明了该拓扑的正确性和可行性。关键词 级联型逆变器 四象限 PWM 整流器 载波移相 SPWM 中图分类号 TM921 A Novel Four-Quadrant Cascade Multi-Level InverterWu Fengjiang Zhao Ke Sun Li Zhang Yun Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China Abstract Traditional cascade multi-level inverter could not realize the bi-directional flow of the power. A novel four-quadrant cascade multi-level inverter topology is proposed. Through integrating PWM rectifier into traditional H-bridge inverter, the four-quadrant running of the cascade inverter is realized. A frequency-limited hysteretic current control strategy is proposed to obtain fine control characteristic of input current. The phase-shifted SPWM technology is used in the cascade inverter to reduce harmonious of output voltage and current. And it was verified in a single phase three cell cascaded inverter. The proposed inverter topology has the merits that the input current is near sinusoidal, the phase-shifted transformer is not needed and the bi-directional flow of the power is realized automatically. The simulation and experimental results indicate its validity and feasibility. Keywords Cascade inverter ， four-quadrant ， PWM rectifier ， phase-shifted SPWM 1 引言基于 H 桥逆变器（电压胞）的级联型多电平逆变器因其具有无需高压功率器件、易于提高输出电压等级以及低输出电流谐波等优点在高压大功率场合得到了越来越多的应用 [1-3] , 很好地解决了风机、泵类等高压大功率负载场合的电机调速问题 , 并获得了显著的节能效果。传统级联型逆变器拓扑结构如图 1 所示 , 由整流变压器和多个结构相同的电压胞组成。由于传统级联型逆变器中的电压胞基于二极管整流 , 存在以下缺点①输入电流具有较大的低次谐波 , 需要移相变压器；②受二极管物理特性的限制，电流只能单向流动，无法应用于矿井提升机等要求能量双向流动的负载场合 [4-6] 。本文提出了一种新型级联型多电平逆变器拓扑，使得输入电流近似正弦，逆变器以近似单位功率因数运行，使各个电压胞母线电压保持恒定，并自动实现能量的双向流动，进而拓展了级联型逆变器的应用场合。仿真和实验结果证明了该新型拓扑的正确性和可行性。2 四象限级联型多电平逆变器拓扑本文提出的级联型多电平逆变器拓扑是在对单国家自然科学基金资助项目（ 50477009 ）。收稿日期 2007-01-11 改稿日期 2007-04-29 82 电 工 技 术 学 报 2008 年 4 月个电压胞改进的基础上实现的，主电路拓扑和图 1相同。其基本思想是，对于每一个电压胞，用三相PWM 整流器代替二极管整流器，而原有的 H 桥逆变器保持不变，即构成四象限电压胞，拓扑如图 2 所示，包括滤波电感、全控型功率器件以及储能电容。通过如图 2 所示的拓扑，结合 PWM 整流器的控制策略，可获得 PWM 整流器的优良输入电流控制特性，实现电压胞的四象限运行。将各个四象限电压胞输入端通过整流变压器并联，输出端级联，即为四象限级联型逆变器，下面深入分析其控制策略及运行特性。图 1 级联型多电平逆变器拓扑结构Fig.1 Topology of cascade multi-level inverter图 2 四象限电压胞拓扑结构Fig.2 Topology of four-quadrant power cell3 四象限级联型逆变器的控制策略由四象限级联型逆变器的结构特点，将其分为PWM 整流器和 H 桥逆变器两部分进行独立控制，下面详细阐述其控制策略。3.1 PWM 整流器的控制由于每个电压胞的输入端结构相同，并相互独立，只需阐述一个 PWM 整流器的控制策略。 PWM整流器采用三相拓扑结构，其系统控制框图如图 3所示，采用以母线电压为外环，输入电流为内环的双环控制结构。 母线电压采用 PI 调节器进行闭环调节，调节器的输出作为内环输入电流的幅值给定。通过采集三相输入电压的瞬时值，进而获得与交流输入电压同相位的三相标准正弦波，再与给定幅值相乘，作为三相输入交流电流的瞬时给定 [7] 。图 3 PWM 整流器控制策略原理框图Fig.3 Principle of control strategy of PWM rectifier为了使逆变器获得较快的动态响应和优良的控制性能，以及便于数字化实现，提出一种新颖的限频式输入电流滞环控制方法。基本思想是，在传统电流滞环控制方法的基础上，将环宽设为零，并将两个输入变量的瞬时值进行同步采样保持。 以 a 相上管为例，对开关信号的生成方式说明如下设采样时刻为 Tk ，保持时间为 Ts，在 Tk≤ t＜TkTs 的时间内*a k a k*a k a k* a kaupa k a k* a ka k a k1 0 d 1 and 0dd 0 and 0di T i Ti T i Ti TS i T i Tti Ti T i Tt 1 式中 Saup a 相桥臂上管开关函数i aTk 输入电流瞬时值*a k i T 输入电流给定值在 tTk Ts 时刻，进行下一次采样。由于在一个采样周期内，开关信号最多变化一次，因此功率器件的最大开关频率为系统采样频率。这种方法的优点是通过限制最高开关频率，解决了传统电流滞环控制方法的 PWM 波频率不固定的问题，有效降低了功率器件的开关损耗，同时保留了电流滞环控制方法的动态响应快的优点 [8] 。这种控制方法非常适合 DSP 等控制芯片的数字化实现，其控制精度取决于采样周期。选取适当的采样周期，可获得良好的控制性能。在负载电动运行时，电流幅值给定为正值，输入电流与输入电压同相， 系统为单位功率因数运行；负载处于发电状态时，母线电压升高，电流幅值给第 23 卷第 4 期 吴凤江 等 一种新型四象限级联型多电平逆变器拓扑 83 定变为负值，输入电流与输入电压相位相反，系统为负单位功率因数运行，能量由负载流向电网，进而实现了一个电压胞的四象限运行。由于各个电压胞结构相同，其输入端 PWM 整流器相互独立，因此实现级联型逆变器的四象限运行，只需将各个 PWM 整流器的输入端通过整流变压器二次侧绕组并联即可，各个 PWM 整流器采取相同的控制策略。需要指出的是，由于 PWM 整流器输入电流近似正弦，谐波含量很低，整流变压器二次侧绕组无需再进行移相，进而简化了变压器的设计，有效降低了系统成本。3.2 H 桥逆变器的控制每个 H 桥逆变器采用三电平电压输出控制策略，用相位相差 180的两路三角载波 CL、 CR 与同一个调制波 Uref 进行比较生成 PWM 波形，再分别取反后，形成四路 PWM 波形，分别控制 H 桥逆变器左桥臂和右桥臂的功率器件，需要注意的是为了获得三电平电压输出，右桥臂上管的驱动信号为载波 CR 形成的 PWM 波取反后的波形 [9] 。为了实现整个逆变器的多电平电压输出，将载波移相 SPWM 技术引入到级联型逆变器中， 即将每个 H 桥逆变器的载波错开一定角度，以叠加出多电平电压波形。每个电压胞载波的最佳移相角为shift180Nθ 2 式中 N逆变器每相的电压胞数量在这种控制方法下，逆变器输出电平数为tout 2 1N N 3 整个逆变器输出电压的等效载波频率为 N 倍的电压胞载波频率，可以有效降低输出电压、电流谐波，而幅值并不损失 [10-11] 。4 仿真与实验结果为验证所提出新型拓扑的正确性，在 Matlab/ Simulink 环境下和低压实验平台上对单相三单元级联型逆变器进行了仿真和实验研究。仿真参数为输入线电压有效值 ua3000V ；输入电压频率f in50Hz ；电压胞线电压有效值 ua11000V ；母线电压给定 Udcref 1700V ； PWM 整流器采样周期f s20kHz ； H 桥逆变器载波频率 fC2.5kHz ；输入滤波电感 L10mH；滤波电容 C5000μ F；负载电阻 RL100 ；负载电感 LL 50mH 。首先对基于二极管整流的传统级联型逆变器进行仿真分析，在 1.5s 时刻在输出回路串联幅值为9000V 的交流电源，以模拟负载发电状态，仿真波形如图 4 所示。（ a）总输入相电压、相电流（放大 10 倍）（ b）电压胞母线电压 （ c）电压胞输出电压 （ d）三单元逆变器输出相电压 图 4 传统级联型逆变器仿真波形 Fig.4 Simulation waveforms of traditional cascade inverter图 4a 和图 4b 分别为采用二极管整流的级联型逆变器总输入电流波形和电压胞母线电压波形。由此两图可以看出，不控整流方式的电流畸变明显，84 电 工 技 术 学 报 2008 年 4 月对电网造成了较大污染，母线电压产生泵升时，输入电流为零，能量无法回馈到电网，母线电压在再生状态很快泵升，在 0.1s 时间内电压泵升超过 50。从图 4c、图 4d 可以看出，随着母线电压泵升，逆变器已经无法正常工作。四象限级联型逆变器的再生状态仿真条件与前述相同。图 5 为新型四象限电压胞的仿真波形。图5a 和图 5b 分别为输入电压、电流波形和电流环控制波形，由图可见，输入电流波形正弦性好，与电网电压同相位，电流控制环具有较快的动态响应性能和较高的控制精度。图 5c 为电压胞母线电压波形，采用全控整流控制方案的母线电压即使在负载处于发电状态也能保持为恒定值，实现了能量的双向流动。在母线电压发生变化时，很快稳定在给定值，具有较好的动态响应性能。（ a）输入相电压、相电流（放大 5 倍）（ b） PWM 整流器实际电流（实线）与给定电流（虚线）（ c）母线电压（ d）输出电压图 5 四象限电压胞仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of four-quadrant power cell 图 6 为单相三单元四象限级联型逆变器仿真波形，图 6a 为总的输入相电压、相电流波形，可以看出， 电流与电压同相位， 在负载转变为发电状态时，电流反向， 能量由负载流向电网。 图 6b 为逆变器输（ a）总输入相电压、相电流（放大 10 倍）（ b）总输出电压（ c）总输出电流图 6 三单元四象限级联型逆变器仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three units four-quadrant cascade inverter 第 23 卷第 4 期 吴凤江 等 一种新型四象限级联型多电平逆变器拓扑 85 出电压波形，输出电压幅值为电压胞幅值的 3 倍，为七电平输出。在负载变化过程中，输出电压保持平稳，实现了级联型逆变器的四象限运行。图 6c为总输出电流波形，由图可见，电流波形具有较好的正弦性。对低压单相三单元四象限级联型逆变器的负载电动运行状态进行了实验验证，逆变器三相输入相电压为 75V，电压胞母线电压给定为 80V，单相负载电阻值为 200 ，电感为 10mH，输入输出电压频率均为 50Hz。图 7a 为电压胞输入相电压、相电流实验波形，图 7b、图 7c 分别为三单元逆变器输出电压、电流实验波形，由图可见，电压胞输入电流近似正弦，系统以近似单位功率因数运行，输出电压为七电平波形，有效降低了负载电流谐波。（ a）电压胞输入电压、电流实验波形（ b）逆变器输出电压实验波形（ c）逆变器输出电流实验波形图 7 三单元四象限级联型逆变器实验波形Fig.7 Experimental waveforms of three units four-quadrant cascade inverter 5 结论所提出的新型四象限级联型多电平逆变器拓扑，通过将 PWM 整流器引入到电压胞中，实现了级联型逆变器的四象限运行。并具有输入电流正弦性好，无需移相变压器，逆变器以近似单位功率因数运行，能量自由双向流动等优点。提出了一种新型限频电流滞环控制策略，在保留传统滞环控制方法优点的同时， 消除了最大开关频率不固定等问题，并易于数字化实现。 将载波移相 SPWM 技术引入到级联型逆变器中，输出电压为多电平阶梯波，等效开关频率提高 N 倍，显著降低了输出电压、电流谐波。仿真和实验结果证明了所提出的新型拓扑及其控制策略的正确性和可行性，进而拓展了级联型逆变器的应用场合。参考文献[1] Peng F Z, Lai J S, John W M. 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Transactions of China Electrotechnical Society ，2006 ， 2110 38-43. 作者简介吴凤江 男， 1980 年生，博士，讲师，研究方向为新型多电平逆变器拓扑及实用化技术。赵 克 男， 1973 年生，博士，讲师，研究方向为电机智能驱动控制技术。电工技术学报英文稿件征稿启事电工技术学报已被 Ei 核心源收录，为扩大影响，加快与国际电工领域期刊的接轨，更好地为广大读者提供与国际同行交流经验的平台，本刊将继续扩大英文稿件的征集与刊登力度。欢迎国内外专家、学者将最新的科技成果以英文论文的形式投稿。英文稿件征集的范围涵盖电力电子、电机与控制、电器、电力系统及其自动化、高压与绝缘、材料、理论电工、工业自动化、信息化技术等专业领域。英文文摘是沟通作者与国际同行进行交流的途径，作者一定要写好英文文摘1. 文摘要包含正文的要点，应包含研究对象、研究方法、结果与结论，不能因为某些内容不好翻译就弃掉要点。2. 文摘要尽量简短，尽量不要涉及课题研究的背景信息。3. 文摘内容要脱离原文而独立存在，不能出现图表参数据，尽量不要包含公式等字符。4. 文摘内容要客观，应是正文中出现的内容，不要标榜自己的研究成果。其他要求1. 文字要简明流畅，可读性强，要实事求是，恰如其分，符合英文文法与语言表达习惯。2. 撰写格式请参考 电工技术学报 稿件格式。 论文基金项目及项目号、 中图分类号、 英文的作者 （第一、第二）简介、作者信息与联系方式要齐全。3. 正文前的部分，包括题目、作者单位、邮编、摘要、关键词等要有相应的中文，附在论文后。 （投稿时，最好有相应的中文稿件，以便审阅）欢迎广大作者踊跃投稿。地址北京西城区百万庄大街 22 号 电工技术学报编辑部 邮编 100037 电话 010-88379848 ， 88379629 Email xuebaovip.163.com tesmail.machineinfo.gov.cn