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＜Tk+Ts 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? >???? =