总第209期 2011年第11期 舰船电子工程 Ship Electronic Engineering VoI.31 No.11 173 基于载波移相SPWM的 级联多电平逆变器输出特性研究 陶文俊 (湖北省电力公司武汉供电公司武汉430000) 摘要级联多电平逆变器是最适合在高压大容量环境下应用的逆变器拓扑,论文首先讨论了基于该拓扑的载波移 相SPWM(CPS-SPWM)技术,接着研究了直流侧电容不均压对基于CPS-SPWM的级联多电平逆变器输出特性的影响,最 后通过仿真和实验对该逆变器的输出特性进行了分析,理论计算、仿真和实验结果相符,并得出了基于CPS-SPWM的级联 多电平逆变器能大幅提升等效开关频率,对直流侧电容均压要求宽松的结论。 关键词级联多电平逆变器;载波移相SPWM调制;直流侧电容均压 TM401 .2 中图分类号Research of the Output of the Cascaded Multilevel Inverter Based on Carrier Phase Shifting SPWM Tao Wenjun (Wuhan Power Supply Company of Hubei Province Power Company,Wuhan 430000) Abstract Cascade multilevel inverter was the most suitable inverter topology for the environment in high voltage and large power capacity.In this paper,we discussed the carrier phase shifting sinusoidal pulse width modulation(CPS-SPWM) based on that topology at first.And then hoW the DC capacitor unbalancing effect the output of cascaded multileve1 inverter based on CPS-SPWM have been researched.At last simulations and experimentations are applied tO research the inverter’S output characteristic.The results of the simulations and experiments are matched with the calculation wel1.This paper ends with a conclusion that the cascaded multilevelinverter based on CPS-SPWM can not only improve switch frequency but also shows good ability of resisting dc side voltage fluctuation interference. Key Words cascaded multilevel inverter,CPS-PWM,DC capacitor balancing CI弱s Number TM401。+.2 1 引言 当前困扰全世界电力电子技术界的一个问题 单、结构灵活、更换方便、维修便利、有利于科学设 计和有效利用冗余等特点,是一种目前在大功率、 高电压等级的电力电子领域广泛应用的逆变器拓 扑[1 ̄引。级联多电平结构的逆变器常用的调制方 就是:工程应用中对半导体器件的耐压和功率等级 日益增高的要求与半导体器件由于材料科学没有 重大突破而长期在低压小容量水平徘徊的矛盾,为 此采用较复杂的拓扑方式,用复杂的结构来构建高 压大容量逆变器是目前比较通用的一种方法,拓扑 法有:载波移相正弦脉宽调制方法(CP SPwM)、 空间矢量调制方法(SVPWM),还有一种最近提出 来的一维矢量调制(1一D SVPWM)_3]。由于级联多 电平中单相电平数目较多,采用SVPWM方法势 必需要建立非常复杂的向量表,而且算法的实现也 结构如图1所示的级联多电平逆变器具有组装简 收稿日期:2011年5月2日,修回日期:2011年6月4日 作者简介:陶文俊,男,硕士,工程师,研究方向:电网安全运行。 174 陶文俊:基于载波移相SPWM的级联多电平逆变器输出特性研究 总第209期 相当困难。根据有关文献的分析,对级联多电平三 相逆变器而言,在CP SPWM和1一D SVPWM 中,CPS-SPWM调制方式的特性更有独到之处 。 所以本文对基于CPS-SPWM的级联多电平逆变器 的输出特性进行研究具有一定的理论和应用价值。 Ⅳ 图1级联多电平逆变器 2 CPS—SPWM调制方法 载波移相(CPS)则是针对级联多电平逆变器 而采取的技术策略,单相中各个逆变器单元的调制 波都相同而三角载波则依次错开一个相同的相移, 使各个模块产生逐次错开一定相位的SPWM脉 冲,各个模块产生的SPWM脉冲叠加后成为总的 输出SPWM波形。图2所示为单相采用3个单相 全桥级联的级联多电平逆变器采用CPS-SPWM调 制的输出特性,其中SPWM具体采用单极倍频 SPWM方式:子图a、e、e为单相各模块的三角载 波,其频率是正弦调制波的 倍,并且依次逐个错 开固定角度e=2n/3n。子图b、d、f分别对应单相 的3个级联的单相全桥的输出电流波形,均为三电 平波形,子图h是三个单相全桥模块产生的桥臂中 点电压波形叠加后成为一相的电压输出波形,为七 电平阶梯波,对单位正弦调制波的拟合效果更好。 设M( )=McosGo t+‰)(M 1)为调制波信 号,幅值为M;Tr(t)为三角波信号,幅值为1,角频 率为 ,相移角为钕,当正弦调制信号大于三角波 信号时,输出信号F( )为高电平;反之,输出信号F ( )为低电平,对F( )做双重Fourier变换[1,s-6]: Fr∽一 coS( ) +∑(4E)jo(mM)sin( )cos[mX( £+ )] +∑∑(m:l n=:l-1… )“ ( )sin[ ] ×cosEmX(co t+9c)+n(wmt+‰)] (1) 其中J 为 阶Bessel函数,可以看出F丁( )可以分 为三个部分:第一部分以调制波频率 相关,为基 波分量 ( );第二部分与载波频率 相关,为载波 谐波 ( );第三部分与调制波频率 和载波频率 均相关,为边带谐波F ( ), 阶Bessel函数衰减 很快,当 3时边带谐波已经达到可以忽略不计的 地步,因此对于基于CP SPWM的级联多电平逆变 器我们主要分析其输出的基波分量和载波谐波。 a模块一三角载波 b模块一输出电压 一0 02 ÷ O 03 O 04 一 0 02 0 03 亘O 04 t/s t/s c模块_二三角载波 d模块-A输出电压 一0 02 ÷ 003 O 04 一 匣 O 02 0_03 O 04 .e模块三三角载波 f模块三输出电压 , …一O 02 ÷ 0.03 O 04 一 巨婴 O 02 0.03 O 04 ,,g单位调调制波 h三模块级输出电压 . . . 一0 02 ÷ 0 03 0 04 0 02 翌函0 03 0 04 t/s t/s 图2 CPS-SPWM调制原理图 从式(1)可知如果各个单相全桥模块的直流侧 电压相等,每相由X个单相全桥级联,则载波移相等 效开关频率将提高到原来的X倍,如果将简单的 SPWM换成单极倍频SPWM还可以将等效开关频 率再提高一倍,这样将使综合起来的等效开关频率 将达到原来的2X倍,将各单元的输出叠加就得到电 平数为(2X+1)的级联逆变器总输出量[ q]。 3 直流侧不均压对CPS_SPWM调 制逆变器输出特性的影响 单相级联的X个单元模块的直流侧均压是目 前级联多电平三相逆变器的一个难点,也是电力电 子学界比较关注和重视的一个重要问题,研究采用 CPS-SPWM调制方法的逆变器单相的各个单元模 块的直流侧电压均压与否对级联逆变器的输出特 性的影响有重要意义。 设一相共有X个单相全桥级联,采用CPS- SPWM调制方式,如果每个逆变器单元直流侧均 压,则输出电平拟合正弦波如图3(a)所示,如果级 联三个单相全桥的直流侧电压稳定但是不相等,则 2011年第11期 舰船电子工程 输出波形的分析比较复杂,但是可以知道结果最好 逆变器,均采用CPS-SPWM调制,开关频率 2kHz:a组lOOV/85V/75V、b组100V/10ov/ 状态如3(b)所示,拟合图形出现了畸变。 / /\I\ 墨i l ’ 10oV,按理论分析a组中E l一75V、Ea2—10V、Ea3 图圉 \ —15V,按式(5)分析应该在2kHz、4kHz、6kHz出 现显著谐波;b组中Eb1—100V、Eb2一Eb3===0,则只 应该在6kHz处出现显著谐波,仿真结果如图4所 示,a组在2kHz、4kHz、6kHz出现载波谐波及边带 谐波,b组则只在6KHz处出现载波谐波和边带谐 图3直流侧均压与否逆变器输出电波形示意图 直流侧不均压时,第X个模块的直流侧电压 为E ,则第X个模块的输出电压为: (£)一—2MEx—cos(‰ +‰) +∑( )7c 。( Ⅵ)sin( )么 cos[ ( + )]一 +薹耋 ( ) mM n(m@ n)rC]cos + )+n(w ̄t+ )j (2) 总的级联输出电压为Fr( ),则有: 三 FT( )一 (£) (3) 设志个级联模块直流侧电压均为U 的级联输 出电压波形方程为FT( 一( ),则有: FT( )一FT( (E1)+Fr( (E2--E1)+Fr, 一一( ~(E3--E2)4-…+FT( _[Ex~E(x—1)](4) 上式中每个F ( 一(L厂,)都可以用式(1)来表 征,但是不同的U,对应级联的模块数走各不相同, 从而可以得到FT( ~( )的表达式: Fr( (【, )一 £二二 ±二_ co ( £+ ) 一+∑∑J。( Ⅵ)sin( )COS[m(x一 +1)(cu + )]+f1( )J ( )sin[ ] m =l \ mn mn×cosFm(X一 +1)( t+ )+n(w t+ )] (5) 在级联多电平逆变器直流侧电压不等时可以 得出以下结论:级联输出电压基波只与各模块直流 侧电压之和相关;若E,≠0则产生(X— +1)cU 次 载波谐波,在(X— +1) 次载波谐波附近也会产 生边带谐波E9,12]。 4 CPS—SPWM级联多电平逆变器输 出特性 两个单相由3个单相全桥链接的级联多电平 波[1。l。 O0 O0 O O0 O0 O 苫 一>一 g一0> 一一皇Il 基一 II 0摹一-●‘●。 _ll—1.j ...Il f :llll… ...1 . I._ ...IjI 1l J】 I I..:..I1.I O0 OO 0 OO 0O 0 (b) 图4直流侧均压与否逆变器输出仿真结果 同样的设置在实验台架上实验,得出输出波形 和波形分析如图5所示。 一 一 一 ,、 /、 / ^ ,、 。 : ! 一 n ^/、 ^ ^/、 r— — 一 一 —— 一 一 、 / _= 一—、n。“—— . (b) 图5 直流侧均压与否逆变器输出实验波形 图5中第一层子图为网侧电压波形,第二层为 七电平逆变器拟合正弦波的波形,最下层是逆变器 注入电网的电流,对逆变器的输出波形分析可得: 四 :墨 g对口c罩 0 一176 陶文俊:基于载波移相SPWM的级联多电平逆变器输出特性研究 总第209期 Frequency(Hz) (a)不均压情况下偕波系数.频率曲线图 著羞。。。≥。 _・4 j lI 一0—一1 :趟 表1均压与否逆变器输出THD比较 频率(kHz) 电压畸变率(THD) 0.1 0.6 14.20 19.70 19.70%23.86% 0.2 1.2 9.00 16.62 18.33 23.97 0.4 2.4 0.34 16.34 15.08 25.14 0.8 4.8 0.97 15.19 1.11%23.59 1.6 9.6 0.71 13.27 0.85%21.38 可以看出在直流侧电压稳定但彼此差距较大的 时候,采用CPS-SPWM调制方法的逆变器输出拟合 指令的能力稍有下降,但是随着开关频率的增加,最 低次载波谐波频率也随之迅速增加,直流侧不均压 对逆变器的输出效果影响也是很有限的,这可以说 明级联多电平逆变器工作在高频率(等效开关频率 4.8kHz以上)状态时,即使直流侧的电压严重不均 衡,对逆变器拟合指令的能力削弱是很有限的。 5 结语 级联多电平逆变器是高压大容量逆变器的重 要解决之道,CP SPWM是级联多电平逆变器的 重要调制手段。论文对CP SPWM的基本原理进 行了讨论,分析了直流侧不均压对CPS-SPWM调 制逆变器输出特性的影响,通过仿真和试验对基于 CP SPWM的逆变器的输出特性进行了研究,理 论推导、仿真结果、实验结果一致。采用级联多电 平逆变器拓扑的情况下运用CPS-SPWM技术,能 强力提升级联多电平逆变器等效开关频率,对直流 侧均压要求较为宽松的要求,是很好的软硬件结合 形式,堪称完美。 参考文献 Eli陈睿.配电系统级联型有源滤波器的研究ED].武汉:华 中科技大学硕士论文,2011,1 [2]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M]. 北京:高等教育出版社,2004. [3]j S Lai,F Z Peng.Multilevel converters—A new breed of power converters[J].IEEE Trans.Ind.Applicat., 1996,May/June(32):5O9~517 F4]L Tolbert,F Z Peng,T Habetler.Multilevel convert— ers for large electric drives[J].IEEE Trans Ind.Ap— plicat.,1999,Jan/Feb(35):36~44 Es]王长永,金陶涛,张仲超.基于CP sPwM技术的电流 源有源滤波器的研究[J].电力系统自动化,2000,24 (13):11~14 [6]M F Aiello,P W Hammond,M Rastogi.Modular multi-level adjustable supply with series connected ac— tive inputs。US.Patent 6 236 580。2001,5 [73 Liqiao Wang,Yushui Huang,Zhongchao Zhang,et a1. Cascade multi-level converters With sample-time-stag— gered space vector modulation.Applied Power Electron— ics Conference And Exposition,2003.APEC’03一Eigh— teenth Annual IEEE,Volume:1,9-13Feb.2003:268~ 273 [8]Yu Xiong,Dnaiinag Chen,Xin Yang,et a1.Analysis and experimentation of anew there-phase multi level current-source inverter.Power Electronics Specialists Conference 2004.PESC04.2004 IEEE 35th Annual。 Volume:1,20—25 June 2004:548 ̄551 [9]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M]. 北京:机械工业出版社,2001,3 El0]王霞,高沁翔.基于检测电源电流控制方式的并联型 有源电力滤波器的仿真研究口].电力电容器,2007,28 (5):20 ̄24 [11]何红颜.矩阵变换器空间矢量PWM策略的研究I-J]. 计算机与数字工程,2010,39(6) [12]S.R.Bowes.New sinusoidal Pulse width modulated inverter.Proc.IEEE Electric Power Applicat.,Vol— urea:122,1975,B(11):1279 ̄1285