孫長(zhǎng)冬 黃松清 劉緒良 謝玉干 龍佼佼

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

1 引言

近年來(lái)，多電平結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于高壓大功率等場(chǎng)合，主要是多電平逆變器由于其電平數(shù)多、開(kāi)關(guān)頻率低、輸出諧波小等特點(diǎn)，因此越來(lái)越受到重視，并得到迅速發(fā)展。到目前為止，各國(guó)學(xué)者提出了大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，歸納起來(lái)主要有三種：二極管鉗位型、飛躍電容型多電平逆變器、級(jí)聯(lián)型。

傳統(tǒng)的逆變器由于輸出的PWM脈沖波電平數(shù)很少，因此存在很高的電壓變化率和共模電壓，而且波形諧波含量較大，使得輸出濾波器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。為了解決這些問(wèn)題，發(fā)展了各種多電平逆變器電路。所謂多電平逆變器，就是采用多個(gè)直流電源和電力電子器件經(jīng)過(guò)特定的拓?fù)渥儞Q，控制不同的直流電源輸出，將其組合成不同幅值的多電平交流輸出的功率變換裝置。這種逆變器在高壓大容量電力電子系統(tǒng)中發(fā)展迅速，成為電力電子領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。自1980年日本學(xué)者A.Nabse提出三電平中點(diǎn)鉗位式逆變電路以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已形成鉗位型和級(jí)聯(lián)型兩大類(lèi)多種樣式的多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。豐富了多電平逆變電路的拓?fù)湫问健?/p>

本文結(jié)合傳統(tǒng)兩電平逆變器和嵌位多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，既采用了兩電平電路結(jié)構(gòu)，也吸取三電平鉗位的優(yōu)點(diǎn)，以及當(dāng)今非對(duì)稱電路拓?fù)涞难芯康奶匦?，提出本文所研究的七電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)分析了電路的工作原理，通過(guò)Matlab對(duì)其仿真，用簡(jiǎn)單的硬件電路驗(yàn)證了分析和仿真的正確。此電路和三電平逆變器的單相所用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量相當(dāng)，鉗位二極管減少，但是電平數(shù)增加到七電平。

2 電路拓?fù)?/h2>

圖1給出了單相7電平逆變器的電路拓?fù)浜?電平電路拓?fù)洌?電平電路也正是在5電平電路的基礎(chǔ)之上，5電平工作過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]，結(jié)合鉗位3電平逆變器，才產(chǎn)生的本文的研究電路拓?fù)?，增?個(gè)開(kāi)關(guān)管，電平數(shù)也增加2個(gè)，控制方法大致相同。本文主要是對(duì)7電平逆變器進(jìn)行分析和研究，左邊的7電平電路拓?fù)涞那斑?Q3，Q4組成的橋是傳統(tǒng)的2電平單相橋，后邊的 Q5，Q6，Q7，Q8橋是鉗位3電平的單向橋，用 Q1，Q2對(duì)電源進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)此拓?fù)溥M(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，產(chǎn)生期望的7電平。主要是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，讓電源疊加，產(chǎn)生7電平。7電平僅僅是將后板橋換成了鉗位3電平的形式，可以再換成鉗位5電平，可以產(chǎn)生11電平。依次類(lèi)推可知，如果換成鉗位七電平逆變器的半橋可以產(chǎn)生15電平。同樣如果換成理想的鉗位N電平逆變器，可以產(chǎn)生（2N+1）個(gè)電平。電平數(shù)越高，需要的獨(dú)立電源也越多，控制也會(huì)變的更加復(fù)雜。

圖1 5電平逆變器電路拓?fù)浜透倪M(jìn)的7電平電路拓?fù)?/p>

3 拓?fù)涞墓ぷ髟?/h2>

5電平逆變器的工作原理在此就不再分析，重點(diǎn)分析7電平逆變器的工作原理，圖1有7種工作形式，本文主要對(duì)下面這7種工作狀態(tài)進(jìn)行了分析和研究。

（1）第1種工作狀態(tài)，令Q3和Q6導(dǎo)通，其余的開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。電流從電源V2的正極開(kāi)始，通過(guò)Q2的反并聯(lián)二極管，以及Q3和Q6，還有嵌位二極管D2形成電流回路，最后流回電源V2的負(fù)極。輸出電壓為+V2。

（2）第2種工作狀態(tài)，在Q3和Q6導(dǎo)通的基礎(chǔ)上，再令Q8導(dǎo)通，從電源V2的正極開(kāi)始，通過(guò)這三個(gè)開(kāi)關(guān)管，流回V3的負(fù)極，逆變器輸出電壓為+(V2+V3)。

（3）第3種工作狀態(tài)，在以上開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的基礎(chǔ)之上，再打開(kāi)Q1，電流從電源V1的正極開(kāi)始通過(guò)Q1，Q3，Q6，Q8流回電源V3的負(fù)極，逆變器輸出電壓為+(V1+V2+V3)。

（4）第4種工作狀態(tài)，令Q2導(dǎo)通，其余的開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉，電流通過(guò)Q2，然后通過(guò)Q4，Q5，Q6的反并聯(lián)二極管，形成續(xù)流回路，此時(shí)輸出電壓為0，還有其他的0導(dǎo)通狀態(tài)，此處不再分析。

（5）第5種工作狀態(tài)，令Q4，Q5導(dǎo)通，其它開(kāi)關(guān)都關(guān)閉，電流從V3的正極開(kāi)始，通過(guò)鉗位二極管D1，以及Q4，Q5，最后流回V3的負(fù)極。逆變器輸出電壓為-V3。

（6）第6種工作狀態(tài)，在第5種工作狀態(tài)的基礎(chǔ)之上，再令Q7導(dǎo)通，電流從V2正極開(kāi)始，經(jīng)過(guò)Q2的反并聯(lián)二極管，再通過(guò)Q4，Q5，Q7流回電源V3的負(fù)極，逆變器輸出電壓為-(V2+V3)。

（7）第7種工作狀態(tài)，令Q1，Q4，Q5，Q7導(dǎo)通，其余都關(guān)閉，電流從電源V1的正極流出，通過(guò)Q1，Q4，Q5，Q7后，流回 V3的負(fù)極，逆變器輸出的電壓為-(V1+V2+V3)。

（8）第8種工作狀態(tài)，令Q2導(dǎo)通，其余開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉，形成電流的續(xù)流回路，逆變器輸出的電壓為0。

4 電路拓?fù)涞目刂圃?/h2>

一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，必須采用合適的調(diào)制方法，才能得到期望的輸出，不同主電路結(jié)構(gòu)的逆變器都對(duì)應(yīng)有一定的調(diào)制方法。本文采用SHEPWM，作為該拓?fù)涞恼{(diào)制方式。該方式的思想是通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分析，得出特定開(kāi)關(guān)角下的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，然后令某些特定的低次諧波為零，從而得到一個(gè)反映N個(gè)開(kāi)關(guān)角的N個(gè)非線性獨(dú)立方程，按求解的開(kāi)關(guān)角進(jìn)行控制，必定不含這些次數(shù)的諧波。通常這種方法著眼于低次諧波和低頻次非3倍次諧波。假設(shè)V1= V2= V3=E，圖2明顯滿足狄利克雷充分條件，又屬于1/4周期對(duì)稱的波形，所以傅里葉級(jí)數(shù)不存在余弦項(xiàng)和偶數(shù)諧波。于是可得

式中，uab是期望輸出的相電壓波形。

將式（1）展開(kāi)，并解此積分，可得

圖2 逆變器輸出電壓波形

令u=(-1)i+1cosnai為調(diào)制比，其值的大小決定了直流電壓利用率的大小。由式（2）可列出非線性方程為

根據(jù)式（3），并利用牛頓迭代法，即可解出a1、a2、a3的值，從而實(shí)現(xiàn)電路的SHEPEM控制?，F(xiàn)利用Matlab7.1中的相關(guān)數(shù)學(xué)工具，解出了不同調(diào)制比下a1、a2、a3的值。算出角度后，用一個(gè)常量代替角度值，與固定周期的正弦波相交，就可以產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形。

5 仿真結(jié)果

圖3是通過(guò)Matlab6.5建立的系統(tǒng)仿真模型，a為5電平逆變器的仿真模型，b為7電平逆變器的仿真模型，每個(gè)直流電源的電壓為100V，5電平逆變器的最大直流電壓為400V而7電平逆變器的直流最大電壓為300V，設(shè)置頻率為50Hz，仿真結(jié)果如圖4。取了前0.1s的輸出波形。拓?fù)潆娐返尿?qū)動(dòng)的搭建比較復(fù)雜，基本原理就是用正弦波和計(jì)算出來(lái)的具體角度值的差值，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。從輸出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，7電平逆變器的波形更加近似正弦波。能夠按照預(yù)期的控制方法輸出波形。

圖3

圖4 逆變器輸出電壓波形

6 結(jié)論

改電路是對(duì)原有的五電平逆變器電路拓?fù)涞母倪M(jìn)，控制思路簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的電平數(shù)高，通過(guò)了軟件仿真設(shè)計(jì)和單相電路的研究，三相電路的控制還在進(jìn)一步的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種電路能夠在控制合理的條件下正常工作，且輸出穩(wěn)定。應(yīng)用于大功率場(chǎng)合更能體現(xiàn)多電平的好處。

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