李 樂

(蘇州大學(xué),蘇州,215000)

0 引言

在電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今，新能源技術(shù)得到了越來越受到人們的重視。逆變技術(shù)，是指將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能并與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。逆變器作為大功率變頻器的重要電器元件，其技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。但逆變器的新技術(shù)仍存在著不足之處，如開關(guān)管耐壓能力不足，損耗較大，工作效率低，脈沖頻率低，諧波含量大等問題 。

高壓逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為三種：二極管箝位式（Diode-Clamped）、電容箝位式（Capacitor-Clamped）、H 橋級(jí)聯(lián)式（Cascaded H-bridge，CHB） 。由于H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)諧波失真和dv/dt 都很低，可以不用功率器件串聯(lián)，保證工作電壓數(shù)值，再加之其模塊的結(jié)構(gòu)成本較低，因此，H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高電壓大功率逆變器中的應(yīng)用極為廣泛。

本文介紹了7 電平H 橋級(jí)鏈接高壓逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及梯形電壓調(diào)制技術(shù)，通過非線性方程組的同倫計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果進(jìn)行比較。最終通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在消除諧波，提高功率等方面的優(yōu)勢(shì)。

1 H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 H 橋逆變器

H 橋逆變器也叫做CHB 逆變器，如圖1 此種結(jié)構(gòu)采用的是單

圖1 H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（7 電平）

個(gè)的H 橋單元，通過級(jí)聯(lián)串聯(lián)的連接形式，這種連接方式，有利于產(chǎn)生很高的工作電壓和很低的諧波失真。由于每個(gè)H 橋都具有一個(gè)獨(dú)立的電源供電，所以這種連接方式在一定程度上克服了均壓的問題，各個(gè)電源也因其獨(dú)立性，不會(huì)相互影響。在電源的選擇中可以采用二級(jí)管整流的方式來取得各個(gè)級(jí)之間的獨(dú)立電源。在電平數(shù)的計(jì)算中可得：

（A 是指CHB 逆變器每相H 橋的單元數(shù)）。

在對(duì)圖1 的分析中可知，系統(tǒng)的諧波要求和工作電壓決定了CHB 電平逆變器電平數(shù)。在電力電子應(yīng)用中電平數(shù)為7、9 和11CHB 電平逆變器得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。

1.2 載波階梯式調(diào)制

基于載波調(diào)制的CHB 逆變器的PWM 調(diào)制方式有相位移位調(diào)制、電壓移位調(diào)制和階梯調(diào)制三種調(diào)制方式。通過使用SHE 技術(shù)，開關(guān)損耗比較低，在基波頻率下工作的調(diào)制方式稱為階梯調(diào)制。階梯調(diào)制方式是用來消除5 次和7 次諧波的重要方法，同時(shí)也用于調(diào)節(jié)基波幅值。此種調(diào)制方法目前應(yīng)用較為廣泛，特別是在CHB 逆變器上的應(yīng)用其優(yōu)勢(shì)較為顯著，在工業(yè)設(shè)計(jì)中這種調(diào)制方式也經(jīng)常用來設(shè)置多個(gè)開關(guān)的角度，消除諧波。

2 利用傅里葉級(jí)數(shù)建立非線性方程組及求解過程

用向量形式表示可得最終求解的非線性超越方程組：

3 同倫算法模型的構(gòu)造及其映射函數(shù)的求解方法

根據(jù)同倫計(jì)算的基本原理，由公式（3）可得出超越方程組：

在取易解方程組不同的時(shí)候則，得到的同倫映射也不同。因此通兩邊對(duì)t 求導(dǎo)，整理可得：

對(duì)上述方程也可求出它的精確解，即先用四階龍格-庫塔法求得近似解，再利用牛頓迭代法，求精確解。

4 利用同倫算法求解梯形調(diào)制

根據(jù)上面同倫運(yùn)算公式（5）可得同倫方程如下：

圖2 相電壓和線電壓的仿真頻譜分析圖

5 同倫算法對(duì)階梯調(diào)制的仿真實(shí)驗(yàn)

本文通過PSIM 6.0 電力電子仿真實(shí)驗(yàn)軟件，運(yùn)用SHE-PWM的控制方法，對(duì)7 電平H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。旨在驗(yàn)證同倫算法的結(jié)果在階梯調(diào)制諧波消除的作用與效果是否與推理一致。如圖2，通過仿真實(shí)驗(yàn)，輸出工頻（50Hz）相電壓和線電壓的諧波頻譜分析，在時(shí)，相電壓和線電壓的5 次、7 次諧波均已被消除，但是3 的倍數(shù)次諧波還存在，而線電壓的3 的倍數(shù)次諧波被消除。由此可以看出由同倫算法的與預(yù)期的消諧次數(shù)與前面的出的計(jì)算結(jié)果是一致的。

6 結(jié)論

（1）在對(duì)多電平H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器的運(yùn)算中，同倫算法與單純用牛頓迭代算法進(jìn)行迭代相比具有的收斂速度較高，同時(shí)收斂范圍大。此結(jié)論在運(yùn)算推理后，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到充分有效的證明。因此可推斷，在今后的研究中同倫計(jì)算將成為較為先進(jìn)的算法。

（2）利用多電平H 橋級(jí)聯(lián)式逆變器，可以有效地降低電壓的諧波失真，通過仿真驗(yàn)證可以降低線電壓的dv/dt，這一結(jié)果表明通過此方法，不但有效減小諧波對(duì)電機(jī)絕緣的損害，電壓的波形也由于去諧的作用接近理想正弦波。

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