PWM控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析

1、第 18 卷第 2 期电工技术学报2003 年 4 月PWM 控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析The Modulation and Topology Analysis of PWM Controlled Hybrid InvertersQi Yue齐 悦 杨 Yang Geng耕 窦曰轩 Dou Yuexuan徐文立 ( 清华大学自动化系 Xu Wenli ( Qing hua U niversity100084)100084China)摘要 PWM 和多电平变换是在高压大功率电力电子变换中应用较多的两种技术, 本文在试验一种新型混合逆变电路的基础上, 通过分析 PWM 控制下的多

2、电平混合逆变电路调制方法, 提出了一种混合单元间电压比取值的方法, 理论上试图涵盖可能出现的混合逆变电路拓扑。关键词: 混合逆变电路多电平 PWM 方法 电压比选择中图分类号: TM 13AbstractPWM and m ultilevel conversion are tw o main technolog ies in pow er conversion field.In this paper, based on the ex periment of a new hybrid inverter, the analysis of modulation methodand topologie

3、s of PWM controlled hybrid inverters,a new m ethod is broug ht forw ard to select thevoltage ratio among different cells. ot is tried to summarize the topolog ies of hybrid multilevel invert-ers.Keywords: Hybrid inverter, multilevel PWM methods, voltage ratio selection1前言的直流电源来实现电平钳位, 因此随着输出波形电平数的增加

4、所需要的直流电源数也将增加。为了优常用的交流变频技术以脉宽调制 PWM ( Pulse化电路拓扑, 文献 2 提出了两个独立单元的直Width M odulation) 方式为主, 由于该方式固有特流钳位电源采用电压比为 1 2, 并在不同单元中使性的影响, 系统中不可避免地产生高次谐波电流、用不同功率器件的混合逆变电路; 国内也有相关文漏电流及空间电磁波等电磁干扰 EMI ( Electronic章讨论该技术及其应用 4, 5 。在此基础上, 作者研M ag netic Interference) 。随着变频装置功率及电压究了几种新型的混合逆变电路结构 6, 7 。等级的不断提高以及对 EM

5、 I 问题的日益重视, 单为了实现电路输出电压波形的连续调幅, 需要一 PWM 调制方式的弊病也在此过程中不可避免地对多电平电路进行 PWM 控制。文献 3 介绍了显现出来。在这种背景下, 多电平变换 ( M ulti-针对电压比为 1 2 的混合逆变电路 PWM 方法。但level Converter) 和软开关 ( Soft Sw itching ) 技术是尚未见到与 PWM 控制下的多电平混合逆变电路开始迅速发展。使用多电平组合的波形可以很好地有关问题的一般性讨论。事实上, PWM 控制的多降低高压时输出波形的 dv / dt , 从而降低电磁干扰。电平混合逆变电路有其特殊的控制及拓扑结

6、构约近年来, 等电压比的串级逆变电路 ( Cascade束。为了研究这些问题, 本文在试验新型混合逆变Inverter) 在多电平变换领域得到了大量应用 1 。电路的基础上, 首先提出以降低 EMI 为目的时多由于串级逆变电路的每个基本单元都要用一个独立电平混合逆变电路控制方法及拓扑结构需要满足的清华大学骨干人才支持计划 资助项目。齐悦1977 年生, 清华大学自动化系硕士研究生, 主要研究方向为控制理论与控制工程。杨耕工学博士, 清华大学自动化系教授, 研究方向为电力电子技术、运动控制、计算机应用技术等。14电工技术学报2003 年 4 月条件, 然后分析了 PWM 控制下的多电平混合逆变电

7、路脉冲调制。对于能实现一电平阶跃脉宽调制的多电平混合逆变电路拓扑, 本文通过穷举能够实现连续调幅的各种混合串级逆变电路, 提出了一种单元间电压比的选择方法, 该方法理论上试图涵盖可能出现的混合串级逆变电路拓扑。2 多电平混合逆变电路原理及试验作为对现有混合逆变电路的拓展, 我们定义了各种混合串级逆变电路如下: 设 N 为混合串级电路的基本单元个数 ( N = 1,2,) , 此时各单元间电压比为 10 11 12 1N - 1 的串级逆变电路定义为 1N 型串级逆变电路。同理,分别定义 20 2122 2N - 1 和 30 31 323N - 1 为 2N 型和 3N型混合串级逆变电路。为了

8、降低 dv / dt , 本文希望由此电路生成的波形中各电平台阶的阶跃要限定在 1Vdc。此时如果将电压比设为 1 4 或更高, 输出电平中就会出现超过 1Vdc ( 单位电平) 的跳变。表 1 为上述电路的输出电平数和单相逆变桥所需开关器件数量的比较。表 1 不同混合单元中输出电平数和使用器件数的比较T ab 1T he comparison of output voltag e levelsand devices in different hy brid cells类别1 N2N3N单元间电压比 1011 12 1N- 1 2021 222N- 1 3031 32 3N - 1最高电平数2

9、 N + 12N + 1- 13N器件数4 N4N4N在以上分析的基础上, 我们试验了 33 型混合逆变电路, 如图 1 所示。作为原理性试验, 系统使图 127 电平混合逆变电路原理图Fig 1Schematio diagram 0f 27 voltage- level hybrid inverter用 2 2kVA 的三个二次绕组变压器加全桥整流作为各单元的直流电源。使用 Intel 80C196MC 单片机控制, 开关器件统一采用 MOSFET, 使用 50 , 0 3H 的阻感负载。图 2 为该电路带负载试验输出的 27 电平电压和电流波形。输出电压有效值为 110V, 正弦波的基波频

10、率为 100Hz, 负载电流有效值 1 4A 。图 2带阻感负载电压电流波形F ig 2V oltage and current w av eform w ith R-L load3 PWM 控制下的多电平混合逆变电路调制方法以上介绍的 33 型混合逆变电路输出电压波形幅值可以进行有级调节, 为了实现电压连续调幅,需要对多电平电路进行 PWM 控制。在不考虑脉冲阶跃幅度以及d v / dt 大小的情况下, 1N 、2N 和 3N 型混合逆变电路都可以实现 PWM 控制下的连续调幅。但如果以降低 EM I 为目的, 就要限制 PWM 调制时的脉冲阶跃幅度, 从而降低 d v / dt 以降低电磁

11、干扰。本文首先提出新型多电平混合串级逆变电路的 PWM 控制方法需要满足的条件:输出波形中各电平台阶阶跃限定的 1Vdc;使用 PWM方法进行连续调幅时产生的脉冲也不超过 1Vdc。在此基础上, 可将文献 3 针对电压比为 1 2 的混合逆变电路 PWM 方法拓展到其他拓扑结构的混合逆变电路。这里以三单元电压比为 1 2 4,即 23 型的混合逆变电路为例介绍 PWM 调制方法。在此电路结构的三个单元中, 首先对电压比为 2Vdc 和 4Vdc 单元按图 3c、3d 的开关逻辑波形进行驱动, 然后将正弦参考波形图 3a 和这两个单元的驱动波形相减, 得到对 1Vdc 小单元进行 PWM 调制时

12、的参考波形如图 3b。第 18 卷第 2 期齐 悦等 PWM 控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析15图 3 23 型混合逆变电路各单元驱动波形F ig 3 T he driv ing waveforms of different cells由图 3b 可以看出, 进行 PWM 调制的小单元参考波形是在+ 1 和- 1 之间变化的, 它们和时间轴的交点时刻就是正弦参考波形和 ( + / - ) 7 电平的相交时刻。混合单元逆变电路 PWM 调制时要使用根据 X 轴对称的双三角载波进行分段调制,图 4 所示是半周期内 23 型混合逆变电路 PWM 单元使用的参考波形、载波和调制后的 PW

13、M 驱动波形。仿真试验中取载波和参考波频率比 50 1, 以便清楚地看到输出的 PWM 脉冲。得到 1Vdc 单元的 PWM 输出波形后, 将其和另两个单元的输出波形相叠加即可得到 15 电平 PWM 正弦波形, 如图 5 所示。此外从图 3 中可以看出, 由于只对 1Vdc 单元进行了 PWM 调制, 这样在选择器件时就可以在 2Vdc 和 4Vdc 单元使用开关频率较低、高耐压的 IGCT 、IEGT , 而在图 4P WM 单元使用的参考波形、载波和调制后的 PWM 驱动波形Fig 4T he reference,carrier and PW M driv ing wavefor m o

14、f the PWM cellPWM 小单元中使用低耐压、高开关频率的 IGBT 。图 5 23 型混合逆变电路产生的 15 电平 P WM 正弦波形F ig 5 15 voltage- level PW M sine w aveform4 任意混合逆变电路的单元间电压比选择方法在将 2N 型混合逆变电路 PWM 方法应用到其他多电平混合逆变电路拓扑中时, 出现了不能满足混合逆变电路调制限制条件的现象。以三单元电压比为 1 3 9, 即定义为 33 型的混合逆变电路输出正弦波形图 2 为例。在 0 到 / 2 的 1/ 4 周期内, 就有 1Vdc 2Vdc, 4Vdc 5Vdc, 7Vdc 8

15、Vdc, 10Vdc 11Vdc 四个电平间无法实现阶跃为 1Vdc的 PWM 连续调制。此时虽然可以对 3Vdc 和 1Vdc 单元同时进行 PWM 调制来实现连续调幅, 但输出正弦波形中就会出现阶跃为 2Vdc 的 PWM 脉冲波形, 这是不符合限制条件的。16电工技术学报2003 年 4 月通过研究 2N 型和 3N 型混合逆变电路的开关逻辑表 5 ( 其中 N 为混合逆变电路中的全桥单元数) , 我们发现 2N 型电路所产生的正弦波形中,任意相邻两电平台阶的生成并不都有电压为 1Vdc 的单元参与。这样的特点就决定了 2N 型混合逆变电路可以通过对电压比为 1Vdc 的小单元进行 PW

16、M 调制, 实现所有相邻电平台阶间阶跃为 1Vdc 的 PWM 脉冲波形。而 33 型混合电路所产生的正弦波形中, 半周期内 1Vdc 小单元同时参与了输出波形中 1Vdc 和 2Vdc, 4Vdc 和 5Vdc, 7Vdc和 8Vdc, 10Vdc 和 11Vdc 8 个电平的产生过程,这样在 4 对电平台阶之间出现了 跳跃 现象, 无法实现阶跃为 1Vdc 的 PWM 连续调幅。根据以上分析, 要实现 33 型 27 电平混合串级逆变电路的 PWM 连续调制, 可以专门添加一个电压比为 1 或 2 的全桥单元来补充一周期中 16 个无法进行阶跃为1Vdc 的 PWM 调幅区间, 将原电路拓

17、扑拓展成 1+ 33 或 2+ 33 型混合串级逆变电路。此时三个单元的开关逻辑顺序及 PWM 单元调制脉冲方向如表 2。表 2 1+ 33 型混合单元逆变电路 29 电平输出时各小单元输出状态分析T ab 2T he output vo ltage status of 29voltage- level 1+ 33 hybrid cell cascade inverter电平区间各单元的输出电平状态 ( 1 电平单元= 1Vdc)PWM 脉冲方向1Vdc3Vdc9Vdc1314011391213010391112- 100391011011099100100989- 1000978011- 3

18、967010- 3956- 100- 3945- 10- 1- 39340103023- 1003012011000101000000000( - 1)0( - 1)000- 13( - 14)0( - 1)- 1- 3- 9进一步穷举可以实现 1Vdc 阶跃 PWM 调制的多电平混合串级逆变电路, 可以总结出如下关系。首先设混合单元中任意多个小单元的电压比为 a1a2 a3an( 其中 a1 = 1,a2,a3,an 为正整数) ,当各电压比数字值满足如下关系式时,a 2, a3, an 可以任意取值。n- 1n - 1( an -am )amm= 1m= 1这一关系式的含义在于, 在选择混

19、合串级逆变电路中各单元间电压比时, 只要较大电压比的值和它之前所有电压比数字值的差可以由这些数字值组合出来, 这样选取的电压比值就可以保证相应的电路实现 1Vdc 电平阶跃及 1Vdc 脉冲的 PWM 调制。因为此时输出波形中所有电平台阶间都可以通过对 1Vdc 的单元进行 PWM 调制来实现连续调幅。例如根据这一关系, 可以将 23 型电路拓展为单元间电压比改为 1 2 5 ( 17 电平) 或 1 2 6 ( 19 电平) , 此时都可以实现输出正弦波形的连续调幅。图 6 所示的是在 33 型混合串级逆变电路中添加了一个 1Vdc 小单元后的 1 1 3 9 型电路各单元驱动波形。图 7

20、是该电路产生的 29 电平 PWM 正弦输出波形。同理使用 1 2 3 9 型混合逆变电路可以产生 31 电平的 PWM 输出波形。图 61+ 33 型混合逆变电路各单元驱动波形F ig 6T he driv ing wavefor ms of 1+ 3N hybrid inverter第 18 卷第 2 期齐 悦等 PWM 控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析17图 7 1+ 33 型 ( 29 电平) PW M 正弦波形 F ig 7 29 voltage- level PW M sine w aveform5 混合逆变电路中的尖脉冲问题在混合逆变电路中, 一周期内 IGBT 和

21、IGCT 同时切换开关状态的几个固定时刻, 由于 IGCT 和 IGBT 开关时间的差异, 会出现尖脉冲现象。当低电压比单元同时切换时, 由于采用 PWM 调制, 电平台阶间是 1Vdc 的窄脉冲, 此时 1Vdc 的尖脉冲对输出波形影响不是很大。但当较大电压比单元和低电压比单元同时切换时, 尖脉冲的危害就很大了。图 8 是按三角波调制的 33 型 27 电平混合串级逆变电路试验输出波形中的尖脉冲现象。影响。由于该问题是电力电子器件本身特性导致的 , 若不增设消除用的辅助电路, 尚无根本性的解决措施。利用 IGBT 的快速导通特性, 可以通过 IGBT 开通时间的方法来减弱高电压等级 IGCT

22、 所造成的尖脉冲影响。如果将尖脉冲控制在 1Vdc 之内, 在 PWM 调制时就可以将其对输出波形的影响减到最小。例如上述电压比 1 3 9 的混合逆变电路, 对一周期内出现的四次 4Vdc 尖脉冲, 可以根据开关器件的开关时间差值设置时间, 适当延迟导通电压比为 3 的 IGCT 单元和电压比为 1 的 IGBT 单元。尽量减少尖脉冲的时间和幅度, 如图 9 所示是经过设置导通时间处理后的尖脉冲现象。同理可以针对2N 或 3N 电路设计相应的减小尖脉冲的开关逻辑。图 8 27 电平混合逆变电路在使用不同开关器件时的尖脉冲现象Fig 8T he spur pulse of 27 voltage

23、- levelhybrid mult ilevel inver ter由图 8 可以看出, 在一周期内电压比为 9 的单元通断的四个时刻, 波形中出现了 4Vdc 的尖脉冲, 此时尖脉冲会对输出波形的谐波频谱产生很大图 9延迟处理后的尖脉冲Fig 9T he spur pulse after delay modification6 结论本文在试验新型混合逆变电路的基础上, 首先提出了实现 PWM 控制下的多电平混合逆变电路连续调制的两个条件: 混合串级逆变电路生成的波形中, 各电平台阶阶跃限定在 1Vdc; 相应的 PWM 方法也要求产生的脉冲不超过 1Vdc。在此基础上, 本文分析了多电平混

24、合逆变电路的PWM ( 下转第 26 页)26电工技术学报2003 年 4 月者继电器算法设计不完善, 就可能把不同性质的波头相混淆, 造成逻辑错误, 所以在检验行波保护性能时必须考虑近距离故障的情况。仿真表明在距离母线 1km 的近距离故障下波阻抗继电器可以正确判定故障方向。再近的距离就需要通过适当提高行波采样率的方法加以解决。选择母线上连接有两回进出线的情况 ( 母线结构为一进一出) 时, 波阻抗方向继电器 4 会遇到困难。但是, 本文所提完善的波阻抗方向继电器可以有效解决这个问题。5 总结本文引入了行波波头的极性信息, 提出了完善的波阻抗方向继电器新原理和算法, 通过详尽的理论分析和仿真

25、试验, 阐明了这种新型方向继电器在各种故障条件下的性能特点。总结起来, 可以得到如下波阻抗方向继电器的特点:( 1) 原理清晰, 构造简单, 超高速动作, 不反映系统振荡和负荷状况;( 2) 与故障类型、过渡电阻大小无关, 故障初相角对于方向元件正确动作影响较小;( 3) 在近距离故障下具有比较好的动作性能;( 4) 与母线结构无关。目前该保护装置已经完成软硬件设计和初步调试。初步的调试结果表明波阻抗继电器具有优异的性能。但也需要指出: 为了使该继电器实用化, 还需要具有良好的电压行波传变性能的互感器 ( 比如光电压互感器) , 因为普通的 CVT ( 电容分压式电压互感器) 不能传变高频暂态

26、电压行波。参考文献1 贺家李, 葛耀中. 超高压输电线路故障分析与继电保护. 北京 科学出版社, 19872 葛耀中, 新型继电保护与故障测距的原理与技术. 西安:西安交通大学出版社, 19963 董新洲, 葛耀中, 贺家李. 输电线路行波保护的现状与展望.电力系统自动化, 2000, 24 ( 10) 56 614 董新洲, 葛耀中, 贺家李. 波阻抗方向继电器的基本原理.电力系统自动化, 2001, 25 ( 9) 15 185 董新洲, 葛耀中, 贺家李. 波阻抗方向继电器的算法研究. 电力系统自动化,2001,25 ( 10)14 176 Chamia M , Liberman S.U

27、 ltra high speed relay for EHV/U HVtransmission lines-dev elo pment,desig n and applica-tion.I EEE T rans. o nPow erA pparatus and Systems,1978,97 ( 6) 2104 21167 杨钟皓. 新型行波方向高频保护的研究 硕士学位论文 . 清华大学电机工程系, 20018 董新洲, 葛耀中, 徐丙垠. 输电线路暂态电流行波的故障特征及其小波分析. 电工技术学报, 1999, 14 ( 1)59 629 董新洲, 刘建政, 余学文. 输电线路暂态电压行波的故障特征及其小波分析. 电工技术学报,