一种新颖的电流型三相五电平变流器拓扑的控制策略

一种新颖的电流型三相五电平变流器拓扑的控制策略研究摘要：目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器。随着超导储能技术的发展，电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决，电流型多电平逆变器也将得到广泛应用。详细介绍了一种新型电流型三相直接式五电平拓扑，研究了该拓扑的控制策略。给出了仿真和实验波形，仿真结果和实验波形验证了文中所做的分析关键字：电流型多电平拓扑控制策略0引言现有的关于多电平变流器的研究工作主要是针对电压型变流器[2](VoltageSourceInverter，简称VSI)，对电流型变流器[1]（CurrentSourceInverter，简称CSI）研究还较少。这不仅是因为通常的电力能源例如发电机，电网，电池等均属电压源，而且VSI中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比，储能效率和储能元件的体积、价格都具有明显的优势。但是，随着超导技术的发展[3]，将解决电流型变流器中电感的储能效率问题。和VSI相比，CSI也具有自己的特点，它便于实现四象限运行，而且工作更加稳定，输出电流更加容易控制等。因此，在有源滤波（APF）、无功补偿（SVG）以及电力系统中，应用将会越来越广泛。对于多电平逆变器而言，PWM技术无疑是一种获取理想输出的方案。总体上来讲，适用于多电平VSI的控制策略同样适用于多电平CSI，但对于不同的拓扑应采用相适应的控制策略。对于组合式多电平CSI，各个单元CSI在控制上相对独立，因而便于采用PWM技术。对于直接式多电平CSI，不能简单沿袭常规的调制方法，通常，三相多电平CSI在选取控制策略时必须考虑以下因素：1）要维持直流侧电流的持续导通；2）要保证分流电感的电流平衡；3）要考虑到三相电流的相互耦合影响。1电路拓扑分析图1是本文介绍的三相五电平CSI拓扑（以下称为直接式三相五电平），每个开关器件由MOS管和一个快恢复二极管串联。在稳态时，考虑到电路拓扑的对称性并忽略电感的纹波，则在分析电路时图中可用值为I/2的电流源来代替每个均流电感。如图2所示，它的输出电平为－I，－I/2，0，I/2，I五电平。图1三相直接式五电平CSI拓扑图2三相直接式五电平CSI等效电路本文中的CSI，从形式上看是两个普通逆变器并联于同一电流母线两端，但其工作原理是利用多电平组合的思想，五电平拓扑利用4个均流电感对逆变器的输入电流、输出电流均分成两等份，然后再用相应的开关对三相电流进行合理的分配、组合得到所需的五电平。以A相为例，输出电平和开关导通示意如表1所列。表1A相输出电流示意醋i沫A债傻开状态（闭合铜为啊1誉，断开映为脉0禾）墓育S忆A1奉贩S时A2龄瞧S垃A3析博S旁A4乘流I羊蚂1扛1快0国0芒I械/2送1沫0澡0包0馆0毯1瞎0踩0起0拔0优0仔0拉0谊－医I斤/2些0贵0返0渔1码0叮0核1狡0堤－准I蹄纤0氧0胁1关12三相直接式五电平CSI的调制方式研究常用的多电平变流器的PWM控制方法有：多电平消谐波PWM（SHPWM），载波相移(CPS－SPWM)，开关频率优化（SFO－PWM），空间矢量调制（SVPWM）。本文对图1所示的三相新型五电平CSI的调制方式是一种组合逻辑的PWM技术，用三相互差120°的正弦波调制信号和一个三角载波比较（正弦波的幅值为5V，三角波幅值为2.5V），再通过数字和模拟电路的组合输出相应的PWM波。图3为采用的实现PWM技术的数字化方案。所有的比较器单元（决定着开关逻辑）接收三相正弦波调制信号，每一个正弦波对应一片EPROM和D/A转换器，每一个EPROM均由不同的计数器来寻址，且通过锁相环与对应相的电源同步。幅值控制信号为Vmod，它与包含着正弦调制信号的EPROM的输出经过D/A转换后相乘，然后作为每个比较模块单元的调制信号。图3数字化PWM方案对于电流型逆变电路，开关动作须满足三个条件，即维持直流侧的持续导通；考虑三相电流相互耦合的影响；均流电感上平均电压应为零。基于以上考虑，本文采取了以下的PWM控制策略。1）以A相为例，如图4（a）所示，由SINA、－SINA与同一个三角载波比较分别得到一个二电平的脉冲信号，两个信号叠加得到一个三电平的脉冲信号PA。（同理，可得信号PB，PC）。三电平的脉冲信号PA和PB相叠加得到五电平的一组调制信号PA－PB，如图4（b）所示，同理可得PB－PC，PC－PA。（a）A相解耦控制电路（b）控制信号PA－PB脂图网4纸触三电平的一组乳调制信号的生淡成（驶以剪A食相为例嚷）坦孙察菌练2瓜）考虑到上述销的电流电平组沉合条件，惨取注P友A1厉（页P跳A1晋，铁P姥A2职，氏P飘A3资，墓P购A4浇分别代表开丑关给S吸A1型，留S穷A2棋，节S涝A3报，客S础A4透上的控制信号晌）为正半周大屋于零的电平信挂号顷，悄P幕A2于为正半周大于报I突/谢2正的电平信号，谢同理华，贼PA锋3颤为负半周小于谢零的电平信号译，摘P厦A4姻为负半周小于宏－糕I洪/肉2撞的信号。通过氧模拟开关泻使告P笔A1膨、翠P刷A2插以伏及复P斤A3暑、滴P揪A4肉均匀地交替输另出，这样，每到个开关管上的宣驱动信号皆为捧宽窄脉宽交替翅，保证了若干恭周期内左右两滨个桥臂导通时安间一致，从而抱能更好地实现彻均流电感平均观电压为零，如罚图义5念（婶b爪）所示为同一哗桥臂的三个开此关的驱动信号毙。三（席a械）消除直流无炭通路逻辑电忘路酿泄（洁b纽）同一桥臂支的稳3农个开关控制信厉号刮什图耽5们冤消除直流无通勺路逻辑电路与口同一桥乏臂想3胁个开关控制信府号女渡疑锋她3佛）在本实验中症，主电路每个带桥臂都不能存狡在直流无通路轻的情况。为了闪消除直流无通台路的状态，以肉一个桥臂为例榆，采用如握图池5煮（浮a签）的逻辑控制透，对一个桥臂懒上辅的污3辣个开关信畜号捕“悬或注非龟”惊后取得该桥臂握均不导通的信析号，此信号与配其所在相信填号蝴“争与业”坚后，再与该路窄的信扩号颈“捞或看”兆，得到各路开原关管上的控制牧信号。这样能臣很好地保证主订电路每个桥臂留都不存在直流厕无通路的情况突。使悦鸽绝3齿扭直接式三相五厉电辉平眠CS悬I燥仿真和实歼验圈览山连3.1吓样仿真参数和结雄果避蜓狸润像为验证这种控寻制策略的正确摧性，本文对新茧拓扑构成的三吼相五电险平究CS尝I亮进行了仿真研恼究。仿真参数值如下：电流源驻电流为升20A构，每个均流电设感扎为秒100m酬H衔，逆变器的输峡出工作频率拾为饰50H夏z狠，负载电阻费为发8糖Ω订，负载为星型次连接无中性线般，输出滤波器淹由燥LC虎组合而下成慌(物L城=5m搁H舒，来C忍=6杨0眨μ雪F令)单。腾琴唱训纤图例6(a磁)膛所示为三相五俭电多平定CS这I蝶的输迹出腊PW辈M叶电流波形。永图档6(b填)惹为滤波后的三看相负载电流波醉形，可见滤波以后的电流波形姿非常接近正弦谣波。位（登a旱）输膝出融PW王M蜡电鼓流裂叙（底b蚊）滤波后的负冬载电楼流姑毒图参6少恶仿真波形叉竿肌3.2补中实验参数结竖果掩跳馋奋剥在前面分析讨数论的基础上，势对三相直接式兽五电感平丘CS凭I糟拓扑进行了实族验验证。实验叫的主电路如仅图榆1忠所示，参数如项下：每个均流信电感堵为想100m第H文，输出电流的阔频率叔为惠50H勾z秧，负载电阻绕为斧8复Ω此，输出滤波电冬容矛为质6讨0膜μ捕F饱，滤波电感证为犬8m剧H期，载波比枕为杰3堂2酒。实验测得输竭入电流约为茶4A纯，熄图致7劈（亏a换）为滤波前的梨三相负载电流懒波形，密图聚7幻（守b虎）为滤波后的治波形，可以看效出，输出波形姑非常接近正弦铲波萝。服独（虎a碰）滤波前三相键负载波割形悼姨（主b善）滤波后三相慎负载波柱形板度图河7趋尼实验波形径（究10V/di幻v击，运5ms/di暴v晴，电流波形是轮在电阻负载上剩取电压波形巴）汽庄工与4圣乒结沉语奥扣捏河理直接记式