基于CPS-SPWM控制的级联多电平变换器研究*

2019-08-19岳云涛朱心月

智能建筑电气技术 2019年3期

宋辰，岳云涛，朱心月，常昊，王成

(1. 中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044； 2. 北京建筑大学电气与信息工程学院，北京 102616)

0 引言

随着大功率高压电力电子装置的快速发展，传统的两电平变换器并不适用于中高压、大容量的场合，多电平逆变器，已发展到七电平、九电平，甚至向更多的电平数发展。基于H桥拓扑的级联多电平逆变器，因其模块化设计、拓扑结构易于扩展、转换压力低、性能优良等优点，已成为当前国内外学者广泛研究的一种多电平拓扑结构。本课题研究取消了传统级联式多电平变换器电路中的工频变压器，设计出无工频变压器级联式多电平变换器(NFT H-CML, Non-power frequency transformer H-cascaded multilevel converters)电路，可实现能量的双向流动，及基于五电平拓扑结构的载波相移控制，并且在MATLAB-simulink平台搭建仿真模型，通过改变参数多次调试，进行仿真波形和傅里叶频谱分析，找出影响其工作性能的敏感因子，给出仿真结果及结论。级联式多电平变换器主要拓扑结构图见图1。

图1 级联式多电平变换器主要拓扑结构图

1 三相七电平及三相九电平的matlab模型

本次研究在matlab/simulink平台上搭建了三相七电平带阻感负载的仿真模型，采用matlab元器件库里的集成模块作为H桥模块(其内部主要拓扑如图2所示)。该仿真模型由3个单相七电平的仿真模型采用星型结构连接而成，每相均接有RL负载，无中性线。该仿真单元包含4个部分：(1)直流电源部分；(2)H桥模块；(3)PWM波生成模块；(4)负载部分。图中3个PWM波生成模块的内部封装子系统将在下一节做详细介绍。三相的SPWM波发生模块大体都相同，只是B相的相位之后A相120°，C相滞后A相240°。负载的运行性能取决于三相线电压的质量，故将对输出线电压的波形及频谱做主要分析。

图2 H桥单元模块内部拓扑图

2 CPS-SPWM调制策略

本文所用到的调制策略是载波移相调制(简称“CPS-SPWM”)，该调制法通常应用在多单元串联变换器拓扑结构的场合，由经该调制策略输出的阶梯波的仿真波形分析可知，对于N单元串联变换器，三角载波之间的移向θc=π/N，此时可使得谐波消除效果达到最大化，且可使等效开关频率得以提高。在本次仿真中，由一个正弦调制波和多个三角载波参与调制，参与调制的多个三角载波的相位设置为：组内移相180°；组间移相360°/N。以三相七电平H桥级联型逆变器为例说明。

SPWM波生产模块内部结构主要有三个部分：(1)正弦波生成模块；(2)三角载波生成模块；(3)逻辑比较模块。每相的3个H桥单元模块共用一个正弦波发生器，其单元间三角载波相移角为60°，单元组内相移角为180°。PWM1～PWM12输出的波形分别作用在级联的3个H桥单元内部的12个功率开关器件上，实现SPWM控制。具体工作原理：该SPWM波生成模块内部共用一个正弦波发生器，且含有6个三角载波发生器。6个三角载波发生器分为三组，每4个供给一个单元H桥模块。

第一个比较器Relational Operation中，当正弦波大于三角波时输出高电平，形成信号PWM1，取反后形成信号PWM2。PWM1作用于第一个H桥模块单元左桥臂的上开关管，PWM2作用于下开关管。与此类似，经过第二个比较模块Relational Operation1后形成的信号PWM3与PWM4分别作用于第一个H桥模块单元内右桥臂的上下两个开关管。以此类推，经过同样的比较方式形成的信号PWM1～PWM12。

3 仿真结果分析

上述无工频变压器三相七电平逆变器的输出电压波形及频谱分析如图3所示。由此可见其输出电压波形达到13电平，更好地逼近正弦波，其频谱分析得出谐波畸变率THD仅为14.93%。

图3 无工频变压器三相七电平逆变器的仿真分析

在此基础上改变幅值调制率M、载波频率fc、级联单元数进行仿真，研究各个潜在因子对输出电压谐波的影响，得到仿真结果图4～14，本次仿真结果汇总见表1。

图4 五电平M=1时THD=27.24%

图5 五电平M=0.75时THD=40.34%

图6 五电平M=0.5时THD=51.96%

图7 五电平M=0.25时THD=123.31%

图8 五电平fc=1kHz时THD=27.24%

图9 五电平fc=10kHz时THD=26.91%

由表1可知：(1)当三角波载波频率fc恒定时，无工频变压器级联型多电平逆变器的输出电平数随调制因子M增加而增加。(2)在载波频率fc一定的情况下，电压波形畸变率THD随着调制度的升高而减少，由此说明，调制度是一个很关键的影响因子，输出波形电平数与其成正比，电压谐波含量与其成反比，畸变率也与其成反比。故增加H-CML的调制度，可以提高消除谐波的效果。(3)在调制度M相同的情况下，载波频率越大，其等效载波频率也越大，且满足关系式：fn=2Nf，其中N为级联单元数。(4)在适宜的调制度M下，输出线电压满足关系式L=4K+1(K为每相单元数)。