T型三电平逆变器在不间断电源中的实现

2020-01-03郭项东胡为兵史博凯

武汉工程大学学报 2019年6期

郭项东，胡为兵，史博凯

武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 43205

随着信息技术的不断发展和计算机的日益普及，高新技术产品对供电质量提出了越来越严格的要求。数据通信处理系统、航空航天管理系统、医用控制系统等，均要求交流电网对其提供稳频、稳压、不间断、无浪涌和无尖峰干扰的优质交流电［1-3］。为了提供符合要求的优质电源，不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）设备应运而生。近些年来UPS得到了迅速发展，在军工、电力、航天和现代化办公等领域已成为必不可少的电源设备。

现在各种结构的UPS都是由后备式UPS和在线式UPS衍生而来。逆变器是UPS中至关重要的部分，尤其是对于在线式UPS，逆变器一直处于工作状态，其性能的好坏直接关系到供电的可靠程度。相对于传统UPS高频机中普遍采用了两电平拓扑结构的逆变器，T型三电平拓扑的逆变器具有以下优势：①降低开关管的耐压、减小开关损耗，提升系统效率；②降低了滤波电感的损耗［4-8］；③降低了UPS输出电压总谐波失真（total harmonic distortion，THD）的值。T型三电平逆变器由于其拓扑结构和开关频率的特点，更多应用在中小功率、开关频率在20 kHz以内的设备中［9-11］。

目前三电平逆变器的研究工作主要集中在三相系统中，而对单相三电平逆变器的研究较少［12-13］，但是单相三平逆变器也有其设计的特殊性；尤其是要考虑UPS运行在复杂工作环境下对T型三电平逆变器的硬件设计中器件选型的要求。本文以单相T型三电平逆变器为研究对象，阐述了其工作原理，结合其在UPS的具体应用环境，进行了数学建模、硬件设计；并通过仿真和样机实验验证了T型三电平逆变器在单相UPS中实现的可行性、准确性、可靠性。

1 T三电平工作原理及SPWM调制方法

1.1 T三电平的基本工作原理

2007年Conergy公司提出由4个开关管组成的T型三电平逆变器［11］。T型三电平逆变器拓扑如图1中逆变器所示。T型三电平逆变器可以输出正、零、负三种电平；T型三电平拓扑中开关管的开关情况较多，但是要实现三电平必须满足以下条件：①开关管T1、T4不能同时导通，②开关管T1、T3互补导通，③开关管T2、T4互补导通；开关管的开关状态与A点输出电压、电流流向的关系如表1所示。

图1 T型三电平逆变器原理图Fig.1 Schematic diagram of T-type three-level inverter

表1 各种开关状态与输出工作电平、电流流向的关系Tab.1 Relationship between switching status，output level and current direction

1.2 SPWM调制方法

采用同相正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）方法，同相三角载波 1、载波2、分别位于纵轴的正负半轴，正弦调制波和两个三角载波比较得到脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）的驱动信号；如图 2（a）部分所示。同相载波调制原理如下：正弦调制波与三角载波1比较，当正弦调制波的幅值大于三角载波1的幅值时，得到驱动信号PWM1为高电平、驱动信号PWM3为零电平，反之驱动信号PWM1为零电平、驱动信号PWM3为高电平；将得到驱动信号PWM1、驱动信号PWM3作为开关管 T1、T3的驱动波形。同理，正弦调制波与三角载波2比较，当正弦调制波的幅值大于三角载波2的幅值时，得到信号驱动信号PWM2为高电平、驱动信号PWM4为零电平，反之驱动信号PWM2为零电平、驱动信号PWM4为高电平；将得到驱动信号PWM2、驱动信号PWM4作为开关管T2、T4的驱动波形。通过改变调制波和载波的频率，可以控制单位周期内驱动信号PWM波的脉冲个数，进而提高脉冲信号输出精度［14］。

图2 SPWM调制图：（a）方法图，（b）示意图Fig.2 Diagrams of SPWM：（a）method diagram，（b）schematic diagram

2 逆变器的功率器件计算与选型

UPS中的T型三电平逆变器需要工作在阻型负载、整流（resistive capacitance diode，RCD）负载、瞬间切换负载等复杂的工作状况下；因此对硬件设计上提出了更高的要求。为了有效地降低输出电压THD的值，在实际工程应用中除了逆变器之外，还需要加上LC滤波电路，如图1中滤波电路所示。

2.1 功率管选型

设计额定功率为6 kW的样机，正负母线电压为±360 V，额定输出的电压有效值为220 V，则额定输出的电流有效值为27.3 A。T1、T4开关管承受720 V的正负母线电压，T2、T3开关管承受360 V的单边母线电压；因为考虑到UPS会瞬间切换RCD负载的工作状况下进行实验，所以开关管电压应力的裕量值不得低于额定值的20%。在T型三电平逆变器运行时，T1、T4开关管的电压峰值有可能会达到900 V左右，T2、T3开关管的电压峰值有可能会达到450 V左右。除此之外还要考虑到开关管的开关频率不低于20 kHz的原因，因此开关管T1、T4选择1200 V、40 A的绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT），开关管T2、T3选择600 V、50 A的IGBT。

2.2 LC滤波电路器件参数计算

在功率开关的占空比D=0.5时，电感的纹波电流最大，此时电感的纹波电流Δi=24.5 A，开关频率fsw=20 kHz，单边母线电压UBUS=360 V，由电感计算公式（1）可得L=1.8×10-4H，电感选取为最大直流偏置时电感量的1～2倍，选择的电感值为3×10-4H。

输出滤波电容的电流为额定输出电流的20%～30%。截止频率低于载波频率（fsw=20 kHz）的1/10以下，高于基波频率（f=50 Hz）的10倍以上。由电容计算公式（2）、（3）可得C1=21 μF，C2=310 μF，由 C1＜C＜C2，选择电容的值为 25 μF。LC滤波电路中并联电阻阻值为55 kΩ，直流继电器RLY的参数是直流24 V、交流250 V。

3 控制建模

根据T型三电平逆变器的工程图，由基尔霍夫定律可得下列方程：

公式（4）中R是滤波电感L的等效电阻。联立式（4）～式（7），进行拉普拉斯变换可得逆变器的传递函数（8）式：

SPWM调制时A点输出电压可以表示为：

考虑到A点输出为交流电，其值为或-，则A点输出电压取；s=|1|；Ui输出，s=0、Ui输出0。由于开关函数s的存在，Ui为阶跃函数；对公式（9）求开关周期平均得［15］：

s的开关周期平均值为：

由图2（b）可得：

公式（12）中U1是参考正弦信号，UH为三角载波的幅值。将公式（11）、（12）带入公式（10），可得调制器的传递函数为：

进而可得调制器至逆变器的传递函数为：

逆变器系统传递函数结构框图如图3所示。

图3 系统传递函数结构框图Fig.3 Structure diagram of system transfer function

4 实验结果

通过T型三电平逆变器运行在空载、阻型满载、RCD负载的工作状况下，得出了仿真波形和实物波形，充分的验证了T型三电平逆变器在UPS中实现的可行性、器件选择的可靠性、输出的稳定性。图4是基于T型三电平逆变技术的单相UPS实物样机。在MATLAB/SIMULINK仿真中开关管IGBT的开、关的驱动电压分别为1、0 V，开关频率为20 kHz；而实际中因开关管IGBT中有寄生电容的存在，所以开关管IGBT开、关的驱动电压分别为14 V左右、-8 V左右；图5为开关管的驱动电压的仿真波形与实物波形。

图4 样机Fig.4 Prototype

图5 开关管驱动波形：（a）仿真波形，（b）实物波形Fig.5 Waveforms of switching pulses：（a）from simulation，（b）from experimental setup

在空载情况下，未加入LC滤波电路的T型三电平逆变器输出电压PWM的仿真波形和实物波形如图6所示；加入LC滤波电路后的输出电压仿真波形和实物波形如图7分所示。图中输出的电压PWM最大值为416 V，电压有效值为360 V，频率为50 Hz；滤波后输出电压有效为220 V，充分证明了T型三电平输出的可靠性。

图6 电压PWM波形图：（a）仿真波形，（b）实物波形Fig.6 Waveforms of voltage PWM：（a）from simulation，（b）from experimental setup

图7 空载下输出电压波形：（a）仿真波形，（b）实物波形Fig.7 Voltage waveforms under empty load：（a）from simulation，（b）from experimental setup

在阻性满载（6 kW）的情况下，逆变器工作仿真波形如图8（a）部分所示，电压有效值220 V、电流有效值27.3 A。实物波形如图8（b）部分所示，电压有效值221.8 V，因样机自身功率的消耗，则实际输出电流有效值为26.9 A；实际功率和仿真功率误差不超过2%。从仿真图9可以看出未加LC滤波电路的T型三平逆变器输出电压THD=67.87%，而加入LC滤波电路后其输出电压THD=0.23%；结果证明了加入LC滤波电路可以有效的降低输出电压THD的值，减少了谐波危害。

图8 阻性负载下输出电压、电流波形：（a）仿真波形，（b）实物波形Fig.8 Voltage and current waveforms under resistive load：（a）from simulation，（b）from experimental setup

图9 电压THD的仿真值：（a）滤波前，（b）滤波后Fig.9 Simulation results of voltage THD：（a）before filtering，（b）after filtering

介于UPS复杂的工作状况，T型三电平逆变器需通过RCD负载实验来验证器件电压应力的大小和其输出的稳定性。在瞬间切换RCD负载时，T型三电平逆变器中T2、T3开关管所承受的电压峰值为527 V，T1、T4开关管所承受的电压峰值为936 V，实物波形如图10所示。样机实验中，电压应力的峰值均未超出所选器件的额定范围，实验验证了器件选型的规格完全符合实际电压应力的要求。图11为T型三电平逆变器在RCD负载工作状况下输出电压电流的仿真波形、实物波形。由仿真图，可见T型三电平逆变器输出了一个110 A的电流尖峰，而实物样机在输出了4个电流尖峰后，便可以稳定的输出电压、电流。从瞬间切换RCD负载实验，得出了T型逆变器系统输出畸变波形时间控制在0.06 s内的实验结果，证明了该系统具有稳定的输出特性。

图10 开关管的电压应力波形：（a）T2、T3，（b）T1、T4 Fig.10 Voltage stress waveforms of switching devices：（a）T2 ，T3；（b）T1 ，T4

5 结语

通过T三电平型逆变器在阻性满载、RCD负载的工作状况下，进行的仿真和实物实验，得到的数据与波形，充分的验证本文设计的T型三电平逆变器可以有效的提高输出电压的基波含量，降低输出电压总谐波畸变率。此次设计不仅为T型三电平逆变器在单相UPS中实现提供了SPWM的调制方法、建模仿真的基本模型，特别是为T型三电平逆变器功率器件的选型和LC滤波器的设计提供了可靠的参考数据，也为下一步深入研究T型三电平技术奠定了基础。