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一种改进型级联H 桥型变流器的调制策略研究

发布时间:2014-11-27 22:20:36  来源:大电流电感厂家   查看:

摘要:五电平级联H 桥型变流器在高压大容量场合得到了广泛应用。各级直流侧电压出现不平衡现象会导致变流器的输出波形发生畸变,谐波特性恶化;另一方面,一些混合型级联H 桥型变流器中,各级直流母线电压亦不同。在此以五电平级联H 桥型变流器为研究对象,研究了其在直流侧电压不平衡时的脉冲模型, 并提出了相应的调制策略。实验结果表明了理论分析的正确性和所提调制方法的有效性。同时,所提出的脉冲模型和调制策略还可推广到多级H桥级联和混合式级联H 桥型变流器中,有较强的推广性和实用性。

  1 引言

  级联H 桥型变流器具有输出波形质量好、du/dt小、电磁干扰小等优点;采用独立直流侧供电,避免了内部环流问题;模块化程度高,维护方便,可靠性高,因此在许多大容量的应用场合得到广泛应用。然而由于受负载波动、整流电路特性以及移相变压器等因素的影响, 各级直流电压不可避免地会与设计值产生大小不同的偏差,此时级联H 桥的输出等效为多个不同幅值PWM 波绕行电感器形的叠加, 因此其谐波特性等指标相应发生变化, 影响了变流器的输出波形质量,并可能加剧du/dt,恶化系统的电磁环境,影响系统的稳定性和可靠性。文献[4]提出了直流电压不同的级联H 桥拓扑,为级联H 桥的大功率应用提供了另一种思路。因此研究直流电压不同情况下级联H 桥型变流器的运行特性,并采取适宜的调制算法以改善变流器的运行特性十分必要。

  在各种级联H 桥型变流器的谐波最优调制方法中, 最一体成型电感具代表性的是载波相移正弦脉宽调制(Carrier Phase Shift SPWM, 简称CPS鄄SPWM),对于五电平变流器而言,最低次谐波推至开关频率的4 倍处,提高了级联H 桥的传输带宽,获得了很好的调制特性。然而在各级母线电压不平衡的场合,由于直流电压的不平衡从根卧式电感本上改变了CPS鄄SPWM的应用条件,CPS鄄SPWM 的调制效果将会下降,谐波特性将恶化。

  在此将时域的PWM 脉冲波形投影到由时间和面积构成的坐标系中,分析了五电平级联电感生产厂家H 桥型变流器在直流电压不同时的输出特性, 对常规调制方法进行改进,达到优化变流器输出波形、提高系统工作效率和可靠性的目的。对于多级级联H 桥型变流器及混合型级联H 桥变流器,该分析方法及所建数学模型依然有效。

  2 桥臂开关脉冲的表示方法

  图1a 示出五电平级联H 桥型变流器的拓扑,两级H 桥的输出分别为Uo1和Uo2,两单元的直流电压分别为Udc1和Udc2。每级H 桥单元由两个桥臂并联组成,称为左臂和右臂,分别用L 和R 表示,两级H 桥单元串联构成总输出Uo。现以第1 级H 桥单元的左臂为研究对象, 该桥臂由两个功率器件VT1和VT2串联组成, 忽略死区的影响, 则该桥臂工作在180°导通状态,即任何时刻VT1和VT2的状态互补。

  图1a 的第1 级H 桥单元中,4 个开关管的状态决定了Uo1的输出,其值为0,Udc1或-Udc1。为便于分析, 并建立单相H 桥单元的输出与各开关管之间的关系,需要引入新的自变量。由于每个桥臂的两个开关器件状态互补,所以用两个变量即可表征单相H 桥单元的工作状态。据此绘制单相H 桥单元的左右臂上管驱动脉冲,如图1b 中波形1所示。


图1 五电平级联H 桥型变流器和单相H 桥单元脉冲

  现构造与波形Ⅰ相对应的桥臂净面积(PulseNet Area,简称PNA),其步骤如波形Ⅱ所示,0~2π 对应第1 个开关周期, 波形的高低取值与驱动脉冲一致,由此得到图中所示的阴影面积。该阴影区域的大小为此时单相H 桥单元的左臂PNA,用ξL表示。

  波形Ⅲ所示为左臂PNA 在时域上的投影,可见其取值范围为0~2π,对于一个在开关周期内居中分布的脉冲, 其PNA 大小确定后, 具体波形也得以确定,这样就确定了脉冲波形和桥臂PNA 之间的关系。

  3 单相H 桥单元的输出表达式

  以单相H 桥单元的直流母线负极为参考点,设ωc为开关频率的角频率,即ωcTs=2π,则对于任意时刻t,单个H 桥单元的输出可表示为:



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