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多單元串聯(lián)大功率逆變電源的控制方法

作者: 時(shí)間:2013-02-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/175559.htm

圖5 逆變器單相控制系統(tǒng)框圖

  圖5 逆變器單相控制系統(tǒng)框圖

  仿真條件如下:采用同步調(diào)制,給定正弦波的頻率為1000Hz,載波比Kc=8,直流母線電壓為310V,死區(qū)時(shí)間設(shè)定約為1us,LC濾波器的參數(shù)為電感L=2.5mh,電容C=500nf,負(fù)載R=100Ω。圖6為逆變電源系統(tǒng)輸出的多電平的PWM波,圖7為逆變電源系統(tǒng)在上述條件下得到的輸出電壓仿真波形,圖8為輸出電壓的頻譜分析圖。

圖6 系統(tǒng)輸出的多電平PWM波(濾波前)

  圖6 系統(tǒng)輸出的多電平PWM波(濾波前)

圖7 系統(tǒng)輸出電壓仿真波形(濾波后)

圖7 系統(tǒng)輸出電壓仿真波形(濾波后)

  從圖6可以看出,對(duì)多單元串聯(lián)的仿真波形與圖4是一致的,從而也驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖8 輸出電壓頻譜圖

  圖8 輸出電壓頻譜圖

  由圖7可以看出,經(jīng)過(guò)LC濾波后的系統(tǒng)的輸出電壓波形比較好,波形的畸變很小。

  從圖8的頻譜圖中我們看到,輸出電壓不含高次諧波,但是含有三次,五次等奇數(shù)次諧波,這些奇數(shù)次諧波的幅值都比較小,其中三次諧波最大。根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)可計(jì)算出用來(lái)衡量波形特征的一個(gè)指標(biāo),即總諧波含量THD(除去基波分量外各次諧波的電壓有效值與基波電壓有效值之比)。

  總諧波電壓有效值為:6.849V

  基波電壓有效值為:524.868V

  總諧波含量為:1.305%

  4 多單元串聯(lián)大功率逆變電源實(shí)驗(yàn)波形

  本文研制的逆變電源設(shè)計(jì)容量為500kVA。按照相同的控制電路和主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先在30kVA的原型機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與圖1相同。

  以下為該實(shí)驗(yàn)裝置的部分波形。

  圖9 額定運(yùn)行時(shí),A相輸出電壓的階梯波

圖9 額定運(yùn)行時(shí),A相輸出電壓的階梯波

  從圖9中可以看出,實(shí)際輸出的階梯波與理論分析、仿真結(jié)果是一致的。

  圖10 輸出頻率為1200Hz時(shí),輸出電壓UAB的波形

  (帶100%阻性負(fù)載,THD=1.337%)

圖10 輸出頻率為1200Hz時(shí),輸出電壓UAB的波形

  從圖10中可以看出,輸出波形保持良好的正弦度,諧波含量也能夠滿足要求。

  5 結(jié) 論

  本文詳細(xì)分析了多單元串聯(lián)電路的工作原理,采用二重化與水平移相式PWM技術(shù)相結(jié)合、電壓平均值閉環(huán)的控制方法完成逆變電源的控制,對(duì)此方法進(jìn)行了仿真研究,并在30KVA實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。仿真及硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:由于采用多單元串聯(lián)技術(shù),相當(dāng)于提高了等效載波頻率,因此功率單元的開(kāi)關(guān)頻率較低,開(kāi)關(guān)損耗大大減少,同時(shí)也能夠滿足對(duì)輸出電壓及功率的要求;由于采用水平移相式PWM技術(shù),輸出電壓非常接近正弦波,因此系統(tǒng)輸出波形諧波含量較低;由于每個(gè)功率單元采用相互獨(dú)立的直流電壓源供電,因此對(duì)功率器件的電壓等級(jí)要求較低。研究結(jié)果表明多單元串聯(lián)逆變電源在高電壓大功率的場(chǎng)合中應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

1 引 言

  自九十年代初以來(lái),多電平逆變器在高電壓、大功率領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。多電平變換器有三種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):二極管嵌位型、飛跨電容型、多單元串聯(lián)型。相比較而言,多單元串聯(lián)型有如下幾個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn):

  1) 逆變器結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)的兩電平逆變器單元,因此主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

  2) 功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu),因此所有功率單元可以互換,維修非常方便,電路中也不存在大量的嵌位二極管或電壓平衡電容器。

  3) 每一個(gè)逆變橋是由相互獨(dú)立的直流電壓源供電,不存在中性點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題。

  本文針對(duì)大功率逆變電源,采用多單元串聯(lián)技術(shù),把單個(gè)功率單元的二重化控制技術(shù)與水平移相式PWM技術(shù)相結(jié)合,既降低了對(duì)開(kāi)關(guān)器件電壓等級(jí)的要求,滿足了系統(tǒng)對(duì)輸出電壓及輸出功率的要求,又獲得了比單純多單元串聯(lián)技術(shù)更高的等效開(kāi)關(guān)頻率,大大降低了開(kāi)關(guān)損耗,更進(jìn)一步的改善了輸出波形,降低輸出電壓的諧波畸變率,而且,功率單元由電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的移相變壓器供電,對(duì)電網(wǎng)諧波污染小,輸入功率因數(shù)高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。

  2 多單元串聯(lián)大功率逆變電源控制原理

  多單元串聯(lián)三相大功率逆變電源原理框圖如圖1所示,按照對(duì)輸出功率的要求,每相采用三單元串聯(lián),三相共有九組完全相同的功率單元。每相三個(gè)功率單元的載波之間互差120°,輸出相電壓為7電平,線電壓為12電平。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流,但只提供1/3的相電壓和1/9的輸出功率。與采用高電壓器件直接串聯(lián)的大容量逆變器相比,由于采用整個(gè)功率單元串聯(lián),器件承受的最高電壓為功率單元的直流母線電壓,可直接使用低壓功率器件,器件不必串聯(lián),不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟可靠。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級(jí),就可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。

圖1 多單元串聯(lián)大功率逆變電源原理框圖

  圖1 多單元串聯(lián)大功率逆變電源原理框圖

  在圖1中,功率單元為三相輸入,單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),圖2給出了功率單元的逆變部分電路。

圖2 功率單元逆變部分電路圖

  圖2 功率單元逆變部分電路圖

圖3 二重化PWM控制波形

  圖3 二重化PWM控制波形

  移相變壓器副邊輸出的三相交流電經(jīng)功率單元的三相二極管整流橋整流后,經(jīng)濾波電容后形成平直的直流電,再經(jīng)由4個(gè)IGBT構(gòu)成的H型單相逆變橋,輸出PWM波。為了提高開(kāi)關(guān)頻率,但同時(shí)又要考慮降低開(kāi)關(guān)損耗,對(duì)功率單元實(shí)行二重化PWM控制。圖3為二重化PWM控制波形圖。

  在圖3中,Vg1,Vg2,Vg3,Vg4分別為VT1,VT2,VT3,VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào),它們的導(dǎo)通規(guī)律如圖2所示。UAB為功率單元輸出電壓的波形圖。由圖3可知,在輸出端得到的等高不等寬的脈沖序列的基波分量就是正弦波,而且在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)VT1~VT4僅通斷一次,而輸出電壓為兩個(gè)脈沖,這說(shuō)明輸出電壓脈沖頻率為開(kāi)關(guān)管的工作頻率的2倍。此種控制方法提高了等效的載波頻率,使輸出電壓的諧波含量。減少,降低了開(kāi)關(guān)損耗。

  逆變器輸出采用水平移相式PWM技術(shù),同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓,但各個(gè)功率單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度,實(shí)現(xiàn)多電平PWM波輸出,輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小,所以dV/dt很小。由于采用水平移相式PWM技術(shù),輸出電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加,因此功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率,以降低開(kāi)關(guān)損耗,提高效率。波形圖如圖4所示。在圖4中,UA1,UA2,UA3分別為第一功率單元、第二功率單元、第三功率單元的輸出PWM波形,UA1為三單元串聯(lián)后的PWM波形。

圖4 三單元串聯(lián)逆變器PWM波形

  圖4 三單元串聯(lián)逆變器PWM波形


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