关键字 |
| 级联h桥，多电平逆变器，正弦脉宽调制，总谐波失真。 |
介绍 |
| 多电平逆变器包括功率半导体阵列和直流电压源，与两电平电压源逆变器(VSI)相比，其输出产生阶梯波形[1]的电压。多级电压源逆变器能够合成输出电压，减少谐波失真和较低的电磁干扰[2]。通过增加多电平逆变器的电平数，输出电压有更多的阶梯波形，从而减少谐波失真。然而，大量的级别增加了必须控制的设备数量和控制复杂性。因此，该技术最具吸引力的应用是在中高电压范围。多级逆变器不仅可以实现高额定功率，而且还可以使用可再生能源，如光伏、风能和燃料电池，这些能源可以轻松地连接到多级逆变器系统，以实现高功率应用。多电平逆变器的优点是输出电压步长小，具有较高的电压容量、较低的谐波分量、较低的开关损耗、较好的电磁兼容性和较高的电能质量。同时可以在基频和高频脉宽调制下工作。现场应用包括层压机，泵，输送机，压缩机风扇，鼓风机和轧机。随后，开发了几种多电平逆变器拓扑结构。 |
| 提出了中性点箝位(NPC)多电平逆变器、飞电容(FC)多电平逆变器和级联h桥(CHB)多电平逆变器[4]、[5]三种不同的拓扑结构。NPC多电平逆变器也称为二极管箝位逆变器，可以认为是Nabae等人介绍的第一代多电平逆变器。[6]，这是一个三电平逆变器。NPC多电平逆变器的三电平机箱已经广泛应用于不同的行业。与NPC类型不同，FC多电平逆变器提供了一些冗余开关状态，可用于调节电容器电压。然而，控制方案变得复杂。此外，通过增加电压等级的数量，电容器的数量也会增加。CHB多电平逆变器使用串联的h桥电池，每个电池连接隔离的直流电源。级联h桥多电平逆变器从直流电压源的取值可以分为对称拓扑和非对称拓扑两类。在对称拓扑中，所有直流电压源的值是相等的。这一特性使拓扑结构具有良好的模块化。 However, the number of switching devices rapidly increases with increase in the number of output voltage levels. If the values of the DC voltage sources selected are different, then these topologies are called asymmetric [7],[8].The CHB multilevel inverters have been industrially employed in several application fields such as pumps, fans, compressors ,etc. In addition, they have recently been proposed for other applications like photovoltaic power-conversion systems and wind power conversion. |
| 本文提出了一种新型的多电平逆变器拓扑结构，该拓扑结构由三个串联的子多电平逆变器组成。该拓扑结构使用光伏电池作为一个直流电源，其他两个直流电压源串联。针对多电平逆变器，已有多种调制技术，如正弦脉宽调制(SPWM)、选择性消谐波脉宽调制(SHE-PWM)、空间矢量调制(SVM)[9]等，但由于SPWM具有简单、响应快、适用于多电平逆变器的特点，本文采用SPWM对逆变器开关进行控制。所提出的多电平逆变器拓扑有七个电平与九个功率开关相关联。此外，许多多电平逆变器应用集中在工业中压电机驱动，可再生能源系统的实用接口，柔性交流传输系统(FACTS)和牵引驱动系统。这一特性使该拓扑具有良好的模块化。 |
常规级联多电平逆变器 |
| 传统的级联多电平逆变器是多电平多电平逆变器家族中最重要的拓扑结构之一。级联拓扑允许使用几个级别的直流电压来合成所需的交流电压。与二极管夹紧式和飞电容式多电平逆变器相比，它需要最少的元件数量，与多脉冲逆变器相比，不需要专门设计的变压器。级联式多电平逆变器由多个h桥逆变器单元组成，每个单元都有独立的直流电源，级联或串联连接。图1为3个h桥串联的七电平逆变器。需要12个IGBT开关。采用光伏阵列作为一个源，另两个源为直流源。该光伏阵列可用于产生直流电压从阳光直接在电力。为了从PV阵列获得所需的电压，通过控制到开关的门脉冲来调节开关的占空比。 |
| 在该逆变器中，所有直流电源具有相同的电压等于vdc，因此电压等级的数量用eqn表示(1)。 |
 (1） |
| 其中“n”是独立直流源的数量，nlevel是输出电压等级的数量。 |
提出了一种基于光伏电池的新型七电平逆变器 |
| 本文提出的新型基于光伏电池的级联七电平逆变器框图如图2所示。它由三个串联的电源组成，一个是PV电池，另外两个是电压为500V的直流电源。该逆变器采用9个igbt，通过门控脉冲控制。采用SPWM技术对逆变器开关进行控制。将逆变器与单相异步电动机连接，以评估逆变器的性能。通过使用该逆变器，负载侧谐波含量与七电平级联逆变器相比有所降低。本文提出的七电平逆变器通过1500V、1000V、750V、0V、-750V、-1000V、-1500V产生七电平阶梯电压波形。 |
| A) PV电池模型 |
| 光伏发电作为一种可再生能源正变得越来越重要，因为它具有许多优点，如无燃料成本、无污染、维护成本低、无噪音等。但是，由于这些模块的非线性和温度依赖性的电压-电流和电压功率特性[10]，其转换效率相对较低。通过光伏发电机发电和向电网注入电力在光伏应用领域越来越受关注。这主要是因为全球电力需求正在稳步增长。太阳能电池利用光产生直流电，可以为设备供电或给电池充电。光伏阵列既可以用于独立应用，也可以用于电网连接。光伏的第一个实际应用是为轨道卫星、其他航天器和袖珍计算器提供动力，但今天大多数光伏模块用于并网发电。并网光伏能量转换系统由DC-DC变换器和逆变器组成。控制DC-DC变换器跟踪光伏阵列的最大功率点，控制逆变器产生电压，使电网电流具有较低的总谐波畸变(THD)，并与电网电压同相。为了求解光伏组件的功率极值点，采用了GSS算法，该算法响应快、性能鲁棒、收敛性好。 |
| 1) GSS算法 |
| 最大功率点跟踪(MPPT)通常是一个极大值查找过程。用GSS技术寻找最大值的过程如图3所示。目标是在输入区间(x1, x2)内找到f(x)的最大函数值。 |
| 搜索步骤如下所示 |
| 1.最初，f(x1)， f(x2)和f(x3)的值已经已知。因为f(x3)大于f(x1)和f(x2)，最大值必须在(x1, x2)的截面内。 |
| 2.f(x4)在新点x4处的值正在被计算。 |
| 3.如果f(x4) > f(x3)，则最大值点位于(x3, x2)截面内。然后插入新的点x4，放弃x1，以创建一个新的更窄的搜索部分(x3, x2)，其中仍然有三个已知点x3, x4和x2。 |
| 4.如果f(x4) < f(x3)，则最大值点位于截面(x1, x4)内。新的点x4仍然被插入，但x2被丢弃，以创建另一个新的更窄的搜索部分(x1, x4)，其中包含另一个已知点x1, x3和x4的集合。 |
| ．重复步骤2到4的一定次数，或者直到搜索部分足够小，以确保新的插入点可以被认为是最大点。显然，对于每个迭代步骤都有两个可能的搜索部分，如图3中的(x3, x2)和(x1, x4)。其中只有一个将被选中作为下一个搜索部分。要求这两个可能的部分宽度相等。否则，在某些较坏的情况下，当较宽的路段被更频繁地使用时，收敛速度会减慢。因此，新点x4的选取必须满足(x1, x4)的宽度= (x3, x2)的宽度，即图3中的(a + b) = (b + c)。因此，迭代的所有搜索部分可以在三个点之间具有相同的间距比例，从而使算法以恒定的速度收敛，即。 |
 （2） |
| 求解(2)得到yield: |
 （3） |
| 其中ø是黄金比例。这就是这种搜索策略被称为GSS的原因。 |
| 2)电源调理单元 |
| 电源调节系统提供适合应用的调节直流或交流电源。它是光伏系统的主要组成部分。PV的输出是一个不受调节的直流电压，它需要被调节以便实际使用。功率调节器部分将原始功率转换为可用于不同应用的可用功率。电源调节单元还控制电力的频率，并将谐波维持在可接受的水平。空调的目的是调整来自PV的电流以适应应用的电气需求。该系统的一般配置将是PV，然后是升压变换器，然后是逆变器。一般来说，升压级的负载是滤波器和逆变器系统。PV的升压变换器将在电压控制模式下工作。升压变换器非常适合用于逆变器系统与光伏系统的接口。 |
| 基于负载条件，可以命令升压级从PV中抽取特定数量的电流，其纹波由频率、电感器尺寸和占空比明确定义。类似地，逆变器用于PV系统与负载的接口，为负载提供具有适当频率相位和幅度的电压/电流，其中逆变器的输入来自升压转换器级，逆变器(带滤波器)成为升压转换器的负载。电源调节器还用于光伏系统的并网。使用光伏作为主要发电来源的发电系统，旨在同步运行，并与电力公用事业网络并行，是并网光伏系统 |
| 3) DC-DC变换器控制回路 |
| DC/DC变换器控制回路如图5所示。光伏系统在串联堆上的输出电压为不受控制的直流电压，该电压随温度和辐照度的变化而波动。在DC/DC变换器的帮助下，这种无调节和无控制的原始电压被调节到平均值。这样得到的控制电压经过滤波后馈送给直流/交流逆变器。从该逆变器获得的功率被添加到电网中。如果需要直流电源，可在DC/DC变换器级后单独使用;如果需要交流电源，可在DC/AC级后单独使用。 |
| 这种不调节电压必须通过将占空比调整到所需的值来调整到恒定的平均值(调节直流电压)。电压的升压取决于占空比。利用PI控制器调节升压变换器的占空比。占空比设置为一个特定的值，使变换器在输出端提供所需的平均电压值，以及PV的任何波动。PI控制器适当地改变占空比以获得所需的平均值。变换器的占空比是通过改变由PWM发生器馈送到dc/dc变换器电路中开关的脉冲来改变的。 |
| 4) DC/AC逆变控制回路 |
| 逆变器是将光伏产生的直流电转换为交流电的设备。公用事业交互式逆变器用于与公用事业电力线相连的系统中。逆变器与输电线同步产生交流电，一旦控制策略实施，交流电的质量就为公用事业公司所接受。逆变器输出电压(即负载电压)将每次与参考电压进行比较。输出电压的变化(由于负载的变化)和电网电压作为输入给PI控制器，PI控制器的输出给PWM发生器，该发生器将产生6个脉冲。这些脉冲将被给予逆变器的开关，这将改变逆变器的占空比。由于占空比的变化，在负载条件下输出电压将保持恒定。 |
| B) SPWM技术 |
| 几种不同的基于两电平多电平载波的PWM技术已经被先前的作者扩展为控制多电平变换器有源器件的手段。最流行和最容易实现的技术是使用几个三角形载波信号和一个参考信号，或每个相位调制信号。传统逆变器中使用的三种主要基于载波的技术可应用于多电平逆变器，即正弦PWM (SPWM)、三次谐波注入PWM (THPWM)和空间矢量PWM (SVPWM)[11]。SPWM是工业应用中非常流行的一种方法。PWM技术广泛应用于逆变器中有害低次谐波的消除。在SPWM控制中，逆变器开关在半个周期内打开和关闭几次，输出电压通过改变脉冲宽度来控制。这是一种最被广泛接受的调制技术，其中参考信号为峰值幅值Am，频率fm的正弦信号，其零点位于载波集的中间，如图6所示，并将其与(m-1)载波信号进行比较，其中“m”是相同频率fc和相同幅值Ac的电平数。如果参考信号大于“s”载波信号，则与所述载波相对应的有源设备被关闭且基准信号小于载波信号，则与所述载波相对应的开关设备是打开的。SPWM技术的特点是每个周期具有不同占空比的恒幅脉冲。通过对脉冲宽度的调制，实现对逆变器输出电压的控制，降低逆变器的谐波含量[12]。 In multilevel inverters, the amplitude modulation index “Ma” and the frequency ratio “Mf” are defined as |
 （4） |
 （5） |
结果与讨论 |
| 通过MATLAB/SIMULINK仿真验证了所提出的级联多电平逆变器的性能，并给出了仿真结果。 |
| A)常规级联七电平逆变器的结果 |
| 图7为常规级联七电平逆变器输出电压波形图，图8为输出电压谐波谱图。结果表明，所采用的PWM技术输出电压达到7个电平，源电压THD为26.42%。从FFT分析可以推断，当电平数增加时，谐波含量和总谐波失真减小。 |
| B)七电平多电平逆变器的结果 |
| 所提出的新型九开关逆变器输出电压波形如图9所示，其中有七级导致谐波较小。这表明所提出的SPWM能够很好地为逆变器的开关产生所需的开关信号。如图10所示的FFT分析显示，采用所提出的九开关逆变器，输出电压的THD从26.425降低到6.99%。 |
结论 |
| 本课题利用MATLAB/SIMULINK对一种以光伏电池为直流源的七电平级联h桥多电平逆变器进行了仿真，分析了其降低THD的性能。在此基础上，利用MATLAB对所提出的光伏电池作为一种直流电源的七电平多电平逆变器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。通过使用这种多电平逆变器，与传统的级联七电平逆变器相比，谐波含量降低。结果表明，与传统的多电平逆变器相比，所提出的七电平逆变器输出电压接近正弦波。还可以观察到电压波形的质量随电压等级的增加而增加。此外，SPWM技术控制逆变器在输出波形中产生七个电平。这种新型拓扑结构的主要优点是所需的开关设备数量减少了33%，从而降低了成本、损耗和易于控制，此外还减少了谐波。 |
数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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参考文献 |
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