关键字 |
| 多电平逆变器，正弦移相载波脉宽调制，电平移相脉宽调制，脉冲产生，THD分析。 |
介绍 |
| 近年来，许多工业应用开始要求更高功率的设备。一些中压电机驱动和公用事业应用需要中压和兆瓦功率水平。对于中压电网，只直接连接一个功率半导体开关是很麻烦的。因此，在高功率和中压情况下，多级功率变换器结构被引入作为替代方案。多级变换器不仅可以实现高额定功率，而且还可以使用可再生能源。可再生能源，如光伏、风能和燃料电池可以很容易地连接到多电平转换器系统，以实现高功率应用[1-3]。 |
| 自1975年以来，多级转换器的概念已经被引入。术语多级开始于三电平转换器[5]。随后，几种多电平转换器拓扑被开发出来[6-13]。然而，实现更高功率的多电平转换器的基本概念是使用一系列功率半导体开关与几个较低电压直流源，通过合成阶梯电压波形来执行功率转换。多直流电压源可选用电容器、电池和可再生电压源。 |
| 级联h桥五电平多电平逆变器(MLI)有8个开关。级联h脊五电平MLI采用正弦移相载波PWM，所有开关均以载波开关频率工作，因此开关损耗较大。相同的五电平输出电压产生6个开关(Multistring五电平MLI)，电平移相处理PWM使用。该逆变器的2个开关工作在基频，其余开关工作在载波开关频率，与级联Hbridge五电平MLI[14]相比，开关损耗较低。 |
| 在mli中采用PWM技术，开关损耗大，效率降低，且开关能承载载波开关频率，开关成本高。 |
| 采用基频开关，减小了开关损耗，提高了开关效率。能实现基本开关频率的开关成本较低。提出了一种新型的简化级联多串h桥MLI，具有10个开关和3个电池。所提出的新型简化级联多串和h桥MLI仅用10个开关即可产生9、11、13和15级阶梯输出电压。输出电压电平增加，THD减小。 |
| 基本的逆变器在所需的输出电压和频率下将直流转换为交流。逆变器输出产生两个电压电平+Vdc和-Vdc。逆变器输出产生对称方波。方波输出电压包含无限个奇次谐波。采用多级逆变器降低谐波。多电平逆变器的定义是电平是指一个周期内的各种电压值。多电平逆变器从三电平输出电压开始。基本的逆变器产生三个电压电平0，+Vdc和-Vdc。三电平输出电压含有比两电平输出电压降低的谐波含量。电压等级增加，输出电压中的谐波含量降低，多电平逆变器容易产生正弦波输出波形。 |
| A.级联h桥五电平多电平逆变器(MLI) |
| 一个全h桥逆变器产生三个电压电平。它们是0 +Vdc和-Vdc。5级输出电压由两个全h桥逆变器级联产生。分别为0、+2Vs、+Vs、-2Vs和- Vs。级联h桥五电平逆变器采用正弦移相载波脉宽调制。载波使用的载频为1860Hz。 |
| 在表I中显示，“1?表示开关是ON和“0?”表示级联h桥5级MLI中的开关为OFF。逆变器的输入电压为VS1=VS2=100V。将正弦移相载波PWM应用到电路中，该PWM包含一个参考波形和四种载波波形。载波形式的相移为3600/(n-1)，“n?表示电压电平数。第一载波波形以0度运行，第二载波波形以90度移动，第三载波波形以180度移动，第四载波波形以270度移动。上述电路中所有以载波开关频率工作的开关，其开关损耗较大。在上述电路中产生的五级输出电压。 |
| B.带六个开关的多串五电平多电平逆变器(MLI) |
| 使用两个源和六个开关产生的五级输出电压。它们是0 +Vdc -Vdc +2Vdc和- 2Vdc。多串式五电平多电平逆变器采用电平移相处理脉宽调制，具有六个开关，与级联式h桥五电平多电平逆变器相比，电路复杂度、所需面积和成本都有所降低。该逆变器的输入电压为VS1= VS2= 100V。用于S1、S4、S3和s6的Multistring五级MLI的载波开关频率1860Hz。S2、S5交换机使用的基频。 |
| 在表II中显示“1?意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“关”?在Multistring五级MLI图中。上图2所示为电平移相处理PWM，其中PWM包含两种参考波形和两种载波波形，如图3所示，Multistring 5级MLI的调制逻辑如图4所示。由上图4所示，多串5级MLI中使用调制逻辑中基频操作的中间开关(S2, S5)和开关载频操作的其余4个开关(S1, S3, S4, S6)，与5级联h桥MLI相比，具有1个参考波形和4个载波波形，说明级联h桥5级MLI的开关损耗较大。 |
| 与级联h桥5级MLI相比，多串5级MLI的开关损耗减小。 |
| 上图5为5级多串MLI的5级输出电压。5级联h桥MLI输出电压相同。 |
| 上表III显示了级联h桥MLI与多串MLI的比较。mli采用PWM技术，开关损耗大。由于在MLI中使用了PWM技术(开关能够载波切换频率，因此开关的成本较高)，因此成本较高。用相同数量的(六个)多串MLI开关产生的七级输出电压。由于开关采用基频工作，因此成本较低。因此，开关损耗低，减少了开关数量(相比于级联h桥配置的12个开关需要产生7个电平)，控制电路的复杂性和复杂性。Multistring 7级MLI操作如下所示。 |
| C.带六个开关的多串七电平多电平逆变器(MLI) |
| 如图6所示，多串7级MLI通过6个开关产生7级输出电压。通常级联h桥配置，7级输出电压由12个开关产生。但7级输出电压采用6个开关产生。表四显示了开关序列“1?”意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“关”?在7级逆变器6个开关(上图6所示)。这六个开关以基本开关频率工作。与上述两种mli相比，开关损耗减小。 |
提出了一种新型简化级联多串h桥多电平逆变器系统 |
| 在上述电路中，图8显示了3个电池和10个开关。在这个电路中，所有的开关都按基本开关频率工作。一种新型简化级联多串和h桥多电平逆变器可产生9、11、13和15级输出电压电平。在级联h桥MLI配置中，9、11、13和15级输出电压对应的开关为16、20、24和28开关。因此，9、11、13和15级输出电压电平仅由10个开关产生。新型的简化级联多串h桥MLI由9、11、13、15级输出电压脉冲产生。因此，开关损耗降低并降低了成本、开关数量、所需面积、复杂性、保护电路和驱动电路，最后THD降低了相应电压水平的增加，并且开关以基本开关频率(脉冲产生)操作。 |
| A. 9级联多串和h桥MLI |
| 在上述电路中所示(图8)，取输入电压V1=100V, V2=200V, V3=100V。输出电压等级为+4VS， +3VS， +2VS， +VS, 0， -VS， -2VS， -3VS， -4VS。级联多串h桥多电平逆变器中产生的9级输出电压称为9级联多串h桥MLI。所有的开关都以基频操作。一般来说，9级输出电压由16个开关级联产生，但我们只用10个开关就得到了9级输出电压。9级输出电压与10个开关的开关顺序表V如下所示。在表“1?”意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“OFF?” |
| B. 11级联多串和h桥MLI |
| 在上述电路中所示(图8)，取输入电压V1=100V, V2=200V, V3=200V。输出电压等级为+5VS， +4VS， +3VS， +2VS， +VS, 0，-VS，-2VS，-3VS，-4VS，-5VS。级联多串h桥MLI中产生的11级输出电压称为11级联多串h桥MLI。所有开关都按基本开关频率工作。一般来说，11级输出电压由20个开关级联产生，但我们只用10个开关就得到了11级输出电压。11级输出电压与开关顺序10个开关表VI如下所示。在表“1?”意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“OFF?” |
| C. 13级联多串和h桥MLI |
| 在上述电路中所示(图8)，取输入电压V1=100V, V2=200V, V3=300V。输出电压等级为+6VS， +5VS， +4VS， +3VS， +2VS， +VS, 0， -VS， -2VS， -3VS， -4VS， -5VS， -6VS。级联多串h桥MLI中产生的13级输出电压称为13级联多串h桥MLI。所有开关都按基本开关频率工作。一般来说，13级输出电压由24个开关级联产生，但我们只用10个开关就得到了13级输出电压。13级输出电压与开关顺序10个开关如下表7所示。在表" 1?意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“OFF?” |
| D. 15级联多串和h桥MLI |
| 在上述电路中所示(图8)，取输入电压V1=100V, V2=200V, V3=400V。输出电压等级为+7Vs， +6VS， +5VS， +4VS， +3VS， +2VS， +VS, 0， -VS， -2VS， -3VS， -4VS， -5VS， -6VS， -7Vs。级联多串h桥MLI中产生的15级输出电压称为15级联多串h桥MLI。所有开关都按基本开关频率工作。一般来说，15级输出电压由24个开关级联产生，但我们仅通过10个开关获得15级输出电压。15级输出电压与开关顺序10个开关如下表VIII所示。在表" 1?意思是开关是“ON?”和“0 ?意思是开关是“OFF?” |
| E.将不同的电压作为级联多串和h桥MLI的源电压 |
| 9、11、13和15级输出电压仅从10个对应于各自电压源的开关获得。上表9显示了级联多串和h桥MLI的不同电压。级联多串和h桥MLI模拟表IX使用的不同输出电压电平。 |
MATLAB /仿真结果 |
| A.级联h桥五级MLI |
| 级联h桥五电平逆变器仿真图如图所示。 |
| B.多串五级MLI |
| 上图14(a)为相位处理PWM技术的子系统2(图15)，图14(b)为相位处理PWM技术的子系统1(图15)。 |
| 在级联h桥五电平MLI和多串五电平MLI中使用的PWM技术模拟如上所示。多串5级MLI的THD值较低(42.36%)，而级联h桥5级MLI的THD值为56.72%。 |
| 在两个以上的五电平mli中，PWM技术的开关损耗大，开关成本高，效率降低。七电平输出电压产生相同数量的开关(六个)多串MLI如下所示。所有开关均以基频工作，开关损耗减小，效率提高。 |
| C.带六个开关的多串7级MLI |
| D.提出级联多串和h桥MLI系统 |
| 1) 9级联多串h桥MLI |
| 2) 11级联多串和h桥MLI |
| 3) 13级联多串和h桥MLI |
| 4) 15级联多串和h桥MLI |
| 在上表X中显示了级联h桥MLI与提议的级联多串和HBridge MLI的比较，级联形式的开关随着输出电压电平的增加而增加。开关成本降低，开关数量减少，保护电路、冷却设备、控制电路以级联形式增加。但所提出的级联多串和h桥MLI仅用10个开关就能产生更高的输出电压电平，分别为9,11,13,15电平。因此，与级联h桥MLI相比，开关的成本减少了开关的数量、保护电路、冷却设备、控制电路的减少。 |
| 上表显示了所提出的级联多串h桥多电平逆变器的THD值从9级下降到15级所对应的输出电压的增加。 |
结论 |
| 本文“一种新型简化级联多串和h桥MLI”产生了更高的输出电压电平，由9、11、13、15个电压电平组成。THD值降低，当增加更高的输出电压水平，也减少开关数量，成本，所需面积，保护电路，冷却设备，驱动电路和开关损耗降低，效率增加。 |
| 级联多串和h桥MLI很容易与der连接。它们是光伏阵列和燃料电池。 |
表格一览 |
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| 表1 |
表2 |
表3 |
表4 |
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| 表5 |
表6 |
表7 |
表8 |
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| 表9 |
表10 |
表11 |
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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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| 图11 |
图12 |
图13 |
图14 |
图15 |
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| 图16 |
图17 |
图18 |
图19 |
图20 |
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| 图21 |
图22 |
图23 |
图24 |
图25 |
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| 图26 |
图27 |
图28 |
图29 |
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参考文献 |
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