基于可再生能源系统的单相感应电机高效混合级联逆变器仿真

摘要

电压源逆变器是常用的可再生能源与电网连接的接口。为了提高可再生能源系统的性能，需要对逆变系统的拓扑结构和控制方法进行分析。本文提出了一种单相混合级联逆变器。它是基于两种功率器件- MOSFET和IGBT。级联逆变器由三个h桥组成。每个h桥的直流电压满足1:2:4的比例关系，三个模块在交流侧串联。低压桥由mosfet组成，中压桥和高压桥由igbt组成。这种混合级联逆变器可以在交流侧以相当低的开关频率输出最多15个电压水平。同时，能充分体现不同功率器件的优点，使逆变器运行灵活。本文采用了电压梯度调制和pwm载波调制两种方法。 Itis shown that the conversion efficiency reaches up to 98% andthe output THD is less than 5% (meets requirement of the IEEE standards). Meanwhile, with different combination ofswitching states, the distribution of input active power in eachH-bridge can be adjusted. As a result, for renewable energysystem, larger control freedom is provided and the need ofpower balance is satisfied. The validity of the inverter system istested by simulation.

关键字

可再生能源系统，单相感应电机，混合级联逆变器

介绍

能源与环境问题已受到世界各国的高度重视。因此，可再生能源以其无污染、储量丰富的特点受到了公众的普遍欢迎[1-3]。为了满足可再生能源高效率、高可靠性的自身要求，电力电子接口的性能还需要进一步提高[3,4]。为了达到高水平的运行，需要合适的拓扑结构和控制方法。本文的研究工作主要集中在可再生能源系统中的DC-ACpart。在传统级联h桥逆变器结构的基础上，实现了一种新型混合级联逆变器。混合结构表现在两个方面。首先，直流母线具有混合电压。它们分别是V0, 2V0和4v0。其次，采用混合动力装置。对于采用不同电压的直流母线，可以在交流侧达到电压水平，而开关频率较低。

从而降低了输出谐波损耗和开关损耗。同时，由于采用了不同类型的功率开关，可以进一步提高逆变系统的性能。根据所选择的调制方法，三个h桥的开关频率是不同的。在V0桥中，直流母线电压较低，开关频率较高，因此采用功率MOSFET。另一方面，在2V0和4V0桥中，直流母线电压较高，开关频率较低，因此采用IGBT。通过上述电源开关组合，可以显示出不同器件的优势，进一步降低系统损耗。实现了逆变系统的高效运行。与传统的双电平逆变器相比，HCI具有几个优点。具有器件选择灵活、各电源开关额定电压低、输出谐波含量低、开关频率低等特点。同时需要强调的是，随着可再生能源发电系统的快速发展，“微电网”的概念在世界范围内受到高度关注[5-7]。“微电网”内部包括几个微源，上述HCI结构有几个直流输入端口。 As a result, HCIis suitable for the application of Micro-grid. Its DC side canbe easily connected to the micro-sources with DC voltageoutput.In this paper, a 2kW single-phase HCI is implemented. Itis based on low-loss MOSFET (offered by IXYS Co.) andV-IGBT (offered by Fuji Electric Co.). Voltage gradationaland PWM carrier modulation methods are employed. Therealization process of the two methods is showntheoretically. The structure of HCI and the two modulationmethods are validated by simulation.

hci的结构及其调制方法

HCI的结构由三个h桥组成，如图1所示。它们有隔离的直流母线，电压分别为V0, 2V0和4V0。在ACside，三个h型桥串联在一起。具体来说，V0 h桥是基于MOSFET，而2V0和4V0 h桥是基于V-IGBT。本文采用了两种调制方法。一是电压梯度法，二是pwm载波法。在电压梯度法中，V假定为交流侧所需电压。它是V0, 2V0和4V0的叠加结果，如(1)所示。这里，系数x, y和z等于1，-1或0。“1”、“-1”、“0”分别表示h桥输出正、负、零直流母线电压。可以分析，对于交流侧的每个所需电压，有时可以达到几种叠加方式。例如，V0有三个叠加方法。 They can be shown as‘V=1·V0+0·2V0+0·4V0’, ‘V=(-1)·V0+1·2V0+0·4V0’ and ‘V=(-1)·V0+(-1)·2V0+1·4V0’. In this way, some redundant statescan be reached. The operation of HCI is more flexible (it willbe shown in detail in the following part).

电压梯度调制方法的实现过程如下所示。首先，根据实际需要的幅值和频率，确定理想的瞬时电压值。其次，将理想瞬时电压除以参考电压V0。将结果四舍五入，得到电压电平为瞬时电压。最后，确定各桥的具体输出电压和各电源开关的具体状态。为了降低低频谐波分量的含量，采用了PWM载波调制方法。在这种方法中，2V0和4V0电桥的输出与电压梯度法保持一致。上述两个输出电压波形的和有7级阶梯。理想正弦波形减去这7级阶梯波形，得到V0 h桥调制波形。因此，采用PWM方法，使三个h桥输出波形之和接近于理想正弦波。 Also, suppose V is the object voltage at the AC side, asshown in (1). With PWM carrier modulation method, in thepositive half period, the coefficients y and z are confirmed asshown in (2). From (2), the output of 2V0 and 4V0 H-bridgesare reached. The corresponding output voltage in V0 Hbridgeis got by the comparison of the above modulationwave and triangle carrier wave.

hci中的功率平衡控制方法

如第二部分所述，在电压梯度调制方法中，有几种冗余叠加方法。冗余状态可以被利用。众所周知，一个h桥可以输出三种电压。它们是直流母线正电压，直流母线负电压和零。假设负载电流方向如图2所示(当负载电流方向发生变化时，可以进行相同的分析过程)。当交流侧达到正电压时，直流母线提供有功功率，电容器放电。同时，当达到负电压时，直流母线吸收有功功率，电容充电。当电压为零时，直流母线电容中不传输有功功率。HCI有几个直流输入端口。在实际应用中，直流母线可以接不同的电源。For example, it can be connected to photovoltaic (PV) panel,storage battery, and so forth. As known that, storage batterycan store energy when the input energy is adequate in theinverter system, such as sufficient light for PV system. Onthe other hand, it can release energy when the input energy isinadequate. As a result, with different external conditions,the distribution of active power at the DC side should beadjusted accordingly. Take the following system as anexample. The DC buses of V0 and 2V0 H-bridges areconnected to storage battery and the DC bus of 4V0 Hbridgesis connected to PV panel. When sufficient sunlight isreceived in the system, 4V0 H-bridge should provide moreactive power, while at the same time, V0 and 2V0 Hbridgesshould absorb active power and store energy.

当接收不到足够的阳光时，4V0 h桥应提供无功功率，而另外两个带蓄电池的桥应提供更多的有功功率。上述功率平衡过程是通过选择不同的叠加方法来实现的。此外，当启动HCI时，直流母线电容器应预充电。它可以简单地通过选择不同的叠加方法来实现。也以上述情况为例。启动HCI时，可选择(x, y, z) =(-1，-1, 1)的叠加方式进行预充过程，其中(x, y, z)表示具体的叠加方式。这意味着v0、2V0和4V0 h桥输出负、负、正直流母线电压。因此4V0 h桥的有功功率流向V0和2V0 h桥。3个直流母线电容由连接到4V0DC母线的光伏面板进行预充电。

仿真结果

为了验证混合级联结构和两种调制方法的可行性，基于MATLAB/SIMULINK实现了仿真模型。模型中采用了三个h型桥。结构与上文相同。并搭建一台2kW样机，如图3所示。在两个仿真中，负载电压均设置为220V (rms)，感应负载为15mh 200Ω。输出频率为50Hz。两种调制方式的交流输出波形如图4和图5所示。从图4和图5可以看出，两种方法都可以得到交流侧的阶梯电压波形。交流输出电压仿真FFT分析结果如表1所示(未滤波)。

基频设置为50Hz。可以看出，在调制对象相同的情况下，PWM载波法的低频输出谐波含量低于电压级配法。谐波含量略高于模拟结果。这是因为涉及到更多的切换瞬态。定义HCI的电压利用率如(3)所示。其中，“m”表示电压利用率。Udcx (x= 1,2,3)表示直流母线电压。Uac表示交流电压的均方根值。因此，在仿真中，采用电压梯度法m = 0.71，而采用PWM载波法m = 0.65。在实验中，用电压梯度法m = 0.76，用PWM载波法m = 0.68。 It can be concluded that simulation results are approximately in accordance and voltagegradational method has higher voltage utilization ratio thanPWM carrier method.In order to reach higher energy conversion efficiency, itis required to evaluate the conversion efficiency.

HCI采用IXYS公司的低损耗MOSFET和富士电机公司的v - igbtofet。仿真效率评估过程可以总结如下。首先，确定了各种功率损耗的解析表达式，包括待定系数。其次，根据数据表对上述待定系数进行拟合。最后，计算各种功率损耗和转换效率。具体来说，对于IGBT，稳态损耗、导通损耗和关断损耗用(4)~(6)表示。对于MOSFET，稳态损耗和暂态损耗(导通和关断损耗统一为暂态损耗)用(7)和(8)表示。两桥中自由旋转二极管的稳态损耗表示为(9)，IGBT桥中自由旋转二极管的反向恢复损耗表示为(10)。

mosfet电桥采用快速恢复二极管作为自由旋转二极管，反向恢复过程的时间跨度进一步小于IGBT电桥。因此，可以忽略mosfet电桥中自由旋转二极管的反向恢复损耗。在这里，“WconT”、“will”和“WoffT”分别是igb的稳定损耗、开启损耗和关闭损耗。“WconMOS”和“WtranMOS”是功率MOSFET的稳态损耗和瞬态损耗。“WconD”是两个桥中自由旋转二极管的稳定损耗，“WrrD”是IGBT桥中自由旋转二极管的反向恢复损耗。“Vcc”为实际直流母线电压，“Vref”为数据表中显示的直流母线电压;i是通过电源开关的电流。“Rd”是mosfet的导通电阻。在(8)中，' uDS '是在MOSFET关断时端子' D '和' s '之间的电压，' iD '是MOSFET接通时的漏极电流。同时，“ttran”是开启或关闭过程的时间跨度。式(4)、(7)、(9)中，“ts”为控制周期。 The other parameters are theundermined coefficients. Then, according to the datasheet ofV-IGBT and low loss MOSFET, by curve-fitting, theundetermined coefficients can be reached, as shown in TableI. So, the system power loss and efficiency can be achieved.

仿真评估结果如图6所示。可以看出，两种方法都实现了较高的转换效率(>98%)，电压梯度法比PWM载波法效率更高。这是因为电压梯度法的最高开关频率为700Hz(在V0 h桥中)，而PWM载波法的最高开关频率为10kHz(也在V0 h桥中)。该方法不涉及高频开关过程，进一步降低了开关损耗。转换效率的实验结果如下:电压梯度法的实验效率为96.6%，PWM载波法的实验效率为94.4%。与上述实验结果相对应的仿真结果分别为97.6%(电压梯度法)和96.4% (PWM载波法)。可以看出，实验结果略小于仿真结果。这是因为仿真中没有考虑线路阻抗，不能完全消除探头引起的测量误差。需要注意的是，上述两个仿真结果的输出功率和电压电平保持一致，但出于安全考虑，功率电平略小于图4。

为了验证功率平衡性能，对不同的交流电压叠加方法进行了测试。以三种情况为例，如表1所示。对于每个h桥，' psv0 '， ' ps2v0 '和' ps4v0 '表示每个h桥中前端微源提供的有功功率;' pinvv0 '， ' pinv2v0 '和' pinv4v0 '表示传递给负载的有功功率。三种情况下上述参数的取值如图5所示。可以得出结论，采用不同的电压叠加方法可以改变直流侧的功率分布。hci的操作更加灵活。

结论

为了提高可再生能源系统的性能，采用了HCI。本文讨论了单相HCI的拓扑结构和调制方法。具体来说，涉及到混合动力装置。V0桥采用功率MOSFET, 2V0和4V0桥采用IGBT。每种设备的优点都可以显示出来。HCI由三座桥组成。每个h桥的直流电压满足1:2:4的比例关系，其交流侧串联。

因此，它可以在交流侧以较低的开关频率输出更多的电压电平。同时，本文采用了电压梯度调制和PWM载波调制两种方法，并对其进行了详细的讨论。仿真结果表明，该系统具有较高的转换效率(>98%)和较好的输出性能(THD<5%)。通过不同的开关状态组合，可以调节直流侧输入有功功率的分布。

参考文献

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