PWM 逆变器消谐方法及仿真探究

2014-04-14李乐

电子测试 2014年2期

李乐

(苏州大学,苏州,215000)

0 引言

在电力电子技术迅猛发展的当今，新能源技术得到了越来越受到人们的重视。逆变技术，是指将直流电能转换成交流电能并与电网并网发电的关键技术。逆变器作为大功率变频器的重要电器元件，其技术的发展也是日新月异。但逆变器的新技术仍存在着不足之处，如开关管耐压能力不足，损耗较大，工作效率低，脉冲频率低，谐波含量大等问题。

高压逆变器的电路拓扑结构可以分为三种：二极管箝位式（Diode-Clamped）、电容箝位式（Capacitor-Clamped）、H 桥级联式（Cascaded H-bridge，CHB）。由于H 桥级联式逆变器的拓扑结构谐波失真和dv/dt 都很低，可以不用功率器件串联，保证工作电压数值，再加之其模块的结构成本较低，因此，H 桥级联式逆变器的拓扑结构在高电压大功率逆变器中的应用极为广泛。

本文介绍了7 电平H 桥级链接高压逆变器的拓扑结构及梯形电压调制技术，通过非线性方程组的同伦计算得出计算结果和真实结果进行比较。最终通过仿真实验验证其拓扑结构在消除谐波，提高功率等方面的优势。

1 H 桥级联式逆变器的拓扑结构

1.1 H 桥逆变器

H 桥逆变器也叫做CHB 逆变器，如图1 此种结构采用的是单

图1 H 桥级联式逆变器的拓扑结构（7 电平）

个的H 桥单元，通过级联串联的连接形式，这种连接方式，有利于产生很高的工作电压和很低的谐波失真。由于每个H 桥都具有一个独立的电源供电，所以这种连接方式在一定程度上克服了均压的问题，各个电源也因其独立性，不会相互影响。在电源的选择中可以采用二级管整流的方式来取得各个级之间的独立电源。在电平数的计算中可得：

（A 是指CHB 逆变器每相H 桥的单元数）。

在对图1 的分析中可知，系统的谐波要求和工作电压决定了CHB 电平逆变器电平数。在电力电子应用中电平数为7、9 和11CHB 电平逆变器得到了广泛的推广与应用。

1.2 载波阶梯式调制

基于载波调制的CHB 逆变器的PWM 调制方式有相位移位调制、电压移位调制和阶梯调制三种调制方式。通过使用SHE 技术，开关损耗比较低，在基波频率下工作的调制方式称为阶梯调制。阶梯调制方式是用来消除5 次和7 次谐波的重要方法，同时也用于调节基波幅值。此种调制方法目前应用较为广泛，特别是在CHB 逆变器上的应用其优势较为显著，在工业设计中这种调制方式也经常用来设置多个开关的角度，消除谐波。

2 利用傅里叶级数建立非线性方程组及求解过程

用向量形式表示可得最终求解的非线性超越方程组：

3 同伦算法模型的构造及其映射函数的求解方法

根据同伦计算的基本原理，由公式（3）可得出超越方程组：

在取易解方程组不同的时候则，得到的同伦映射也不同。因此通两边对t 求导，整理可得：

对上述方程也可求出它的精确解，即先用四阶龙格-库塔法求得近似解，再利用牛顿迭代法，求精确解。

4 利用同伦算法求解梯形调制

根据上面同伦运算公式（5）可得同伦方程如下：

图2 相电压和线电压的仿真频谱分析图

5 同伦算法对阶梯调制的仿真实验

本文通过PSIM 6.0 电力电子仿真实验软件，运用SHE-PWM的控制方法，对7 电平H 桥级联式逆变器进行了仿真实验。旨在验证同伦算法的结果在阶梯调制谐波消除的作用与效果是否与推理一致。如图2，通过仿真实验，输出工频（50Hz）相电压和线电压的谐波频谱分析，在时，相电压和线电压的5 次、7 次谐波均已被消除，但是3 的倍数次谐波还存在，而线电压的3 的倍数次谐波被消除。由此可以看出由同伦算法的与预期的消谐次数与前面的出的计算结果是一致的。