電動車用串聯(lián)多電平逆變器
摘 要:介紹了電動車用串聯(lián)多電平逆變器的基本工作原理與方法。
關鍵詞:電動車;多電平;逆變器
中圖分類號:TM46 文獻標識碼:A 文章編號:0219-2713(2005)05-0001-10
1 概述
隨著汽車數(shù)量的不斷增加,汽車排放氣對環(huán)境造成的污染越來越嚴重,在大城市中,汽車排放氣占了大氣污染物(一氧化碳,碳氫化合物以及氮的氧化物)的60~80%.已經(jīng)成為空氣污染物的主要來源。為了減少城市中的空氣污染.適應世界各國越來越嚴格的汽車排放標準.各大汽車公司均投入了巨資積極發(fā)展電動車。其中電動大客車由于載客量大.綜合效益高已成為優(yōu)先發(fā)展的對象。電動車(尤其是電動大客車)大都采用三相交流電動機,由于電機的功率都比較大,使三相逆變器中的開關器件需要承受的電壓和電流的應力較大,較高的du/dt又使電磁輻射干擾嚴重,并且還使開關器件的發(fā)熱量增大。而采用串聯(lián)多電平逆變器,則可以大大減少開關器件承受的電壓應力.也降低了du/dt的值和電磁輻射干擾,同時開關器件的發(fā)熱量也大大減少;由于輸出電壓電
平數(shù)的增加,也使輸出電壓的波形更加接近于正弦,控制性能也得到了較大的改善。
圖 1 為電動車用串聯(lián)多電平逆變器的主電路 圖,其中每一相都是由N個單相全橋式逆變器直 接串聯(lián)組成的,每一個單相全橋式逆變器,都具有 獨市且相同的直流電源供電,在電動車上就是由 獨立且相同的蓄電池供電.以便于蓄電池的外充 電及拆卸更換。電動車用串聯(lián)多電平逆變器,在 本文中介紹兩種,一種是采用單相全橋式SPWM 逆變單元直接串聯(lián)組成的,可以調壓的多電平
SPWM逆變器;另一種是采用單相全橋式方波逆 變單元直接串聯(lián)組成的、不可以調壓的多電半逆 變器。
2 可調壓的串聯(lián)多電平SPWM逆變器
可調壓的串聯(lián)多電平SPWM逆變器,是通過 N個具有相同獨市直流電源的單相全橋式三階 SPWM逆變單元以直接串聯(lián)的方式級聯(lián)而成的。 它的控制方法是用N個依次移開2π/N相位角 的載波三角被、與同一個正弦調制波進行比較,產 生出N組控制信號,用這N組控制信號(N組信 號依次相差2π/N相位角)去依次控制N個具有 相同獨立直流電源的單相全橋式三階SPWM逆變 單元,使每一個單相全橋逆變單元輸出相同的基 波電壓,然后將N個單相全橋逆變單元的輸出電 壓直接串聯(lián)疊加起來,就可以得到多電平SPWM 低諧波電壓輸出,這種串聯(lián)不存在開關器件的均 壓問題。
2.1 兩個單相全橋式三階SPWM逆變單元的串聯(lián)
兩個具有相同獨立直流電源單相全橋式 SPWM逆變單元的直接串聯(lián)電路如圖2所示。由于 N=2.所以載波三角波的移相角α=2π/2=π=180。對于三相輸出逆變器來說,其A相電路由兩 個單相全橋式SPWM逆變單元A1和A2串聯(lián)組 成.A1的載波三角波的移相角α=0;A2的載波三 角波的移相角α=2π/2=180。A1和A2的載波三 角波用同一個A相的正弦波進行調制.這樣就可 以得到A1的輸出電壓up1和A2的輸出電壓Up2. up1和up2具有相同的基波電壓.A1和A2串聯(lián)后的 輸出電壓uA=up1+up2就是輸出為接近于正弦波的SPWM多電平階梯波.其波形如圖3所示.
為了求出單相全橋式三階SPWM逆變單元 A1及A2的輸出電壓up1.up2的SPWM波形,必須先求出SPWM波形中各個脈沖前,后測a、h點的座標,為此先列出載波三角波的方程式。
對于單相全橋式三階SPWM逆變單元A1,α=0
對于單相全橋式三階SPWM逆變單元A1,α=180。
對于單相全橋式三階SPWM逆變單元A2,α=180。
式(1)~式(3)中:ωc及ωs分別為三角波和正弦 波的角頻率;
Uc及Us分別為三角波和正弦 波電壓的幅值。
對于單相全橋逆變單元A2的輸出電壓up2的 波形,在采樣點a:
從圖3中A2的up2波形可知,X=ωct在2πk+α到2π(k+1)+α區(qū)間內,在a.b點之間 得到up2的正脈沖.故可以得到up2的SPWM波的
時間函數(shù)式為
函數(shù)up2(X,Y)可以用雙重傅里葉級數(shù)表示,
當n=1時,Bo1=ME;當n≠1時,Bon=0故得up2的SPWM波形的雙重傅里葉級數(shù)式為
由于A1的載波三角波的α=0;A2的載波三 角波的α=l80=π,A1和A2用的又是同一個正弦調制波,所以由式(8)可得
由于up1和up2的基波電壓相同;同時又有 sin m(π-0)+sinm(π-π)=0。對于cosm(π-0)+cosm(π-π),當m等于奇數(shù)時等于零,所以式(9)和式(10)相加得到uA的雙重傅里葉級數(shù)式為
由式(11)可知,N=2的串聯(lián)疊加在逆變器A 相輸出電壓中得到的是五電平電壓輸出。在uA中 不再包含2F1次以下的諧波.僅包含2Fl以 上的諧波.uA=up1+up2的波形如圖3所示。
2.2 N個單相全橋式三階SSPWM逆變單元的串 聯(lián)
當單相全橋式三階SPWM逆變單元的個數(shù) N,取等于或大于2的任一自然數(shù)時,都可以利用 上述直接串聯(lián)疊加的方法,獲得多電平SPWM輸 出電壓波形,其電路如圖1中的A相所示.直接串 聯(lián)疊加可以消除單相全橋式逆變單元SPWM波形 中小于NF1次的諧波成分.其載波三角波的移 相角依次移開2π/N.對于圖1所示逆變器主電 路的A相,單相全橋逆變單元A1的α=0,A2的α=(2一1)2π/N,A3的α=(3一1)2π/N,……, AN的α=(N一1)2π/N,A1~AN用同一個A相 正弦波作調制波,得到A1~AN的輸出電壓up1~ upN的三階SPWM波形.
一般在實際應用時,N取4或5就可以了。
例如.當N=5時.
當N=5時,串聯(lián)疊加后在A相輸出電壓中將得到11電平SPWM電壓輸出,在輸出電壓uA中將不再包含5F1次以下的諧波,而只包含5F1次以上的諧波,其波形如圖4下面部分所示。
由式(15)可知,采用N個具有獨立直流電源的 單相全橋式SPWM逆變單元直接串聯(lián)疊加后,在A 相輸出電壓中將得到(2N+1)個電平的SPWM電 壓輸出,在uA的雙重傅里葉級數(shù)中可以消除NF1 次以下的諧波。例如當開關頻率fs=6 000 Hz,載 波比F=wc/ws=120.N=5時,在A相輸出電壓 的傅里葉級數(shù)中,將可以消除5120l_6001 次以下的諧波,使uA波形基本上成為正弦波電 壓。
3 不能調壓的串聯(lián)多電平逆變器
所謂不能調壓的串聯(lián)多電平逆變器,是指這 種逆變器采用單相全橋式方波逆變單元串聯(lián)疊加 的。單相全橋式方波逆變單元沒有經(jīng)過SPWM調 制,所以,這種串聯(lián)多電平逆變器的輸出電壓不是 多電平SPWM電壓,而是純電多平階梯波電壓,因 此,這種串聯(lián)多電平逆變器不具備調壓功能,要想 調壓就必須另外加人PWM調壓功能。
可調壓的串聯(lián)多電平SPWM逆變器,是由單 相全橋式SPWM逆變單元串聯(lián)而成的,它經(jīng)過了 兩次波形改善:一次是單相全橋式逆變單元本身 的SPWM調制、另一次是N個逆變單元的串聯(lián)疊 加,所以對波形改善的效果較好。而由單相全橋方 波逆變單元串聯(lián)而成的不能調壓的串聯(lián)多電平逆 變器,由于單相全橋方波逆變單元本身不能通過 SPWM改善波形,而只能依靠串聯(lián)疊加改善波形, 因而波形改善的效果較差。為了提高對波形的改 善效果,對于單相全橋方波逆變單元串聯(lián)組成 的純多電平階梯波逆變器采用了給定觸發(fā)角的方 法。給定觸發(fā)角的方法有兩種:一種是通過波形逼 近法來給定.另一種是采用消除特定諧波法來給 定。
3.1 用波形逼近法給定觸發(fā)角
不能調壓的串聯(lián)多電平逆變器的輸出電壓階 梯波波形如圖5所示,所謂用波形逼近法來給定 觸發(fā)角.就是用階波的面積與正弦波面積相等 法來給定觸發(fā)角α1,α2,...αN的值。具體作法是使 正弦波外側與階梯波構成的小三角形面積.依次 和正弦波內側與階梯波構成的小三角形面積相 等。用這種方法確定的階梯波各階梯起始點的觸 發(fā)角值,可以使階梯波的諧波含量大大減少. 當 N=4時,用上述波形逼近法確定的給定觸發(fā)角α1~α4的值為α1=7.5。,α2=22. 5。,α3=37. 5。,α4=67. 5。
由上述αa1~α4的值.算出輸出電壓階梯波中的 諧波、諧波畸變率和畸變總量如表2所列.包括第99 次諧波以內的諧波.其畸變總量為8.7403%。
3.2 用消除特定諧波法給定觸發(fā)角
在用消除特定諧波法給定觸發(fā)角時,假定α1,α2...αN、為對應于各階梯起點的角,如圖6所示, 則基波和各次諧波幅值的表示式為
由式(2)解出各次諧波的幅度如表3所列。
由表3可知,當α1=0.857,α2=24. 857,α3=35.143,α4=60.857時.N=4的串聯(lián)疊加 可以消除9次以下的諧波和零序諧波,使輸出電 壓波形得到了很大的改善。當以鐘脈沖來給定階 梯起點的觸發(fā)角時,半個階梯波周期的鐘脈沖個 數(shù)為對應第一個鐘脈沖,α2對應 第個鐘脈沖,α3對應第個鐘脈沖,α4對應第個鐘脈沖。
在圖6中,虛線表示的是用波形逼近法得到的 階梯波形和給定觸發(fā)角的值:實線表示的是用消除 特定諧波法得到的階梯波形和給定觸發(fā)角的值。
4 串聯(lián)多電平逆變器的特點
用單相全橋式逆變單元直接串聯(lián)組成的三相 多電平逆變器,與三相半橋式兩電平逆變器相比 具有如下的特點:
1)負載中性點N的電壓可以保持恒定 對 于兩電平的三相逆變器,當以直流電源電壓的中 點電壓E/2為參考電壓時,其負載中性點N的電 壓是脈動的,脈動的幅度為E/6。對于串聯(lián)多電平 逆變器而言.其輸出電壓是多電平階梯波.假設每 一個單相傘橋逆變單元的直流側電壓為E,則其 輸出的相電壓uA、uB、uC是多電平階梯波電壓,階 梯波的電平分別為E,2E,3E,...NE,假沒uN=
E.由可得unn/=0。說明負 載中性點N的電壓保持恒定.
2)要保證蓄電池的充放電均衡 由圖5可 知,串聯(lián)多電平逆變器在每一個階梯波半周期中, 各個單相全橋逆變單元A能性~A4的輸出功率由于 輸出電壓波形寬度的不同而不相等,亦即A1~A4 各蓄電池的輸出功率不相等。為了要保證每一個 蓄電池的放電均衡,必須以每一個階梯波半周期 為一個單位.順序交替地切換各個單相全橋逆變 單元A1~A4的輸出電壓波形,如圖7所示。這種 串聯(lián)多電平逆變器本不能調壓,但電動車要求調 壓,為此可以另外加入PwM調壓功能其方法如圖 8所示。
――用鐘脈沖產生出載波三角波uc,用uc與 直流控制信號u4在比較器中進行比較產生出 EPwM正脈沖信號。
――將原來不需調壓的驅動信號和EPwM信 號.起送到如圖8(b)所示的門電路,當兩個輸入 信號同時為正時就可以得到可調壓驅動信號.
3)蓄電池在充電和再生制動時的工作 蓄電 池在充電和再生制動時,多電平逆變器工作在整 流狀態(tài),每一個單相全橋逆變單元A1~A4,當上橋 臂或下橋臂全部導通時,該逆變單元的蓄電池則 被旁路。假設N個逆變單元串聯(lián)i個逆變單元被 旁路,則此時的輸出電壓瞬時值為(N一i)E.通過 旁路方式可以靈活地對蓄電池充電,同時還口可以 控制再生制動的力矩。
4)多電平逆變器的實用控制法 串聯(lián)多電平 逆變器的實用控制法,還可以采用諧波PwM控 制法(SHPWM)如圖9所示,和空間向量控制法。
SHPWM控制法是采用N個幅值上連續(xù)分 布,具有相同頻率、相同幅值的載波三角波與一個 共同的正弦調制波進行比較,在正弦波大于三角 波的地方產生出驅動脈沖,根據(jù)載波三角波的相 位不同又可以分為幾種情況.這里不再詳述, 由于電動車對電動機的動態(tài)響應有較高的要 求.所以采用三相異步電動機作動力的電動車,一 般都適合采用空間向量控制法.此法還可以提高 電池電壓的利用率.也使多電平逆變器可以輸出 多種SPWM電平,因此在利用電流跟蹤控制時.可 以大大降低開關次數(shù),減少輸出電流的諧波.提高 跟蹤效果。
當采用空間向量控制法時,逆變器的輸出向 量可以表示為
式中:uAN,uBN,uCN是A,B,C相輸出對于中性點N的電壓:
單相全橋式逆變單元的輸出狀態(tài)為
每一相可以輸出2N種電壓,三相可以組合 出的空間電壓向量的個數(shù)為8N3??紤]到輸出向 量必須維持中性點電壓的穩(wěn)定.在靜態(tài)座標系中, 可行的空間向量種類的數(shù)量為3(2M)(2N-1)+1. 對于N=4的串聯(lián)疊加.可以選擇的空間向量個 數(shù)為169個。
由于串聯(lián)多電平逆變器存在開關冗余狀態(tài),即 對于同一個空間向量可以通過多個開關組合來實 現(xiàn),這是由于多重疊加逆變器的特點決定的。由于 開關的組合不再是唯一的.為r使每一個開關器件 的工作頻率相等,在選擇空間向量后,還需要進行 開關頻率的均衡控制,以選擇合適的開關組合。
5 改進式串聯(lián)多電平逆變器
傳統(tǒng)的串聯(lián)多電平逆變器采用的是具有相同 電壓值的獨立直流電源,能產生出2N-1個電平; 而改進式串聯(lián)多電平逆變器所采用的獨立直流電 源.具有不同的電壓值,大體分為兩種:一種是直流 電源電壓以2的倍數(shù)遞增,能產生出2N+1一1(或 2N+1-2)個電平;另一種是直流電源電壓以3的倍 數(shù)遞增,能產生出3N個電平,電平數(shù)最多,但電池 的容量與電壓不成比例,故不能采用相同的單體電 池.不便于外充電,因此不宜采用。只有電池電壓以 2的倍數(shù)遞增時才適合于電動汽車應用.以N=2, E1=E,E2=2E,串聯(lián)疊甍加出2N+1-2=23一2=6個 電平的逆變器為例,其波形如圖10所示.這種串聯(lián) 多電平逆變器的優(yōu)點是:可以獲得大于2N-1個電 平,有利于輸出電壓波形的正弦化:可以不必再進 行各逆變單元輸出電壓之間的順序交替切換,使控 制電路簡化;各獨立直流電源可以采用相同的單元 電池,方便于外充電。
6 結語
串聯(lián)多電平逆變器.適用于大功率的電動汽 車驅動系統(tǒng),它可以減少多個蓄電池串聯(lián)帶來的 危險,可以降低開關器件的電壓應力和降低電磁 輻射干擾.
這種串聯(lián)疊加不用疊加變壓器或電抗器.降 低了體積、重量和造價。
串聯(lián)多電平逆變器輸出電壓的波形好.控制 靈活性好,控制精度高,中性點電壓波動小。為維 持各個蓄電池組電量的均衡,在運行時確保了蓄 電池的放電時間一致,通過旁路方式,可以靈活地 對蓄電池充電,還可以控制再生制動的力矩。
一個N=4采用功率場效應管作開關的 10 kw串聯(lián)多電平逆變器,在原型車上的實驗結 果如圖11所示.其中圖11(a)為20%額定速度時 的波形.圖l1(b)為35%額定速度時的波形.說明 串聯(lián)多電平逆變器應用于電動汽車驅動系統(tǒng)的效 果是好的。
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