一種多單元串聯(lián)大功率逆變電源的控制方法

　　在圖1中，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，圖2給出了功率單元的逆變部分電路。

　　
圖2 功率單元逆變部分電路圖

　　
圖3 二重化PWM控制波形

　　移相變壓器副邊輸出的三相交流電經(jīng)功率單元的三相二極管整流橋整流后，經(jīng)濾波電容后形成平直的直流電，再經(jīng)由4個(gè)IGBT構(gòu)成的H型單相逆變橋，輸出PWM波。為了提高開關(guān)頻率，但同時(shí)又要考慮降低開關(guān)損耗，對(duì)功率單元實(shí)行二重化PWM控制。圖3為二重化PWM控制波形圖。

　　在圖3中，Vg1,Vg2,Vg3,Vg4分別為VT1，VT2，VT3，VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它們的導(dǎo)通規(guī)律如圖2所示。UAB為功率單元輸出電壓的波形圖。由圖3可知,在輸出端得到的等高不等寬的脈沖序列的基波分量就是正弦波，而且在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)VT1～VT4僅通斷一次，而輸出電壓為兩個(gè)脈沖,這說明輸出電壓脈沖頻率為開關(guān)管的工作頻率的2倍。此種控制方法提高了等效的載波頻率,使輸出電壓的諧波含量。減少，降低了開關(guān)損耗。

　　逆變器輸出采用水平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各個(gè)功率單元的載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM波輸出，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dV/dt很小。由于采用水平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加，因此功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率。波形圖如圖4所示。在圖4中，UA1，UA2，UA3分別為第一功率單元、第二功率單元、第三功率單元的輸出PWM波形，UA1為三單元串聯(lián)后的PWM波形。

圖4 三單元串聯(lián)逆變器PWM波形

　　3 多單元串聯(lián)大功率逆變電源控制系統(tǒng)的仿真研究

　　根據(jù)上述所采用的控制方法，同時(shí)考慮到逆變器的三相控制方式完全相同，因此我們對(duì)單相的控制方法，用OrCAD/PSpice仿真軟件進(jìn)行了仿真。圖5為逆變器單相控制系統(tǒng)框圖。

　　
圖5 逆變器單相控制系統(tǒng)框圖

　　仿真條件如下：采用同步調(diào)制，給定正弦波的頻率為1000Hz，載波比Kc=8，直流母線電壓為310V，死區(qū)時(shí)間設(shè)定約為1us,LC濾波器的參數(shù)為電感L=2.5mh,電容C=500nf,負(fù)載R=100Ω。圖6為逆變電源系統(tǒng)輸出的多電平的PWM波，圖7為逆變電源系統(tǒng)在上述條件下得到的輸出電壓仿真波形,圖8為輸出電壓的頻譜分析圖。

　　
圖6 系統(tǒng)輸出的多電平PWM波(濾波前)圖7 系統(tǒng)輸出電壓仿真波形(濾波后)

　　從圖6可以看出，對(duì)多單元串聯(lián)的仿真波形與圖4是一致的，從而也驗(yàn)證了理論分析的正確性。

　

　圖8 輸出電壓頻譜圖

　　由圖7可以看出，經(jīng)過LC濾波后的系統(tǒng)的輸出電壓波形比較好，波形的畸變很小。

　　從圖8的頻譜圖中我們看到，輸出電壓不含高次諧波，但是含有三次，五次等奇數(shù)次諧波，這些奇數(shù)次諧波的幅值都比較小，其中三次諧波最大。根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)可計(jì)算出用來衡量波形特征的一個(gè)指標(biāo)，即總諧波含量THD(除去基波分量外各次諧波的電壓有效值與基波電壓有效值之比)。

　　總諧波電壓有效值為：6.849V

　　基波電壓有效值為：524.868V

　　總諧波含量為：1.305%

　　4 多單元串聯(lián)大功率逆變電源實(shí)驗(yàn)波形

　　本文研制的逆變電源設(shè)計(jì)容量為500kVA。按照相同的控制電路和主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先在30kVA的原型機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與圖1相同。

　　以下為該實(shí)驗(yàn)裝置的部分波形。

　
　圖9 額定運(yùn)行時(shí)，A相輸出電壓的階梯波

　　從圖9中可以看出，實(shí)際輸出的階梯波與理論分析、仿真結(jié)果是一致的。

　　

圖10 輸出頻率為1200Hz時(shí)，輸出電壓UAB的波形

　　(帶100%阻性負(fù)載，THD=1.337%)

　　從圖10中可以看出，輸出波形保持良好的正弦度，諧波含量也能夠滿足要求。

　　5 結(jié) 論

　　本文詳細(xì)分析了多單元串聯(lián)電路的工作原理，采用二重化與水平移相式PWM技術(shù)相結(jié)合、電壓平均值閉環(huán)的控制方法完成逆變電源的控制，對(duì)此方法進(jìn)行了仿真研究，并在30KVA實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。仿真及硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于采用多單元串聯(lián)技術(shù)，相當(dāng)于提高了等效載波頻率，因此功率單元的開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗大大減少，同時(shí)也能夠滿足對(duì)輸出電壓及功率的要求;由于采用水平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波，因此系統(tǒng)輸出波形諧波含量較低;由于每個(gè)功率單元采用相互獨(dú)立的直流電壓源供電，因此對(duì)功率器件的電壓等級(jí)要求較低。研究結(jié)果表明多單元串聯(lián)逆變電源在高電壓大功率的場(chǎng)合中應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。