串联H桥多电平逆变器输出规律的研究

第ｌ７卷第４期　苏州市职业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖ　２００６年１１月　Ｖ０１．１７　Ｎｏ．４　ＮＯＶ．２ｏｏ６　串联Ｈ桥多电平逆变器输出规律的研究　邱阳，索迹，祁春清　（苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州２１５１０４）　摘要：文章研究了多重移相串级叠加Ｈ桥多电平逆变器的输出规律，随着Ｈ桥单元个数的增加，输出波形越来　越接近正弦波，谐波含量也就越小；且应用ＭＡＴＬＡＢ进行了仿真验证，给出仿真波形。　关键词：Ｈ桥；多电平；多重移相叠加　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：　Ａ　文章编号ｌ１００８～５４７５（２００６）０４—００４９一ｏ４　０前言　以不加输出隔离变压器，而是各Ｈ桥单元直接首尾　相连，串级叠加．不论输出是否加隔离变压器，串联　Ｈ桥多电平逆变器的输出规律都是相同的，因为输　出电平数总是由Ｈ桥单元的输出状态和串联Ｈ桥　的数目决定的．本文研究的带有输出隔离变压器的　串联Ｈ桥多电平逆变器是指各单元的变压比相同　的情况，如果变压比不同，那么串联Ｈ桥多电平逆　变器的输出规律也不同　．　１　Ｈ桥单元输出规律　串联Ｈ桥多电平逆变器（简称多单元逆变器　Ｃａｓｃａｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）以Ｈ桥结构为基础，将具有移相或　不同导通角的多个Ｈ桥单元串联起来，得到具有多　个电平的合成电压，实现高压大容量输出…．近年　来，串联Ｈ桥多电平逆变器在高压大功率应用场合　越来越受到重视．　图１为单相串联Ｈ桥多电平逆变器拓扑结构．　１ｌ辊　Ｄｃ　鲁＝ｃ　Ｌ　ｒ＿ｉ５　卧　『Ｄｃ　ｃ　广｛　Ｉ　。　串联Ｈ桥多电平逆变器是由多个Ｈ桥单元串　联组成的，Ｈ桥单元是串联Ｈ桥多电平逆变器的基　本结构单元，图２是基于ＩＧＢＴ的一个Ｈ桥单元，Ｈ　桥单元输出电压与开关器件Ｖ　、Ｖ　、Ｖ　Ｖ　的开关　状态有关，通过控制Ｖ　Ｖ　、Ｖ　Ｖ　的开关状态，可　Ｉ　ｌａ￣ｌ／　￣Ｌ＿！　ｌ　Ｉ）Ｃｇ　Ｃ一　【　ｒ　使该Ｈ桥单元输出不同电平．　ｌ（Ⅳ一ｍ８０Ｐ　３　＿ｌ『１＿｛Ａ　图１单相串联Ｈ桥多电平逆变器拓扑结构　Ｎ　图中，Ｖ　为输入直流电源，本文研究的串联Ｈ桥多　电平逆变器的直流输入电源相同，如果各单元输入　直流电源不同，则称为混合单元级联多电平逆变器，　混合单元级联多电平逆变器输出电平规律较复杂．　１，２，３…Ｎ为ｎ个Ｈ桥逆变单元，各单元通过输出隔　离变压器串级叠加．有的串联Ｈ桥多电平逆变器可　图２　Ｈ桥单元结构　当Ｖ　Ｖ　导通，Ｖ　、Ｖ　关断（输出为正电压＋　Ｖ　）；或者当Ｖ　、Ｖ　导通，Ｖ　、Ｖ　关断（输出为负电　压一Ｖ　。），对应输出为两电平（即方波），如图３．　收稿日期：２００６—０９一ｌ２　基金项目：江苏省教育厅自然科学基金项目《数字化电源网络的分布式控制技术研究》（０３ＫＪＤ４７０２０７）　作者简介ｉ邱阳（１９７６一），男，江苏宜兴人，工程师，研究方向：电力电子及自动控制；索迹（１９７２一），男，吉林四平人，硕士，工程师，研　究方向：电力电子与电力传动；祁春清（１９７３一），女，辽宁辽阳人，硕士，工程师，讲师，研究方向：电力电子与电力传动。　４９　ｌ　ｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

苏州市职业大学学报　第ｌ７卷　＋　如果逆变单元的直流输入电压相同（都为　Ｖ　），则每相电压可以达到的最大值ｕ…　和最小值　Ｕｐｍｉｎ分别为：　０　ｕ　＝＋ＮＶ　ｋ　ｕ　＝一ＮＶｄ　当逆变单元方波输出（即只输出两电平＋Ｖ　。和　一　。　一Ｖ　）时，由于逆变单元输出两电平，输出电压没有　图３　Ｈ桥单元两电平输出波形　“０”电平，所以每相功率单元的输出电平叠加在一　起时每升高或降低一个“台阶”就要跨过两个电平　而不是一个电平．因此，每相电压可以实现的电平数　除上述两种状态外，如果Ｖ　Ｖ　导通，Ｖ　、Ｖ　关断或者Ｖ　、Ｖ　导通，Ｖ　、Ｖ　，关断，则Ｈ桥单元就　增加了一个零电压，对应输出电平数则为三电平（即　矩形波）．波形见图４　‘厂＿］　．　图４　Ｈ桥单￣ＬＳ－－电平输出波形　串联Ｈ桥多电平逆变器属于阶梯波合成逆变　器，由Ｎ个依次相移，ｒｒ／Ｎ的逆变单元输出的方波或　矩形波叠加得到合成阶梯波，即多重移相叠加法　．　多重化逆变器输出阶梯波的阶高按正弦规律变化，　如图５所示．这种阶梯波中的谐波含量显著减少，阶　梯波数目越多，波形越接近正弦波，谐波含量越　小［　．　阶梯波　ｌｌ　弦波　０　，　７ｃ　２７ｔ旦　图５合成波波形　２串联Ｈ桥多电平逆变器输出规律　由振荡器输出的方波或矩形波经分相电路输出　Ｎ个依次相移　Ｎ的方波信号，经驱动电路后供给各　逆变单元的功率开关　］．所以，Ｎ个逆变单元输出Ｎ　个依次相移，ｒｒ／Ｎ的方波电压ｕ．、ｕ　、…、ｕ　，其初始相　位分别为‘Ｐ，＝０、‘Ｐ２＝，ｒｒ／Ｎ、…、‘ＰＮ＝（Ｎ一１）　Ｎ，多　重化逆变器的输出侧就可以得到阶梯波输出，即ｕ＝　一５０一　ｍ为：　ｍ＝（ｕｐ…一ｕｐ…）／２Ｖｄｃ＋１＝Ｎ＋１　即，可实现的电平集合为：　（＋ＮＶ　ｄｃ，…＋４Ｖ　，＋２Ｖｄｃ，０，一２Ｖｄ。，一４Ｖｄ。，　…一ＮＶ　）（Ｎ为偶数时）或（＋ＮＶ　，…＋３Ｖｄｃ，　＋Ｖ　０，一Ｖ　一３Ｖ　…ＮＶ　）（Ｎ为奇数时）　逆变回路接成三角形（／Ｘ）时，由于线电压等于　相电压，此时线电压的电平数和电平集合都与相电　压的分析结果相同；逆变回路接成星形（Ｙ）时，每相　电压可以实现的电平数ｍ　为：　ｍ　＝（ｕ。…一ｕ　ｍｉ　）／Ｖｄ。＋１＝２Ｎ＋１　即，可实现的电平集合为：　（＋２ＮＶｄ　，…＋４Ｖ　ｌ　，＋２Ｖ　ｌ　，０，一２Ｖｄ　，一４Ｖｄ　，　…一２ＮＶｄ　）　这样，逆变单元两电平输出时的输出规律是：Ｎ　单元串联逆变器合成波相电压是Ｎ＋１电平；线电压　是Ｎ＋１电平（角接时）或２Ｎ＋１电平（星接时）；最　高电压是单元电压的Ｎ倍．　当逆变单元矩形波输出（即输出三电平＋Ｖ　０　和一Ｖ　）时，由于每相功率单元的输出电平叠加在　一起时每升高或降低一个“台阶”就要跨过一个电　平．因此，每相电压可以实现的电平数ｍ为：　ｍ＝（ｕ。　。　一ｕ。　ｉ　）／Ｖｄ　＋１＝２Ｎ＋１　即，可实现的电平集合为：　（＋ＮＶ　ｋ，…＋２Ｖｄｃ，＋Ｖ　，０，一Ｖｄ。，一２Ｖ　．，…　一ＮＶｄ　）　逆变回路接成三角形（／Ｘ）时，由于线电压等于　相电压，此时线电压的电平数和电平集合都与相电　压的分析结果相同；逆变回路接成星形（Ｙ）时，每相　电压可以实现的电平数ｍ　为：　ｍ　＝２（ｕ。　一ｕ。　ｉ　）／Ｖｄ　＋１＝４Ｎ＋１　即，可实现的电平集合为：　（＋２ＮＶｄｃ，…＋（Ｎ＋１）Ｖｄ　，＋ＮＶｄ　，…＋２Ｖｄ　，　＋Ｖ　０，一Ｖ　一２Ｖ　…ＮＶ　一（Ｎ＋１）Ｖ　…，　一２ＮＶｄ　）　这样，逆变单元两电平输出时的输出规律是：Ｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第４期　邱阳，索迹，祁春清：串联Ｈ桥多电平逆变器输出规律的研究　单元串联逆变器合成波相电压是２Ｎ＋１电平；线电　压是２Ｎ＋１电平（角接时）或４Ｎ＋１电平（星接时）；　最高电压是单元电压的Ｎ倍．　３仿真分析　为了验证串联Ｈ桥多电平逆变器多重移相叠　则：第１个单元导通　，导通开始时间分别为　ｘ３：０．００５ｓ和　ｘ９：０．０１５ｓ；　第２个单元导通　，导通开始时间分别为　×２：０．００３３３ｓ和　×８：０．０１３３３３ｓ；　加的输出规律，本文应用ＭＡＴＬＡＢ进行了仿真分　析．　令基于ＧＴＯ的串联Ｈ桥多电平逆变器的单元数　为３，即Ｎ＝３，根据多重移相叠加原理，每个单元初始　第３￣－ｇｔ￣Ｎ５，导通开始时间分别为　相位为　（ｎ：Ｎ，Ｎ一１，…３，２，１），也就是说，　每个单元依次相移　（ｎ＝Ｎ，Ｎ一１，…３，２，１）．　工频状态下ｆ＝５０Ｈｚ，则每个单元的触发脉冲时间依　次延迟　（　：Ｎ，Ｎ—ｌ，…３，２，１），由此算　出：第１个单元延迟０ｓ，第２个单元延迟０．００３３３ｓ，第　３个单元延迟０．００６６６Ｓ．根据计算所得的延迟时间给　出各单元的触发脉冲，脉冲周期０．０２ｓ，占空比５０％，　逆变单元输出方波，逆变回路星形连接．　图６是基于ＧＴＯ的两电平输出空载仿真波形，　三个波形分别是单个单元的仿真波形、相电压仿真　波形、线电压仿真波形．从仿真图可以看出，相电压　包含４个电平，线电压包含７个电平，验证了前面讨　论的逆变单元方波输出时，相电压电平数ＩＴｌ＝Ｎ＋１，　逆变回路星形连接线电压电平数ＩＴｌ＝２Ｎ＋１的输出　规律．　５　＾　１口　ｖ　１　髻０　・　ｘ１０　：２　１３　翟．＊　２　５　ｘ　０　兰量ｌ　０．０４　０　０６　０．０８　时间（ｓ）　图６　ｎ＝３两电平输出时仿真渡形　基于ＧＴＯ逆变单元三电平输出时，采用各单元　逆变器导通角不同的方法合成阶梯波．每个逆变单　元一个周期内正负半周各导通一次，可以把理想电　压输出波分为３×４：１２份，每份占一个周期的　．　×ｌ：０．００１６６６７ｓ和　×７：０．０１１６６６７ｓ．　可以看出，每个逆变单元正负半周开始导通时　间都相差０．０１　ｓ，正好半个周期，这和理论相符．根据　这３个单元的开始导通时间给出触发脉冲，就可以　得到多重叠加的输出波形，图７是基于ＧＴＯ三电平　输出空载仿真波形．仿真图中前三个波形是３个单　１　０　１　１＾　ｖ　智　斟　　０　元的输出波形，每个单元一个周期内导通两次，各单　元导通时间不同．第四个是合成后的输出相电压波　形，波形中包含７个电平，符合前面讨论的逆变单元　三电平输出时，合成波电平数ＩＴｌ＝２Ｎ＋１的输出规　律．　５　１口　５　ｘ　１０　５　ｘ　１０　５　图７　ｎ＝３三电平输出时仿真波形　依据上述脉冲生成方法，对ｎ＝５进行了仿真．　图８是基于ＩＧＢＴ两电平输出空载仿真波形，三个波　形分别是单个单元的仿真波形、相电压仿真波形、线　电压仿真波形．从仿真图可以看出，相电压包含６个　电平，线电压包含１１个电平，符合Ｎ＝５时的电平输　一５ｌ一　１　１　维普资讯 http://www.cqvip.com

苏州市职业大学学报　第ｌ７卷　＾　ｖ幽删候瓣　【＾ｖ蜜　出规律，波形更接近正弦波．　５　２　０　２　０　５　０　５　真图中前５个波形是５个单元的输出波形，每个单　元在一个周期内导通两次，各单元导通时间不同．最　下一个是合成后的输出相电压波形，波形中包含１１　个电平，符合前面讨论的逆变单元三电平输出时合　成波电平数ｍ＝２Ｎ＋１的输出规律．　４结论　串联Ｈ桥多电平逆变器是一种新型结构的逆　变器，该逆变器每个功率单元构造相同，便于模块化　设计和制造，系统可靠性高；当某一级逆变桥出现故　１　障时，就被旁路掉，剩余模块可不间断供电，以尽量　减少生产损失；输出电压波形电平数较多，非常接近　窭－０　正弦波，对电网谐波污染小，无需任何功率因数补　０．０２　０　０４　０．０６　０，０８　０　１　偿．这些特点决定了串联Ｈ桥多电平逆变器具有较　丁　ｏｆｆｓｅｔ：０时间【￡）　好的发展前途和广泛的应用前景　Ｊ．　图８　１３＝５两电平输出时仿真波形　本文研究了多重移相串级叠加Ｈ桥多电平逆　５　变器的输出规律，进行了仿真验证．并且可以看出，　随着Ｈ桥单元个数的增加，输出波形越来越接近正　弦波，谐波含量也就越小．　Ｈ　ＩＵ　ｒ——－　＿——ｒ—－———　１　——————ｒ　—————１————　——ｒ————　—１———————Ｔ—————‘’—１　‘。２　　Ｌ—ｇＪ————————　——　—　——　—　：　：　—１÷］　ｒ÷１　：２：！　，　。　．　．　．一　一．　参考文献：　霎三巨　盏　［１］Ｈｉｕ　ｚｈｅ　Ｙｅｎ．Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｅａｋ　ｖａｌｌｅｙ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｈｕｎａｎ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｏｗｅｒ。２００１（５）：５９—６０　．．２ｉ　匣　至王匿Ｌ—１　Ｌ———０———　———　———＾－———Ｌ———Ｌ—　　［２］Ｂａｉ　ｈｏｎｇ　ｓｈｅｎｇ，Ｚｈｕ　ｌｉ，Ｌｉ　ｇａｎ　ｓｈｎｇ　Ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｄｉｖｅｒｓｅ　ｇａｔｈｅｒｓ　Ｃａｌｌ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　Ｃｏｎｓｅｒｖｅｓ　ｅｎｅｒｇｙ，２０００（４）：４４—４６　［３］Ｈａｎ　Ｂ，Ｂａｃｋ　Ｓ，Ｋｉｍ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＳＳＳＣ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｈｉｂｒｉｄｇｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ．　２００２，１７（４）：６２３—６２９．　［４］Ｗｕ　ｈｏｎｇ　ｙａｎｇ．Ｃａｓｃａｄｅ　ｍｕｈｉｌｅｖｅｌｓ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｒｅ－　ｓｅａｒｃｈ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｊｏｕｒｎａｌ，２００１，２１（８）：４２—　４６．　［５］Ｊ，Ｓ．Ｌａｉ　ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｓｎｕｂｂｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ—　ｖｅｒｔｅｒ．ＩＥＥＥ　ＡＰＥＣ．１９９５：７９７—８０３．　图９　１３：５三电平输出时仿真波形　图９是基于ＩＧＢＴ三电平输出空载仿真波形．仿　（责任编辑：李政）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｌａｗ　ｏｆ　Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ　ｃａｓｃａｄｅｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＱＩＵ　Ｙａｎｇ，ＳＵＯ　Ｊｉ，ＱＩ　Ｃｈｕｎ—ｑｉｎｇ　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｔｆｉｎｇ　ｃａｓｃａｄｅ　ｔｏ　ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅ　ｔｈｅ　Ｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｍｕｌｔｉ——ｌｅｖｅｌｓ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｒｕｌｅ，ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｉｔ　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｗａｖｅ　ｓｈａｐｅ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｓｍａｌｌｅｒ．ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｃｅｒｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｔｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ　ｃａｓｃａｄｅｄ；ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｔｆｉｎｇ