非对称混合级联型多电平逆变器调制方法研究

王鹏帅 韩如成

（太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024）

级联型多电平逆变器基于低压小容量逆变器级联的组合方式，技术成熟，易于实现，较适合七电平或九电平以上的多电平逆变器应用场合，具有易实现模块化、易于扩展和调制方法简单的优点。所以近几年级联型多电平逆变器在电机驱动、大功率有源电力滤波等场合得到了广泛应用[1-3]。

传统的 2H桥级联型多电平逆变器，各单元直流电源电压相等，各级联单元采用相同的开关器件，在级联的基本单元数目为N的情况下，其输出的最大电平数为（2N-1），并且需要N个独立的直流源。需要数目众多的独立直流源在一定程度上限制了级联型多电平逆变器的应用范围[4]。另一方面，当级联数目为N时，需要的开关器件数目为4N，数目众多的开关器件致使调制电路非常的庞大和复杂，所以如何简化拓扑结构就成为多电平逆变器领域一个重点的研究方向。最近各国学者提出了几种新型级联型多电平逆变器拓扑[5-7]。

本文在新型拓扑电路的基础之上，提出一种非对称混合级联型多电平逆变器拓扑电路，该拓扑电路结合混合型拓扑电路以及非对称结构的优势，充分发挥了不同类型开关器件的优势和特点，减少了开关器件的使用从而简化了调制电路。不同的拓扑电路只有搭配与之相适应的调制方法才能充分体现其优势，国内外对于对称型的拓扑电路调制方法研究已经相当成熟，如多载波正弦脉宽调制法、相移SPWM法、谐波消除法等，而非对称型的拓扑电路调制方法的研究相对较少。但是不对称的现象在很多场合都存在，比如：光伏并网重要环节的级联式逆变器由于光伏电池的 V-I特性不同、接收光强的差异以及经过按MPPT算法后的DC/DC输出等都会造成逆变器的直流源电压等级的不同，即所谓的非对称[8]。

由于存在上述问题，本文在一种新型非对称混合级联型多电平逆变器拓扑电路的基础之上，提出一种与之相适应的调制方法。该方法兼具阶梯波和正弦脉宽调制[9]的优点，充分发挥了新型拓扑电路的优势。文章最后对提出的方法进行了仿真研究，验证了该方法的正确性与有效性。

1 非对称混合级联多电平逆变器的拓扑及其工作原理

文献[7]提出的新型拓扑结构如图1所示，当直流源V1=V2=…=Vn，并且开关器件均采用如图所示的IGBT时，该拓扑结构即为对称型多电平逆变器。当V1≠V2≠…≠Vn，且各单元采用不同类型的开关器件时，该拓扑电路就称为非对称混合级联结构，其工作原理和各开关状态所对应的输出电压，见表1。

表1中输出电压为H桥部分开关器件t1和t2导通时的输出，合理控制H桥部分的开关器件的通断，就能实现对称的反向电压输出。

图1 新型拓扑结构

表1 基本单元级联结构的输出电压Vo及其对应的开关状态

如果令第一个直流电压源v1为基准电压，且

那么，这种级联型逆变器就称为对称多电平逆变器，其最大输出电压可表示为

式中，n为H桥的个数，而其最多有效地输出电平数为

不对称的拓扑结构可以在不增加H桥数目的基础上，增加输出电压的电平数。在文献[7]中提出了一种不对称多电平逆变器的电压选取方案，其最大输出电压和电平数可由下式表示：

当vj= 2j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

对应的最大打压等级：

当vj= 2j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

当vj= 3j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

其对应的最大电压等级：

当vj= 3j-1v1，其中j=1, 2, 3, …, n

当图 1中的电路结构采用非对称式的电路结构，并且开关器件采用不同类型的开关器时，该级联型逆变器电路结构就称为非对称混合型多电平逆变器。

2 调制方法的研究

本部分通过二单元级联与三单元级联的拓扑电路来进行对上文中提出的非对称混合级联多电平逆变器的调制方法进行研究。

2.1 两单元级联

对于图2中的两单元级联型拓扑结构，第一单元的开关器件采用GTO，第二个单元则采用IGBT，由于GTO具有更高的耐压值，而IGBT则具有更高的开关频率，所以第一个单元采用消谐波 PWM而第二单元采用SPWM，不同于传统SPWM的地方是其调制波为正弦调制波us与第一单元的输出电压的波形之差，即

图2 二单元级联电路

其调制和输出波形在0～π区间内的如图3所示。

对第一单元的输出电压波形进行傅里叶分析可得

在n=5时，令cos（5θ1）=0，可以得到开关切换角θ1=π/10。

2.2 三单元级联

对于图4中的三单元级联型拓扑结构，一单元和二单元均采用耐压值较高的开关器件，如GTO，而第三单元则采用开关频率较高的器件，如IGBT。

其调制方法为：第一单元采用固定触发角驱动，以消除5次谐波，第二单元采用给定的触发角驱动法，而第三单元采用高频载波的SPWM控制法用来改善波形消除谐波。需要指出的是第三单元的调制波是正弦波us与一二单元的输出电压瞬时值波形之差的电压波形 us=（up1+up2）。各个单元的输出电压up1、up2、up3的串联叠加，就可以合成图中所示的输出电压uo的波形。

图4 三单元级联电路

图5 调制和输出波形

图5（c）中所示的输出电压波形的傅里叶级数展开为

式中，n为一二单元输出电压所含有的谐波次数，理想情况下，给定的基波电压V1，可以通过计算得出开关角θ1θ2θ3使高次谐波全部为零。这时V(wt)=V1sin(wt)。对于三相的多电平逆变器，每相中的三次谐波可以在线电压中自动消除。本文要实现的目的是计算出基波电压，并且消除5次和7次谐波。要解决的问题就是下面的式子：

3 仿真结果

在仿真软件包Matlab/Simulink平台上搭建了二单元和三单元非对称混合级联型多电平逆变器的模型，对本文中提出的调制方法进行了仿真验证。仿真结果验证了本文中提出的调制方法的正确性。

3.1 二单元级联仿真

仿真参数：V1=3500V, V2=1500V，负载R=10Ω,L=0.01H，载波比：fc/fr=50，调制度 M=0.85，开关切换角：θ1=π/10。设置仿真时间为 0.04s，仿真结果如下。

仿真结果分析：从仿真结果可以看出，多电平逆变器的电压输出等级得到提高，同时5次谐波得到了很好的抑制。但是电压波形受到影响，具有较多的高次谐波，不过谐波问题可以在增加级联数目的条件下得到很好地解决。

图6 二单元级联仿真

这是一个有三个未知数的超越方程组。可以有很多种方法来得到这三个开关角，本文采用在Matlab中编写m文件来计算得到。本文中定义调制比

3.2 三单元级联仿真

仿真参数：V1=4000V, V2=2000V, V3=1000V，负载R=10Ω，L=0.01H，载波比：fc/fr=50。

设置调制度m=1.5，计算超越方程组：

文献[4]中关于超越方程组的分析，设置初始切换角度：θ1=40°, θ2=56°, θ3=80°，在 Matlab 中编写 m文件，经过迭代计算可得：θ1=39.76°,θ2=55.99°, θ3=81.78°。设置仿真时间为 0.04s，仿真结果如图7所示，从输出波形频谱图7（b）中可以看出5次和7次谐波得到了很好的抑制。

图7 三单元级联仿真

仿真结果分析：从3单元级联结构的仿真结果可以看出，较2单元联结构，输出电压的波形得到改善，减少了高次谐波的产生。同时可以看出，开关切换角的确定方法正确，5次和 7次谐波得到了很好的抑制，含量极少。

4 结论

本文在新型级联型多电平逆变器的基础之上，研究了非对称混合级联情况下该新型拓扑的调制方法。提出了阶梯波和正弦脉宽调制相结合作用于该新型拓扑电路的思路，该方法充分发挥了不同开关器件的优势，对非对称的情况尤其适用，具有一定的应用价值。

[1] 刘风君,多电平逆变器技术及其应用[M].北京：机械工业出版社, 2007.

[2] TOLBERT L M, PENG F Z, HABETLER T G,Multilevel converters for large electric drivers[J].IEEE. Trans. on. Ind. Appl, 1999, 35(1)： 36-44.

[3] ZHANG D, TOLBERT L M, CHIASSON J N,OZPINECI B, LI H, Huang A Q： HYBRID CASCADED H-BRIDGES multilevel motor drive control for electric vehicles[C]. IEEE Power electronics specialiconference. Juju, Korea, 2006, 6：1-6.

[4] ZHONG D, TOLBERT L M, OZPINECI B, CHIASSON J N. Fundamental frequency switching strategies of a seven-level hybrid cascaded H-Bridge multilevel inverter[J]. IEEE in IEEE Transactions on Power Electronics. 2009, 24(1)： 25-33.

[5] BABAEI E. A cascade multilevel converter topology with reduced number of switches[C]. IEEE Trans Power Electron 2008, 23(6).

[6] HINAGO Y A Single-Phase multilevel inverter using switched series/parallel DC voltage sources. IEEE Transactions On IndustrialElectronics 2010, 57(8).

[7] BABAEI E, HOSSEINI S H. New cascaded multilevel inverter topology with minimum number of switches[J]. Energy Conversion and Management 2009(50)： 2761-2767.

[8] 陈元娣,刘涤尘,宋庆国.阶梯波调制级联逆变器触发角的一种简便算法[J].电工电能新技术, 2010, 29(1)：35-40.

[9] 费万民,吕征宇,姚文熙.多电平逆变器特定谐波消除脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报, 2003,23(9)： 11-15.