采用PWM技術實現三相五電平CSI拓撲的設計

引言

現有的關于多電平變流器的研究工作主要是針對電壓型變流器（Vohage Source Inverter，簡稱VSI），對電流型變流器（Current Source Inverter，簡稱CSI）研究還較少。這不僅是因為通常的電力能源例如發電機，電網，電池等均屬電壓源，而且VsI中的儲能元件電容器與CSI中的儲能元件電感器相比，儲能效率和儲能元件的體積、價格都具有明顯的優勢。但是，隨著超導技術的發展，將解決電流型變流器中電感的儲能效率問題。和VSI相比，CSI也具有自己的特點，它便于實現四象限運行，而且工作更加穩定，輸出電流更加容易控制等。因此，在有源濾波（APF）、無功補償（SVG）以及電力系統中，應用將會越來越廣泛。對于多電平逆變器而言，PWM技術無疑是一種獲取理想輸出的方案。總體上來講，適用于多電平VSI的控制策略同樣適用于多電平CSI，但對于不同的拓撲應采用相適應的控制策略。對于組合式多電平CSI，各個單元CSI在控制上相對獨立，因而便于采用PWM技術。對于直接式多電平CSI，不能簡單沿襲常規的調制方法，通常，三相多電平CSI在選取控制策略時必須考慮以下因素：

1）要維持直流側電流的持續導通；

2）要保證分流電感的電流平衡；

3）要考慮到三相電流的相互耦合影響。

1 、電路拓撲分析

圖1是本文介紹的三相五電平CSI拓撲（以下稱為直接式三相五電平），每個開關器件由MOS管和一個快恢復二極管串聯。在穩態時，考慮到電路拓撲的對稱性并忽略電感的紋波，則在分析電路時圖中可用值為1／2的電流源來代替每個均流電感。如圖2所示，它的輸出電平為一I，一I／2，0，1／2．I五電平。

采用PWM技術實現三相五電平CSI拓撲的設計

本文中的CSI，從形式上看是兩個普通逆變器并聯于同一電流母線兩端，但其工作原理是利用多電平組合的思想，五電平拓撲利用4個均流電感對逆變器的輸入電流、輸出電流均分成兩等份，然后再用相應的開關對三相電流進行合理的分配、組合得到所需的五電平。以A相為例，輸出電平和開關導通示意如表1所列。

2 、三相直接式五電平CSI的調制方式研究

常用的多電平變流器的PWM控制方法有：多電平消諧波PWM（SHPWM），載波相移（CPS—SPWM），開關頻率優化（SFO—PWM），空間矢量調制（SVPWM）。本文對圖1所示的三相新型五電平CSI的調制方式是一種組合邏輯的PWM技術，用三相互差120°的正弦波調制信號和一個三角載波比較（正弦波的幅值為5V，三角波幅值為2．5V），再通過數字和模擬電路的組合輸出相應的PWM波。

圖3為采用的實現PWM技術的數字化方案。所有的比較器單元（決定著開關邏輯）接收三相正弦波調制信號，每一個正弦波對應一片EPROM和D／A轉換器，每一個EPROM均由不同的計數器來尋址，且通過鎖相環與對應相的電源同步。幅值控制信號為Vmod，它與包含著正弦調制信號的EPROM的輸出經過D／A轉換后相乘，然后作為每個比較模塊單元的調制信號。

對于電流型逆變電路，開關動作須滿足三個條件，即維持直流側的持續導通；考慮三相電流相互耦合的影響；均流電感上平均電壓應為零?；谝陨峡紤]，本文采取了以下的PWM控制策略。

1）以A相為例，如圖4（a）所示，由SINA、一SINA與同一個三角載波比較分別得到一個二電平的脈沖信號，兩個信號疊加得到一個三電平的脈沖信號PA。（同理，可得信號PB，Pc）。三電平的脈沖信號PA和PB相疊加得到五電平的一組調制信號PA一PB，如圖4（b）所示，同理可得PB—PC，PC-PA。

2）考慮到上述的電流電平組合條件，取PA（PA1，PA2，PA3，PA4分別代表開關SA1，SA2，SA3，SA4上的控制信號）為正半周大于零的電平信號，PA2為正半周大于1／2的電平信號，同理，PA3為負半周小于零的電平信號，PA4為負半周小于一1／2的信號。通過模擬開關使PA1、PA2以及PA3、PA4均勻地交替輸出，這樣，每個開關管上的驅動信號皆為寬窄脈寬交替，保證了若干周期內左右兩個橋臂導通時間一致，從而能更好地實現均流電感平均電壓為零，如圖5（b）所示為同一橋臂的三個開關的驅動信號。

3）在本實驗中，主電路每個橋臂都不能存在直流無通路的情況。為了消除直流無通路的狀態，以一個橋臂為例，采用如圖5（a）的邏輯控制，對一個橋臂上的3個開關信號“或非”后取得該橋臂均不導通的信號，此信號與其所在相信號“與”后，再與該路的信號“或”，得到各路開關管上的控制信號。這樣能很好地保證主電路每個橋臂都不存在直流無通路的情況。

3、直接式三相五電平CSI仿真和實驗

3．1 仿真參數和結果

為驗證這種控制策略的正確性，本文對新拓撲構成的三相五電平CSI進行了仿真研究。仿真參數如下：電流源電流為20A，每個均流電感為100mH，逆變器的輸出工作頻率為50Hz，負載電阻為8Ω，負載為星型連接無中性線，輸出濾波器由LC組合而成（L=5mH，C=60μF）。

圖6（a）所示為三相五電平CSI的輸出PWM電流波形。圖6（b）為濾波后的三相負載電流波形，可見濾波后的電流波形非常接近正弦波。

3．2 實驗參數結果

在前面分析討論的基礎上，對三相直接式五電平CSI拓撲進行了實驗驗證。實驗的主電路如圖1所示，參數如下：每個均流電感為100mH，輸出電流的頻率為50Hz，負載電阻為8Ω，輸出濾波電容為60μF，濾波電感為8mH，載波比為32。實驗測得輸入電流約為4A，圖7（a）為濾波前的三相負載電流波形，圖7（b）為濾波后的波形，可以看出，輸出波形非常接近正弦波。