级联式高压变频器优化算法的研究

　　级联式高压变频器又称**无谐波变频器，通过串联若干低功率单元的方式实现高压输出，从本质上解决了以往高压大功率变频器存在的许多问题，如对电网的谐波污染大，输入功率因数较低，输出对电机绝缘的影响等。该系列变频器首次使用了IGBT控制技术，独特的构思和模块化的设计使得其在可靠性、易维护性等方面大大优于普通的高压变频器。经过多年的研究和发展，针对该类拓扑结构变频器提出了诸多控制算法，如低次谐波*少控制算法，指定谐波消去算法（SHEPWM），载波移相控制算法（PSPWM）等研究生，主要从事电力电子与电气传动方面研究。

　　MATLAB软件进行仿真分析。

　　1级联式变频器工作原理为了有效抑制输入电流谐波对电网的污染，采用多重化移相变压器为功率单元独立供电（）。当五级功率单元串联输出时，变压器就需要5组共15路三相电压输出，理论上输入电流中不含有29次以下谐波。

　　中虚线部分为一个功率单元，每相内的功率单元依次串联，以实现相电压输出。每个功率单元的输出电压有-E、0、+E三个等级，N级单元串联输出时相电压就有2N+1个等级，这样输出电压的等级远多于传统两电平控制方式的，输出电压的谐波含量也远低于传统两电平控制方式的。

　　级联式高压变频器优化算法的研宄级联式高变频器拓扑结构1.1载波移相控制算法载波移相控制算法的理论基础是传统的SPWM控制技术。为r降低输出电压和电流的变化率，需要为每级功率单元配置一路三角载波，且各载波相位不同（）。所有功率单元的正弦调制波的幅值和相位相同，三角载波形状相同但相位不同，各栽波问相角依次移动23TW（或2：1故）。左右桥臂的调制波相位相反有助于提高等效载波比和提高电压利用率D功率单元的输出为SPWM波，其基波电压为：其中，M表示调制比（即正弦调制波的幅值），为输出电压的角频率，*为直流母线电压。五级功率单元串联输出时，输出电压为各个功率单元输出电压的叠加，其基波电压为：通过对正弦调制波幅值和频率的控制。能实现变压变频（VVVF）控制。

　　阶梯波控制算法是一种简化的多电平控制算法，以三级功率单元串联输出为例（），当角度分别取且波形呈对称分布。该控制算法的关键是计算导通角，H前常用的计算方法有低次谐波*少控制法和指定谐波消去法等导通角的大小只与调制波的幅值有关。VVVF控制时，阶梯波控制算法不如载波移相控制算法方便由于导通角的计算工作量比较大，在实际控制过程中很难进行实时计算，所以设计时一般是采用离线计算方法，事先将计算好的数值存人存储单元中备用。

　　此时，输出电压的脉动次数少。功率器件的开关损耗远小于多载波移相控制算法的，a控制比较容易实现，但输出电压和电流的i皆波含量高于多载波移相控制的，控制性能稍差。

　　阶梯波控制原理优化控制算法结合载波移相控制算法和阶梯波控制算法的优点，本文提出一种新型混合控制算法，既如载波移相控制算法一样，输出电压低、电流谐波含量少，且易于实现WVF控制；又如阶梯波控制算法一样，开关损耗少，且控制简便五级功率单元串联输出时，其中只有三级功率单元使用阶梯波控制，且其导通角不受调制波幅值的影响，始终运行在*大基波电压输出状态；另外两级功率单元使用载波移相控制，进行VVVF控制。采用这种组合方式，既考虑r输出电压电流的谐波含量，又兼顾丫基波幅值和功率器件的开关损耗UD对三级功率单元进行阶梯波控制时，导通角按照低次谐波*少原则计算，如下式所示：50Hz时输出波形示，输出相电压的等级减少，谐波含ffi有所增加。由于级联式高压变频器主要用于驱动大功率风机和泵类负载，其工作频率一般在35Hz以上，在此频率段的输出电压和电流的谐波能满足变频器的技术耍求。

　　（下转第23页> 0.1682，x3=0.5273，a=1.0169.为了实现VWF控制，当变频器频率降低时减小输出电压基波幅值，对输出频率进行分段，在不同频率段采用不同的组合方式/在20Hz时，仅对两级功率单元采用载波移相控制，其余三级功率单元处于直通状态（即输出零电压）D调制比A/e；/30Hz时，其中一级功率单元输出阶梯电压，其导通角为0.5708，其余两单元仍处于直通状态0调制比Me；在整个控制过程中，始终有两级功率单元处于载波移相控制状态，用于实现VVVF控制。在同一频率段内。输出阶梯波的波形是固定的。由于系统仅有两级功率单元采用载波移相控制，功率器件的开关损耗大大降低，输出电ffi和电流谐波含量也较阶梯波控制时低，又便于实现VVVF控制，且控制较简单。

　　3仿真结果使用MATLAB仿真软件，对该控制箅法进行仿真分析。当频率为50Hz时，各级功率单元的输出电压如所示，可以看出有三级功率单元的输出电压为阶梯波，剩余两级功率单元的输出为PWM波形D功率器件的开关次数明显少于载波移相控制的，器件的开关损耗大大降低。

　　输出相电m、线电压和相电流波形以及相电压频谱如所示。相电压共有11个等级，且以直流电E￡为单元进行变化，电压的变化率低。相电压的频谱图示出，低次谐波含量少，输出电压的谐波总畸变率THD= 13.7%，输出电m波形较好。当调制比M取1时，输出相电压的基波可达到45丨9V，电压的利用率较高。三相输出电流对称，波形近似正弦波。电流的谐波总畸变率仅为2.3%.输出电流波形优于阶梯波控制时的。

　　1电压不平衡且|Sp| =0.75时，直流环节电流、每相相电流及功率因数的仿真值（实线）和实验值（x点）综上所述，开关函数的选取对电力系统中逆变器有着显著的影响，而开关函数有效的工作范围取决于变流器的参数和电网不平衡度。

　　2电压不平衡时，含脉动成分的直流环节电流和A相电流3电压不平衡、消除脉动成分后的直流环节电流和A相电流