多电平逆变器中电平数量的增加，对控制方案的选择和谐波失真的控制变得更为重要

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）428级联型H桥多电平逆变器最小总谐波失真控制方案分析Janardhan Kavali， Arvind Mittal印度中央邦博帕尔Maulana Azad国家技术学院能源中心，邮编462051接收日期：2015年8月12日;接收日期：2016年1月5日;接受日期：2016年1月18日2016年8月3日在线发布摘要多电平逆变器在高功率和电能质量要求的应用中越来越受欢迎。在SIMULINK平台上，对单相五电平级联H桥多电平逆变器（CHB-MLI）的开关管数目较少、采用不同的控制方案和正弦脉宽调制（SPWM）方案进行了MATLAB仿真本文从输出电压总谐波失真度（THD）和功率器件利用率两结果表明，在所有的控制方案中，正弦脉宽调制-相位配置（SPWM-PD）方案的THD是最小的可变载波幅度。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：多电平逆变器（MLI）;减少开关数量;CHB-MLI控制方案;SPWM控制方案;最小THD1. 介绍多电平逆变器在高压和中等功率应用领域受到越来越多的关注，它们的优点，如功率半导体器件上的低电压应力、低谐波失真、良好的电磁兼容性、降低的开关损耗和提高的容错可靠性。因此，多电平逆变器也具有较低的d v/dt比，以防止负载上的感应或放电故障（Govindaraju和Baskaran，2010）。 最近的研究正在进行，以将多电平逆变器应用于低压应用，例如不间断电源（UPS）和太阳能光伏系统（PV）的功率逆变器（Kavali和Mittal，2014）。 随着多电平逆变器中电平数量的增加，输出电压中的总谐波失真继续减小（Colak等人，2011年）。增加级数的缺点是它增加了设备的数量，硬件和控制电路变得非常复杂。因此，本工作的目标是*通讯作者。电子邮件地址：janardhan.kavali@ gmail.com，gmail.com（J. Kavali），am1970nit@gmail.com（A. 米塔尔）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.01.0072314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428429−- − − −- -图1.一、 五电平级联H桥多电平逆变器拓扑（Kavali和Mittal，2014; Lakshmi等人， 2013年）。根据器件的开关模式选择合适的控制方案，降低THD对不同的控制方案进行了仿真和比较，以选择更好的技术，这将是有效的，并提供更好的输出质量。2. 级联H桥多电平逆变器拓扑级联型多电平逆变器由一系列H桥逆变单元组成 这种多电平逆变器的一般功能是从几个单独的直流电源（SDCS）合成期望的电压，所述直流电源可以从电池、燃料电池或太阳能电池获得（Kang等人， 2005年）。 通过增加每个H桥模块，我们可以增加输出波形中的两个电平。 通常，对于单相级联H桥多电平逆变器，所需的半导体开关的数量为2（n-1），其中n是电平的数量（Kavali和Mittal，2014;Kang等人，2005年）。对于五级MLI，需要八个功率器件，而对于七级MLI，需要四个附加功率器件在所提出的用于五级MLI的拓扑中，仅需要六个功率器件，并且从那时起，为了增加两个级，仅再添加一个功率器件，即， 对于7级MLI，需要7个功率器件，对于9级MLI，需要8个功率器件（Kavali和Mittal，2014年; Lakshmi等人，2013年）。 在该拓扑中，对于除了0电压电平之外的任何电平，一次只有三个功率器件将导通，其中只有两个功率器件将导通，但是在常规CHB-MLI的情况下，通过增加电平的数量，导通器件的数量也增加。图1示出了单相五电平级联H桥多电平逆变器CHB-MLI拓扑的功率电路3. 基于开关模式的通过适当地控制功率器件的开关模式，MLI的THD可以大大降低。基于这种切换模式，本文讨论了三种不同的控制方案3.1. 控制方案一（α−α−2α−α−α）传统的控制方案被定义为（α α2 α），其中器件以这样的方式接通，即对于α周期，输出为零，对于下一个α周期，输出为V伏，对于下一个2 α周期，输出为2伏，依此类推，如图1所示。 二、 对于单相五电平MLI，α值为30 Ω。它是五电平多电平逆变器的基本控制的切换功率器件，以获得相同的输出电压波形，如图所示。 表1中列出了2。传统控制方案I的输出电压和电流波形以及THD频谱如图1A和1B所示。分别为2和3。3.2. 控制方案二（α−2α−4α−2α−α）为了减小THD，提出的第二种控制方案是（α2 α4 α2 αa）其中装置在α周期内，输出为零，在下一个2α周期内，输出为V伏，430J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428电压电流2520151050-5-10-15-20-250 0.010.02 0.030.04 0.05时间（秒）0.06 0.070.08 0.090.1图二、控制方案I的输出电压和电流波形（α−α−2α−α）。表1用于控制方案I的五电平CHB-MLI拓扑的切换表S. 号电源设备S1S2S3S4S5S61.0–301100002.30–601010103.60–1201010014.120–1501010105.150–1801100006.180–2101100007.210–2400101108.240–3000101019300–33001011010.330–360110000图三. 控制方案I的THD频谱。电压（伏特）J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428431电压电流- -2520151050-5-10-15-20-250 0.010.02 0.030.04 0.05时间（秒）0.06 0.070.08 0.090.1图四、控制方案II（α−2α− 4α− 2α−α）的输出电压和电流波形图五. 控制方案二THD频谱。下一个4 α周期的输出是2伏，依此类推，如图4所示。对于单相五电平MLI，α值为18Ω。在所提出的控制方案II中，THD急剧降低到21.17%。控制方案II的输出电压和电流波形以及THD频谱如图1A和1B所示。分别为4和5。3.3. 控制方案三（α−2α−6α−2α−α）为了仍然减小THD，第三种控制方案被建议为（α 2 α 6 α 2 α α），其中器件以如下方式接通：对于α周期，输出为零，对于下一个2 α周期，输出为V伏，对于下一个6 α周期，输出为2 V伏，依此类推，如图所示。 六、 在这种情况下，α的值为15 Ω。在所提出的控制方案III中，THD进一步降低到17.07%，这几乎是控制方案I的一半它是最佳的控制方案，以最少的硬件和不使用PWM技术，以减少在输出电压波形的总谐波失真。控制方案III的输出电压和电流波形以及THD频谱如图1A和1B所示。分别为6和7。4. 正弦脉宽调制（SPWM）多电平逆变器（MLI）控制方案可以根据开关频率分为基本开关频率控制和高开关频率PWM控制（Mohan等人，2013年）。高开关频率PWM控制方案可以进一步分类为空间矢量脉宽调制（SV-PWM）、正弦脉宽调制（SPWM）和选择性谐波消除脉宽调制（SHE-PWM）（Chaturvedi等人， 2006年）。 SPWM控制技术是目前最流行的一种控制技术，在工业生产中得到了广泛的应用应用. SPWM技术使用多个三角载波和每相一个参考波。载波的数量是（n-1），其中n是电平的数量（Balamurugan等人，2013年）。在拟议的单一阶段电压（伏特）432J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428电压电流2520151050-5-10-15-20-250 0.010.02 0.030.04 0.05时间（秒）0.06 0.070.08 0.090.1图六、控制方案III（α−2α− 6α− 2α−α）的输出电压和电流波形见图7。 控制方案三THD频谱。五电平级联H桥多电平逆变器（CHB-MLI）拓扑将有四个载波和一个参考波。调制指数（Ma）由下式给出：AmMa=（n−1）Ac其 中 Am 是 参 考 波 的 峰 到 峰 幅 度 ， Ac 是 载 波 的 峰 到 峰 幅 度 ， 并 且 n 是 电 平 的 数 量 （ Mohan 等 人 ，2013;KiranKumar等人， 2013年）。用于控制多电平逆变器的不同控制方案的图形结构如图所示。8.第八条。SPWM控制技术又可分为SPWM移相控制（SPWM-PS）和SPWM电平移相控制（SPWM-LS）。取决于载波的布置，SPWM电平偏移可以进一步分类为相位布置（SPWM-PD）、相位相反布置（SPWM-POD）和交替相位相反布置（APOD-SPWM）（Mohan等人， 2013年）。5. SPWM-相位配置当所有载波被置于相同相位时，则该控制方案被称为相位配置（KiranKumar等人，2013年）。对于单相五电平MLI，将四个载波与参考/调制信号进行比较（Colak等人， 2011年）。 调制指数Ma对于不同的控制方案是变化的，并且观察到对于大多数情况，THD对于调制指数1.1是最小的。 频率比P被定义为载波信号频率与调制信号频率的比（Elsheikh等人，2011年）。P的值也是变化的，并且观察到在几乎250处，输出电压具有最小THD。为了更好地比较各种控制方案，对于所有控制方案，调制指数和频率比被视为相同。电压（伏特）J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428433多级调制低开关频率高开关频率她多载波SPWMSHE-PWM2D最近的水平水平移动SPWM-LS3D相移（SPWM-SPWM-PDSPWM-PODSPWM-APOD见图8。用于控制多电平逆变器的不同控制方案（Colak等人，2011;Kang等人，2005;Chaturvedi等人，2006;KiranKumar等人， 2013年）。图9.第九条。1 -10五电平多电平逆变器拓扑的SIMULINK模型5.1. 固定载波振幅（Ac）载波峰到峰幅度对于所有载波是相同的，并且载波的斜率在整个模拟时间内是恒定的（Balamurugan等人，2013;KiranKumar等人，2013年）。功率电路的SIMULINK模型和SPWM-PD的控制方案如图1和图2所示。分别为9和10。 图 载波信号和参考信号使用关系运算符和OR逻辑门适当地建模以生成期望的控制信号。图1给出了具有恒定载波幅值（AC）的五电平MLI SPWM-PD控制策略的载波和调制波。 十一岁在恒定载波幅值（Ac）下，SPWM-PD控制方案的输出电压和电流波形以及THD谱示于图1A和图1B中。分别为12和13。在载波幅值（AC）恒定的SPWM-PD中， THD由传统控制方案的31.01%降低到8.57%434J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428见图10。控制方案SPWM-PD的SIMULINK模型。见图11。载波和调制波的SPWM-PD控制策略与恒定的交流。5.2. 可变载波幅度（Ac）载波幅度对于所有载波都是相同的，但是在最小值到最大值之间随时间变化，并且载波的斜率在整个仿真时间内也以规则的时间间隔变化 变载波幅值（AC）的SPWM-PD控制策略的载波和调制波如图所示。 十四岁图1和图2示出了具有可变载波幅度（AC）的SPWM-PD控制策略的输出电压和电流波形以及THD谱。分别是15和16。在变载波幅值（AC）的SPWM-PD中， THD比恒定载波幅值（AC）的SPWM-PD（8.57%）降低了5.69%因此，对于所有的控制方案，考虑可变载波幅度以比较各种控制方案。6. SPWM-相位对抗和处置当对应于参考波的负半部分的载波与正半部分载波异相180 μ s时，则其被称为相位相反和配置（POD）（Balamurugan等人，2013年; Kiran KumarJ. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428435见图12。恒交流下SPWM-PD控制策略的输出电压和电流波形。图十三. 恒AC下SPWM-PD控制策略的THD谱。见图14。采用变载波幅值（Ac）的SPWM-PD控制策略的载波和调制波。例如，2013年）。变载波幅值（AC）的SPWM-PD控制策略的载波和调制波如图所示。 十七岁SPWM-POD控制策略的输出电压和电流波形以及THD频谱如图1A和1B所示。分别是18和19。436J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428图15.变AC下SPWM-PD控制策略的输出电压和电流波形。图16.变载波幅值AC下SPWM-PD控制策略的THD谱。图17.载波和调制波采用SPWM-POD控制策略。J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428437图18. SPWM-POD控制策略的输出电压和电流波形。图19. SPWM-POD控制策略的THD谱。在SPWM-POD的情况下，与具有可变AC的SPWM-PD相比，THD从5.69%略微增加到5.75%。7. SPWM-交替反相和配置当载波与相邻载波相反时，则该控制方案被称为交替相位相反和布置（APOD）（Balamurugan等人，2013年）。变载波幅值（AC）的SPWM-APOD控制策略的载波和调制波如图所示。 20.SPWM-POD的输出电压和电流波形以及THD频谱如图1A和1B所示。分别为21和22。SPWM-APOD的总谐波失真（THD）为5.73%，介于可变AC电平下的SPWM-PD和SPWM-POD之间，且几乎所有可变AC电平下的THD都是相同的。8. SPWM-PS正 弦 脉 宽 调 制 - 相 移 （ SPWM-PS ） 与 SPWM-PD 相同， 但 是 这 里 两 个调 制 信 号 将 以 相 位 差 放 置（Balamurugan等人，2013;KiranKumar等人，2013年）。为此，两个调制信号之间的相位延迟为45Ω。每个调制信号对应的调制指数Ma和频率比P具有可变载波幅度（AC）的五电平MLI SPWM-PS控制策略的载波和调制波如图所示。 23岁SPWM-PS控制策略的输出电压和电流波形以及THD频谱如图所示。图分别是24和25。438J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428图20.载波和调制波采用SPWM-APOD控制策略。图21. SPWM-APOD控制策略的输出电压和电流波形。图22. SPWM-APOD控制策略的THD谱。J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428439图23.载波和调制波采用SPWM-PS控制策略。图24. SPWM-PS（45Ω）控制策略的输出电压和电流波形。图25. SPWM-PS（45Ω）控制策略的THD频谱。440J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）4282520- -图26.不同SPWM控制技术的总谐波失真比较。表2功率器件利用率的比较。S. 号控制方案利用系数S1S2S3S4S5S61.控制方案-I66.6766.6733.3333.3333.3333.332.控制方案-II6060404040403.控制方案-III58.3358.3341.6741.6733.33504.恒A_c5959414143.538.55.具有可变Ac的57.257.242.7442.7435.53249.956.具有可变Ac的57.5157.5142.4942.4935.1349.857.可变Ac57.24557.24542.75542.75530.3455.178.SPWM-PS58.6758.6741.3341.3340.0142.65与所有变载波幅值的电平移位SPWM控制方案相比，SPWM-PS控制方案的总谐波失真（THD）提高到7.42%9. 比较分析对基于开关模式和采用SPWM技术的各种控制方案进行了仿真，输出电压波形的THD比较柱状图如图所示。26岁据观察，THD是低得多，在所有的SPWM技术相比，传统的开关模式。与相移SPWM技术相比，电平移位SPWM技术被发现是更好的在电平转换SPWM中，从条形图中可以非常清楚地看出，SPWM-PD具有5.69%的最小THD水平从THD曲线可以很容易地描述，在电平移位SPWM技术的情况下，低次谐波被显著地减少，并且在SPWM-PD的情况下，偶次谐波几乎可以忽略不计。各种功率器件的利用系数也针对每种控制方案进行计算，并在表2中列出。从表中可以看出，在SPWM控制技术的情况下，功率器件的利用率得到了提高，并且在具有可变AC的SPWM-PD中几乎最好。10. 结论本文对不同的控制方案进行了仿真和比较，选择了一种新的技术，这将是有效的，并提供了改善电能质量的输出在所有基于器件切换的控制方案中，控制方案III（α2α 6α 2α α）给出了最小的THD。在所有的SPWM控制方案中，正弦脉宽调制-相位配置（SPWM-PD）的总谐波失真（THD）最小，仅为5.69%35301控制方案-I2控制方案-II3控制方案-III45具有可变Ac的恒定Ac15106具有可变Ac的SPWM-POD7可变Ac8可变Ac5012345678不同的控制技术THD（%）J. Kavali，A.米塔尔/电气系统和信息技术杂志3（2016）428441频率比和调制指数分别为250和1.1。在这种控制方案中，低次谐波也大大减少，偶次谐波几乎可以忽略不计。根据功率器件的利用率进行了比较，并观察到SPWM控制技术的改善确认作者非常感谢并感谢能源部和Maulana Azad国家技术研究所所长为开展本研究论文提供了所有可能的设施引用Balamurugan，C.R.，Natarajan，S.P.，Revathy河，2013年。 二极管箝位多电平逆变器控制策略分析。 Int. J. 因诺五世 Appl. 种马。3（1），19-34（ISSN 2028-9324）。Chaturvedi，Jain，Shailendra K.，Agrawal，Pramod，Modi，P.K.，2006年。通过仿真研究了不同的多电平逆变器控制技术。IEEE会议出版物，1-6。Colak，Ilhami，Kabalci，Ersan，Bayindir，Ramazan，2011. 多电压源的电压拓扑和控制策略综述。能源转换器。管理。52，1114-1128。Elsheikh，Maha G.，Ahmed，Mahrous E.，Abdelkarem，Emad，Orabi，Mohamed，2011年。具有较少功率元件数量的单相Five-lev逆变器IEEE会议。Govindaraju角，巴斯卡兰，2010年。基于混合载波的空间矢量调制对多相多电平逆变器性能的改善。Int.J.Electr. 工程师通知。2（2），139-147。Kang，Feel-soon，Cho，Su Eog，Park，Sung-Jun，Kim，Cheul-U，Ise，Toshifumi，2005.提出了一种新型的住宅光伏发电系统级联Transformer型多电平PWM逆变器控制方案。太阳能发电78，727-738。Kavali，Janardhan，Mittal，Arvind，2014. 各种级联H桥多电平逆变器拓扑的比较研究。 Int. 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