级联H桥五电平变流器工况分析与验证

（3）模式 3（vab=0） 此时，有六种情况： VT1，VT4，VT2′ ，VT3′ 导通，VT2，VT3，VT1′ ，VT4′ 导通，VT1，VT3，VT1′ ，VT3′ 导通，VT1，VT3，VT2′ ， VT4′ 导通，VT2，VT4， VT1′ ， VT3′ 导通，VT2，VT4， VT2′ ， VT4′ 导通。等效电路如图 2f、图 2g、图 2h、 图 2i、图 2j、图 2k 所示。电路运行于图 2f、图 2g 两种情况时，当电流为正（负），若 vao=vo 且 vob=−vo， C1 充电（放电），C2 放电（充电）；若 vao=−vo 且 vob=vo， C1 放电（充电），C2 充电（放电）。当电源电压为正 （负）时，电流以 vs/Ls 的变化率增大（减小）。电 路运行于图 2h、图 2i、图 2j、图 2k 所示情形时， 均为续流阶段。
2. Hebei Polytechnic University Tangshan 063009 China）
Abstract Taking two power cells cascaded per phase as an example, the topology of cascaded Hbridge multilevel converter and carrier phase-shifted SPWM （CPS-SPWM） modulation strategy are introduced. The operation principle of the converter under the SPWM modulation is described in detail through the analysis of operating condition The power devices switching, utput voltage, current circulation and balance voltage are analyzed. According to the analysis, the feasibility, reliability and convenience of the PWM strategy for the cascaded converter are proved, the theoretical basis for the modulation optimization and topology improvement is also provided. Operating mode of five-level converter is described in detail in the paper. Mathematicl model of five-level converter is deduced and validated by computer simulation. Cascade H-bridge five-level converter pulse generator is implemented by DSP and FPGA, which has the feature of simplifying circuit-design, guaranteeing reliability of system and concurrent triggering of power devices. Cascade multilevel converter based on carrier phase shifted PWM can achieve high equivalent switching frequency at low switching frequency devices, which is of perfect prospect in high voltage and power industry application.
2007 年 4 月 第 22 卷第 4 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.22 No.4 Apr. 2007
级联 H 桥五电平变流器工况分析与验证
李建林 1 许鸿雁 2 高志刚 1 赵 斌 1 许洪华 1
（1. 中国科学院电工研究所 北京 100080 2. 河北理工大学资源与环境学院 唐山 063009）
（4）模式 4（vab=−vo） 等效电路如图 2l、图
第 22 卷第 4 期
李建林等 级联 H 桥五电平变流器工况分析与验证
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（a）模式 1（vab=2vo）
（b）模式 2 情况 1（vab=vo）
（c）模式 2 情况 2（vab=vo）
（d）模式 2 情况 3（vab=vo）
（e）模式 2 情况 4（vab=vo）
图 1 级联 H 桥变流器拓扑结构
Fig.1 Topology of cascade H-bridge converter
图 1 所示电路的五种等效模式[11-13]。分析其工作模 式时，作以下假设：①开关 VT1～VT4＇是理想的； ②C1 和 C2 的电容大小相等；③在一个开关周期中， 电源电压保持不变；④两个变流器的输出电压相等， 即 vC1=vC2=vo；⑤R 可忽略不计。
级联 H 桥由两个 H 桥简单级联而成，往往将之等 效为单 H 桥，从调制方法着手，对单 H 桥的控制方法 稍加改进便于对之进行控制[1]，为对其进行精确、有效 的控制，推导相应的数学模型是十分有必要的。
2 级联 H 桥变流器拓扑结构
单相级联 H 桥变流器的拓扑结构如图 1 所示。 整个系统由两个全桥整流模块级联而成，每个模块 由四个带有反并联二极管的功率开关和一个直流电 容构成[2-7]。
（f）模式 3 情况 1（vab=0）
（g）模式 3 情况 2（vab=0）
（h）模式 3 情况 3（vab=0）
（i）模式 3 情况 4（vab=0）
（j）模式 3 情况 5（vab=0）
（k）模式 3 情况 6（vab=0）
（l）模式 4 情况 1（−vab=−v0）
（m）模式 4 情况 2（vab=−vo）
关键词：五电平变流器 载波相移 SPWM 运行工况 数学建模 脉冲发生器 级联 H 桥 中图分类号：TN46
Analysis and Validation of Cascade H-Bridge Five-Level Converter Operating Condition
Li Jianlin1 Xu Hongyan2 Gao Zhigang1 Zhao Bin1 Xu Honghua1 （1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China
假设直流侧电压均为 v0，vC1=vC2=v0，每个变流 器的交流端可产生三个电压值：v0，0，−v0。若 VT1 和 VT4 导通，则 vao=v0；若 VT2 和 VT3 导通，则 vao=−v0；若 VT1 和 VT3 或 VT2 和 VT4 导通，则 vao=0； 整个级联 H 桥变流器交流侧的电压 vab=vao+vob。当 vC1+vC2 大于电源峰值电压，小于二倍电源峰值电压 时共有五个值：−2v0，−v0，0，v0，2v0。分别对应
Keywords：Five-level converter, CPS-SPWM, operating condition, mathematicl model, pulse generator, cascade H-bridge
中国博士后科学基金资助项目（20060390092）。 收稿日期 2006-08-09 改稿日期 2006-10-18
摘要 以单相两功率单元级联为例，阐述了级联 H 桥五电平变流器的拓扑结构和载波相移 SPWM（CPS-SPWM）调制策略。从该变流器的运行工况着手，给出了这种变流器在 CPS-SPWM 调制方法下的工作原理，并从数学角度推导了变流器开关切换、输出电压、电流流向以及均衡电 压等情况，理论推导表明 CPS-SPWM 调制方法应用在级联多电平逆变器上的可行性、可靠性和控 制的简易性，为实现调制方法的优化和拓扑结构的改进提供了理论基础。同时对五电平变流器的 运行工况进行了详尽的分析，推导出了五电平变流器的数学模型，并进行了仿真和实验验证。基 于 DSP 与 FPGA，研制了多路 PWM 脉冲发生器，既简化了电路的设计，提高了系统的可靠性, 又可保证整个系统功率元件驱动信号的同步。实验结果表明，这种变流器能在较低的器件开关频 率下实现较高等效开关频率的效果，运行工况稳定，在高压、大功率场合有一定的工程应用前景。
（2）模式 2（vab=vo） 此时，有四种情况： VT1，VT4，VT1′ ，VT3′ 导通，VT1，VT4，VT2′ ，VT4′ 导通，VT1，VT3，VT1′ ，VT4′ 导通或 VT2，VT4，VT1′ ， VT4′ 导通，等效电路分别如图 2b、图 2c、图 2d 和 图 2e 所示。电源电压处于正半周期，若 vs＞vo，电 流线性增大；若 vs＜vo，电流线性减小。电流 is 为 正时，C1 充电（vab=vo 且 vob=0）或 C2 充电（vao=0 且 vob=vo）；当电流 is 为负时，C1 放电或 C2 放电。
2m、图 2n、图 2o 所示。当电流为正（负），VT2， VT4， VT2′ ， VT3′ 导通或 VT1，VT3， VT2′ ， VT3′ 导 通使 C2 放电（充电），或 VT2，VT3， VT2′ ， VT4′ ， VT2，VT3， VT1′ ， VT3′ 导通使 C1 放电（充电）。
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电工技术学报
2007 年 4 月
1 引言
大功率变流器场合中，往往期望大功率、耐高 压的电力电子装置能够工作在尽可能高的开关频率 下，以便提高输出波形的质量。但大功率开关器件 所允许的开关频率低，难以将 PWM 技术应用于传 统大容量变流器以达到改善其性能的目的。为此， 各种高压大功率变换的解决思路和方法应运而生， 级联 H 桥多电平变流器技术作为其中一种具有代表 性和较为理想的解决方案，因其固有功率容量大、 开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电磁兼容 性好等一系列优点，受到越来越多的关注和研究， 应用日益广泛。对于大功率超导储能装置，级联型 多电平换流电路在电压等级、控制精度及结构灵活 等方面采用级联型换流器的超导储能系统实现了模 块化构造，可以实现系统冗余及容错运行；级联 H 桥多电平变流器还可以应用在动态电压调节 （Dynamic Voltage Restorer，DVR）场合，达到在 不同工作模式下，最大限度地提高系统运行效率、 减小设备损耗的目的；磁悬浮列车除了磁悬浮、直 线驱动外，高压、大功率变流器也是必不可少的。 级联 H 桥多电平变流器的开关元件工作时产生的 di/dt 和 du/dt 小，削弱了电磁干扰的根源，易于对 易干扰信号从电气上抑制和结构上屏蔽，便于实现 对磁悬浮列车的稳定推进。此外，在无功补偿和有 源电力滤波器，光伏并网发电、直接驱动型风力发 电系统中都有广阔的应用前景。