三电平与两电平逆变器谐波特性的比较

三电平与两电平逆变器谐波特性的比较

引言

三电平逆变器自1981年nabae提出后[1]，在近几年得到了广泛的应用。因为相对于传统的两电平逆变器而言，它具有如下2个突出的优点[2]:

(1) 每个桥臂上开关元件的电压应力为直流侧输入电压的一半，这样无需动态均压电路就可以将低耐压的器件应用于高压大功率场合。

(2) 在相同的载波频率下，三电平逆变器线电压的谐波成份较两电平逆变器要小得多，且由于开关频率也成倍减小，有效地减小了开关损耗。

本文采用双重傅立叶级数的方法分析了这两种逆变器的谐波特性，并分别给出仿真结果进行比较，证明三电平逆变器的这两个优点。

2 三电平逆变器的谐波分析

图1为二极管箝位型三相三电平逆变器主电路拓扑结构，图2是a相的波形图。

图1 三电平逆变器主电路

图2 三电平逆变器波形图

其中，载波幅值为1，角频率为ωs;调制波幅值为ma，也即逆变器的调制系数，角频率为ω0。载波和调制波可以写成如下形式

(1)

(2)

uar=masinω0t (3)

调制波和载波的交点即为开关的动作时间，在交点上，有up=uar(调制波的0~π区间)和un=uar(调制波的π~2π区间)，如图3所示。

图3 调制波和载波的相位关系

(4)

(5)

所以

(6)

将用双重傅立叶级数表示[3]

(7)

式中

(8)

线电压uab是相电压ua0和ub0的矢量差，即

(9)

(10)

将线电压uab的系数aknak分解成各频率分量可得

(1) 直流分量(k=0,n=0)

a00=0，所以a00a0=0，uab不含直流分量。

(2) 基波分量(k=1,n=0)

，，所以uab的基波

(11)

(3) 基波频率的整数倍分量(k＞1,n=0)

ak0=0，所以ak0ak=0，uab不含基波频率的整数倍分量。

(4) 载波频率的整数倍分量(k=0,n≥1)

因为a0=0，所以a0na0=0，uab不含载波频率的整数倍分量。

(5) 调制波和载波频率的和频与差频分量(k≠0,n≥1)

(12)

(13)

(14)

从(14)式可看出，当k为偶数或3的倍数时，aknak=0。所以

(15)

式中

综上所述，得

(16)

3 两电平逆变器的谐波分析

图4和图5分别是传统两电平逆变器的主电路拓扑和波形。其中载波和调制波的幅值及角频率都与三电平的相同，采用和上面同样的方法，直接给出其线电压傅立叶级数形式如下[4]

图4 三相两电平逆变器

图5 a相波形图

(17)

4 归纳比较

将以上两种逆变器的谐波特性归纳如下

(1) 线电压的基波分量相同，都为:

(2) 谐波分量都为nωs±kω0，但振幅不同，三电平逆变器的振幅为

，而两电平的振幅为

，很明显，三电平逆变器各次谐波的振幅均小于两

电平逆变器，谐波的减小方便了滤波网络的设计，提高了输出波形的质量，并且减小了系统的损耗。

(3) 谐波都以(nωs±kω0)分组，每组以nωs为中心，两侧以±kω0对称分布且对称衰减，不存在载波的整数倍(nωs)谐波。

5 仿真与实验结果

针对这两种逆变器，在相同条件下利用pspice仿真软件进行了仿真研究，仿真波形如图6所示。其中直流输入为500v，调制系数为0.8，载波比为30，输出电压基波频率为400hz。三电平逆变器线电压是5电平，比两电平逆变器输出的线电压更接近正弦波。图7为10kw 实验装置测得的三电平逆变器的线电压波形，thd小于3％。可看出，仿真、实验结果与上述的分析结论是一致的。

图6 pspice仿真结果

图7 三电平逆变器的实验结果

6 结束语

由以上分析可知，三电平逆变器在谐波特性上明显优于传统的两电平逆变器，这不仅提高了波形质量，减小了开关损耗，而且给滤波器的设计带来很大方便。同时器件的电压应力成倍减小，解决了低耐压的功率器件应用于高压大功率的场合，降低了成本。可以肯定，三电平或多电平逆变器在今后逆变电源中的应用将越来越广泛。