《武汉工程大学学报》  2019年06期 591-596   出版日期:2021-01-24   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
T型三电平逆变器在不间断电源中的实现


随着信息技术的不断发展和计算机的日益普及,高新技术产品对供电质量提出了越来越严格的要求。数据通信处理系统、航空航天管理系统、医用控制系统等,均要求交流电网对其提供稳频、稳压、不间断、无浪涌和无尖峰干扰的优质交流电[1-3]。为了提供符合要求的优质电源,不间断电源(uninterruptible power supply, UPS)设备应运而生。近些年来UPS得到了迅速发展,在军工、电力、航天和现代化办公等领域已成为必不可少的电源设备。 现在各种结构的UPS都是由后备式UPS和在线式UPS衍生而来。逆变器是UPS中至关重要的部分,尤其是对于在线式UPS,逆变器一直处于工作状态,其性能的好坏直接关系到供电的可靠程度。相对于传统UPS高频机中普遍采用了两电平拓扑结构的逆变器,T型三电平拓扑的逆变器具有以下优势:①降低开关管的耐压、减小开关损耗,提升系统效率;②降低了滤波电感的损耗[4-8];③降低了UPS输出电压总谐波失真(total harmonic distortion, THD)的值。T型三电平逆变器由于其拓扑结构和开关频率的特点,更多应用在中小功率、开关频率在20 kHz以内的设备中[9-11]。 目前三电平逆变器的研究工作主要集中在三相系统中,而对单相三电平逆变器的研究较少[12-13],但是单相三平逆变器也有其设计的特殊性;尤其是要考虑UPS运行在复杂工作环境下对T型三电平逆变器的硬件设计中器件选型的要求。本文以单相T型三电平逆变器为研究对象,阐述了其工作原理,结合其在UPS的具体应用环境,进行了数学建模、硬件设计;并通过仿真和样机实验验证了T型三电平逆变器在单相UPS中实现的可行性、准确性、可靠性。 1 T三电平工作原理及SPWM调制方法 1.1 T三电平的基本工作原理 2007年Conergy公司提出由4个开关管组成的T型三电平逆变器[11]。T型三电平逆变器拓扑如图1中逆变器所示。T型三电平逆变器可以输出正、零、负三种电平;T型三电平拓扑中开关管的开关情况较多,但是要实现三电平必须满足以下条件:①开关管T1 、T4不能同时导通,②开关管T1 、T3互补导通,③开关管T2 、T4互补导通;开关管的开关状态与A点输出电压、电流流向的关系如表1所示。 1.2 SPWM调制方法 采用同相正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, SPWM)方法,同相三角载波1、载波2、分别位于纵轴的正负半轴,正弦调制波和两个三角载波比较得到脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)的驱动信号;如图2(a)部分所示。同相载波调制原理如下:正弦调制波与三角载波1比较,当正弦调制波的幅值大于三角载波1的幅值时,得到驱动信号PWM1为高电平、驱动信号PWM3为零电平,反之驱动信号PWM1为零电平、驱动信号PWM3为高电平;将得到驱动信号PWM1、驱动信号PWM3作为开关管T1 、T3的驱动波形。同理,正弦调制波与三角载波2比较,当正弦调制波的幅值大于三角载波2的幅值时,得到信号驱动信号PWM2为高电平、驱动信号PWM4为零电平,反之驱动信号PWM2为零电平、驱动信号PWM4为高电平;将得到驱动信号PWM2、驱动信号PWM4作为开关管T2 、T4的驱动波形。通过改变调制波和载波的频率,可以控制单位周期内驱动信号PWM波的脉冲个数,进而提高脉冲信号输出精度[14]。 2 逆变器的功率器件计算与选型 UPS中的T型三电平逆变器需要工作在阻型负载、整流(resistive capacitance diode, RCD)负载、瞬间切换负载等复杂的工作状况下;因此对硬件设计上提出了更高的要求。为了有效地降低输出电压THD的值,在实际工程应用中除了逆变器之外,还需要加上LC滤波电路,如图1中滤波电路所示。 2.1 功率管选型 设计额定功率为6 kW的样机,正负母线电压为[±]360 V,额定输出的电压有效值为220 V,则额定输出的电流有效值为27.3 A。T1、T4开关管承受720 V的正负母线电压,T2、T3开关管承受360 V的单边母线电压;因为考虑到UPS会瞬间切换RCD负载的工作状况下进行实验,所以开关管电压应力的裕量值不得低于额定值的20%。在T型三电平逆变器运行时,T1、T4开关管的电压峰值有可能会达到900 V左右,T2、T3开关管的电压峰值有可能会达到450 V左右。除此之外还要考虑到开关管的开关频率不低于20 kHz的原因,因此开关管T1、T4选择1200 V、40 A的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT),开关管T2、T 3 选择600 V、50 A的IGBT。 2.2 LC滤波电路器件参数计算 在功率开关的占空比D=0.5时,电感的纹波电流最大,此时电感的纹波电流Δi=24.5 A,开关频率[fsw]=20 kHz,单边母线电压[UBUS]=360 V,由电感计算公式(1)可得L=1.8×10-4 H,电感选取为最大直流偏置时电感量的1~2倍,选择的电感值为3×10-4 H。 [L=UBUS×D×(1-D)fsw×Δi] (1) 输出滤波电容的电流为额定输出电流的20%~30%。截止频率低于载波频率([fsw]=20 kHz)的1/10以下,高于基波频率(f=50 Hz)的10倍以上。由电容计算公式(2) 、(3)可得C1=21 μF,C2=310 μF,由C1 图3 系统传递函数结构框图 Fig. 3 Structure diagram of system transfer function 4 实验结果 通过T型三电平逆变器运行在空载、阻型满载、RCD负载的工作状况下,得出了仿真波形和实物波形,充分的验证了T型三电平逆变器在UPS中实现的可行性、器件选择的可靠性、输出的稳定性。图4是基于T型三电平逆变技术的单相UPS实物样机。在MATLAB/SIMULINK仿真中开关管IGBT的开、关的驱动电压分别为1、0 V,开关频率为20 kHz;而实际中因开关管IGBT中有寄生电容的存在,所以开关管IGBT开、关的驱动电压分别为14 V左右、-8 V左右;图5为开关管的驱动电压的仿真波形与实物波形。 图4 样机 Fig. 4 Prototype 在空载情况下,未加入LC滤波电路的T型三电平逆变器输出电压PWM的仿真波形和实物波形如图6所示;加入LC滤波电路后的输出电压仿真波形和实物波形如图7分所示。图中输出的电压PWM最大值为416 V,电压有效值为360 V,频率为50 Hz;滤波后输出电压有效为220 V,充分证明了T型三电平输出的可靠性。 在阻性满载(6 kW)的情况下,逆变器工作仿真波形如图8(a)部分所示,电压有效值220 V、电流有效值27.3 A。实物波形如图8(b)部分所示,电压有效值221.8 V,因样机自身功率的消耗,则实际输出电流有效值为26.9 A;实际功率和仿真功率误差不超过2%。从仿真图9可以看出未加LC滤波电路的T型三平逆变器输出电压THD=67.87%,而加入LC滤波电路后其输出电压THD=0.23%;结果证明了加入 LC滤波电路可以有效的降低输出电压THD的值,减少了谐波危害。 介于UPS复杂的工作状况,T型三电平逆变器需通过RCD负载实验来验证器件电压应力的大小和其输出的稳定性。在瞬间切换RCD负载时,T型三电平逆变器中T2 、T3 开关管所承受的电压峰值为527 V, T1 、T4开关管所承受的电压峰值为936 V,实物波形如图10所示。样机实验中,电压应力的峰值均未超出所选器件的额定范围,实验验证了器件选型的规格完全符合实际电压应力的要求。图11为T型三电平逆变器在RCD负载工作状况下输出电压电流的仿真波形、实物波形。由仿真图,可见T型三电平逆变器输出了一个110 A的电流尖峰,而实物样机在输出了4个电流尖峰后,便可以稳定的输出电压、电流。从瞬间切换RCD负载实验,得出了T型逆变器系统输出畸变波形时间控制在0.06 s内的实验结果,证明了该系统具有稳定的输出特性。 5 结 语 通过T三电平型逆变器在阻性满载、RCD负载的工作状况下,进行的仿真和实物实验,得到的数据与波形,充分的验证本文设计的T型三电平逆变器可以有效的提高输出电压的基波含量,降低输出电压总谐波畸变率。此次设计不仅为T型三电平逆变器在单相UPS中实现提供了SPWM的调制方法、建模仿真的基本模型,特别是为T型三电平逆变器功率器件的选型和LC滤波器的设计提供了可靠的参考数据,也为下一步深入研究T型三电平技术奠定了基础。