h桥级联多电平逆变器电路拓扑
多电平(7电平)级联H桥逆变器的控制
载波法比较生成PWM脉冲后，就可以控制功率开关管动作了，进而输出三相 PWM电压。本文选择同相层叠法为调制方法，对电路进行仿真分析。同样，以单 相七电平为例，分析各H桥单元中开关管PWM脉冲给出的规律，如图3-2所示。
图3-2 采用同相载波层叠法开关管PWM脉冲
4 仿真研究
下面对三相七电平级联H桥型逆变器进行仿真研究并作相关分析。 4.1 电路参数计算 已知条件：额定视在功率 S 2 MV ，额定输出电压 U l 2300V （基波线电压 有效值），逆变器输出频率 f 60 Hz ，RL负载，功率因数 0.9 （滞后）。 由上可知： 相电压 U ph
U N max 3E U Nmin 3E
每相电压可以实现的电平数m为：
（2-2）
m [(U N max U N min ) / E ] 1 7
可实现的电平数集合为：
3E、 2 E、 E、 0、 E、 2 E、 3E
（2-3）
对于三相交流系统，可将送三个单相H桥连接成三角形或星形接法。当逆变 器连接成三角形时，线电压等于相电压，线电压的电平数和电平集合都与相电压 的分析结果相同；当连接成星形时，线电压为两相电压的差值，等效为2N个功率 单元输出电压的叠加。此时可以得到3个H桥单元串联线电压电平数 m' 为：
1 引言
随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展．大容量高压变频调速技术 得到了广泛的应用。目前，高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功 率器件容量也越来越大，其基本拓扑结构有H桥级联式(CHB)、电容箝位式、二极 管箝位式、飞跨电容箝位式4种。由于CHB的谐波失真和dv／dt很低．而且功率器 件间无需串联就能得到很高的工作电压．其模块化结构还可以降低生产成本。 因 此CHB大量应用在大功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域。 介绍了H桥级联七电平逆变器拓扑及CHBI常用的载波移相调制(CPSPWM)和电压移 位调制(VSM)方式。并通过Matlab／Simulink／Powersystem仿真软件对CHB进行 了全面的仿真研究。通过实验验证了理论分析的正确性，表明CHB在高压变频及 电力系统柔性输配电(FACTS)等领域极具实用价值。
H桥级联型多电平逆变器调制策略对比分析
H桥级联型多电平逆变器调制策略对比分析高压变频器/H桥级联/调制策略/谐波性能1引言随着高压大功率电动机在高压驱动场合的不断需求，高压变频器成为了这些场合实现节能的有效装置。
而H桥级联型多电平逆变器已成为高压变频器的一种产品，在发电厂、矿山、市政、冶金等工业领域得到了实际应用[1]。
在H桥级联型多电平逆变器的应用过程中，目前的调制策略对输出电压的谐波性能仍存在一些问题，对高压电动机的运行有一定的影响。
本文首先对传统的两种调制策略进行了对比分析，进而提出一种改进的调制策略，最后达到提高H桥级联型多电平逆变器输出电压谐波性能的目的。
2 H桥级联型多电平逆变器图1 三相H桥级联型多电平逆变器图1为三相H桥级联型多电平逆变器的拓扑。
该拓扑每相采用m个相同的功率单元串联，当功率单元的直流母线电压为E时，逆变器可输出相电压为(2m+1)E。
这样，可以通过m个较低的直流电压E的有序叠加，输出较高的交流电压(2m+1)E，因此，每个功率单元的功率开关可以采用耐压较低的IGBT等元件，避免了低压功率开关直接串联存在的动、静态均压问题。
每相的功率单元串联后，末端功率单元短接构成三相多电平逆变器的中性点N，始端功率单元为每相输出端A、B、C。
由于逆变器输出相电压为(2m+1)个阶梯形电压，这可以有效地降低输出电压的谐波含量、减小了dv/dt、抑制了电磁干扰。
该拓扑在输出相同电压等级的情况下，不同的调制策略，对输出电压的谐波性能影响不同，显然，对于直流母线侧采用不可控整流的H桥级联型多电平逆变器来说，能够有效抑制谐波含量的调制策略对提高逆变器的运行性能至关重要。
3调制策略的谐波性能对比分析对于H桥级联型多电平逆变器，目前采用的传统多载波调制策略有：消谐波PWM(Sub-harmonic PWM)、载波相移PWM(Phase-shifted PWM)。
下文对这两种调制策略下逆变器输出电压的谐波性能进行对比分析，并提出一种改进的调制策略，进一步抑制三相逆变器输出线电压的谐波含量。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电PWM控弦波，5电平以一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
缺点：1）每相桥臂开关器件的工作频率不同，造成了各开关器件的负荷不一致；2）对于m电平电路来说，每个桥臂需要（m-1）（m-2）个箝位二极管，即随着电平数的增加，所需箝位二极管数目将快速增加，成本增加；3）电平数越大，利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量，3个零矢量，独立的空间电压矢量有19（=1+1*6+2*6）个，60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上，2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α轴重合，逆时针旋转60°为h轴，设参考矢量，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为：归一化处理后（矢量坐标整数化），将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系，得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示：②矢量分区方法扇区的确定方法：空间矢量图可分成6个扇区（A-F），设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究
级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究毕业设计(论文)诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。
本人签名____________导师签名__________年月日华东交通大学毕业设计(论文)任务书学毕业届专XX XXXX XX XXXXX 姓名号别业毕业设计(论文)题级联H桥多电平逆变器调制技术的仿真研究目指导教学 XXX XX XXX 职称师历具体要求:随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量的高压变频调速技术得到了广泛的应用。
目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功率器件容量也越来越大，其主要有以下4种基本的拓扑结构:?H桥级联式(Cascaded H-bridge，CHB);?电容箝位式(Capacitor-Clamped);?二极管箝位式(Diode-Clamped);?飞跨电容嵌位式 (Flying-Capacitors)。
由于CHB逆变器具有很低的谐波失真和dv/dt，而且不需要功率器件间的串联，就可以得到很高的工作电压，它的模块化结构还可以降低生产成本，所以CHB逆变器在高功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域都得到了大量的应用。
本课题要求学生了解H桥级联7电平逆变器拓扑及CHB逆变器常用的调制方式:相位移位调制(Phase Shifted Modulation)和电压移位调制(Voltage Shifted Modulation)，在对CHB 逆变器进行深入了解之后，通过Matlab/Simulink/Powersystem仿真软件对三次谐波注入的 CHB逆变器调制方法进行仿真研究，并把这中方法和不采用三次谐波注入的正弦波调制技术进行分析比较，从而得到一些具有一定理论价值的结论。
三电平h桥拓扑
三电平h桥拓扑
摘要：
1.三电平H 桥拓扑概述
2.三电平H 桥拓扑的工作原理
3.三电平H 桥拓扑的优点与应用
正文：
一、三电平H 桥拓扑概述
三电平H 桥拓扑，是一种在电力电子领域中广泛应用的拓扑结构，主要用于实现高压、大功率的交流电机驱动和可再生能源系统的功率转换。
它由两个H 桥电路组成，每个H 桥电路包含三个可控半导体器件，分别为两个晶体管和一个双向开关。
二、三电平H 桥拓扑的工作原理
三电平H 桥拓扑的工作原理主要基于两个H 桥电路的组合，实现对三相交流电机的六步控制。
具体工作过程如下：
1.在一个H 桥电路中，选定一个晶体管作为开关，通过控制另外两个晶体管的开关状态，可以实现对电机的一个相位的控制。
2.在另一个H 桥电路中，同样选定一个晶体管作为开关，并通过控制另外两个晶体管的开关状态，可以实现对电机的另一个相位的控制。
3.通过对两个H 桥电路的控制，可以实现对电机六个相位的控制，从而实现对三相交流电机的驱动。
三、三电平H 桥拓扑的优点与应用
三电平H 桥拓扑具有以下优点：
1.输出电压的谐波成分较低，电机运行时的噪音和振动较小。
2.电流和电压的应力分布均匀，可以提高器件的使用寿命。
3.控制灵活，可以实现对电机的多种控制方式，如矢量控制、直接转矩控制等。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电路可靠性提高，易于模块化，适合7电平、9电平及以上的多电平应用，是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为：在上述的多电平逆变器的PWM控制法中，空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器，五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多，控制算法复杂，不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器，适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器，也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波，因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器，载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法，可提高等效开关频率，控制效果更好。
多电平三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模大小种类很多，电压合成更加接近正弦波，所以多电平的空间电压矢量法控制进度高，输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中，此时空间电压矢量PWM法控制算法非常复杂。
一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展
全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展随着现代电力电子技术的发展，对于高性能电力系统的需求越来越迫切。
而全桥级联式多电平逆变技术，作为一种高性能和高可靠性的电力电子系统，正在被越来越多地应用于现代电力电子领域。
本文将详细介绍全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展。
一、全桥级联式多电平逆变技术简介全桥级联式多电平逆变技术，指的是在每个半周期中使用多个电平实现对电力信号的高精度调节以及高质量输出。
该技术通过使用多个电平使电力信号在改变频率的同时，同时达到了改变幅值、控制谐波等方面的多种目的。
与传统的单电平逆变技术相比，全桥级联式多电平逆变技术可以更加精确地控制交流电传输和转换的过程，减少谐波和噪声的干扰，实现了更加优质的电力输出效果。
二、全桥级联式多电平逆变技术拓扑结构全桥级联式多电平逆变技术的拓扑结构主要由外围电路、桥臂电路和电源电路组成。
其中，电源电路负责提供所需的直流电压，桥臂电路对电源电路产生的电压实施变换，而外围电路则完成各种控制性质的操作。
为了提高全桥级联式多电平逆变技术的输出精度和效果，近年来，学者们在其拓补结构上进行了不断的创新和拓展。
例如，引入了各种高精度的调制技术和控制算法，研究了不同的基于能量损耗和谐波抑制等方面的控制策略，以及优化各个电路单元之间的传递效率等等。
三、拓扑结构拓展在拓扑结构拓展方面，近年来主要有以下几个方向：1. 添加分组电感器：分组电感器的加入可以帮助减少在全桥变频过程中的电能损耗，提高系统的转换效率，并降低对并联电容器的需求。
2. 应用增量式电容电压倍加电路（Partial Capacitive Voltage Multiplier，PCVM）：PCVM拥有更高的输出电压级数，可以更加精确地调节电力信号的幅值和波形，提高整个系统的电力传输和转换效率。
3. 引入流量抑制和磁阻抑制等技术：这些技术可以帮助控制交流电传输和转换的过程中产生的谐波和电磁干扰，减少系统的能量损耗和噪声干扰，同时增强系统的稳定性和可靠性。
一种级联H_桥多电平逆变器故障诊断方法
第27卷㊀第9期2023年9月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.9Sep.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种级联H 桥多电平逆变器故障诊断方法于晶荣,㊀张刚,㊀邱均成,㊀王益硕,㊀孙健文(中南大学自动化学院,湖南长沙410083)摘㊀要:为了诊断级联H 桥多电平逆变器的开关管开路故障,提出一种基于载波层叠调制(LSP-WM )技术的故障诊断方法,直接对H 桥输出电压㊁负载电流和驱动信号的输出特性曲线进行分析㊂当部分驱动信号断开后,相应的电流和电压出现部分缺失和波动,从而推出故障情况下三者之间的对应关系㊂依据调制波和负载电流的方向,将系统运行分为4种工作模式,并在特定模式下诊断故障㊂对故障情况下负载电流过零处的特性曲线进行分析,用以识别H 桥中对角开关故障㊂与现有方法相比,该方法扩展基于LSPWM 下的故障范围为双管故障,诊断逻辑易于理解且不需要添加额外的硬件电路㊂通过仿真证明了所提故障诊断方法的正确性和有效性㊂关键词:级联H 桥;多电平逆变器;故障诊断;开路故障;载波层叠调制DOI :10.15938/j.emc.2023.09.013中图分类号:TM464文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)09-0119-07㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-12-07基金项目:湖南省自然科学基金(2022JJ30742);长沙市自然科学基金(kq2202103)作者简介:于晶荣(1981 ),女,博士,副教授,研究方向为电能质量分析与控制技术;张㊀刚(1995 ),男,硕士研究生,研究方向为多电平逆变器故障诊断和容错策略等;邱均成(1997 ),男,硕士研究生,研究方向为电能质量治理和逆变器故障穿越等;王益硕(1998 ),女,硕士研究生,研究方向为新能源电能质量控制策略;孙健文(1997 ),男,硕士研究生,研究方向为电网阻抗的系统辨识㊂通信作者:张㊀刚Fault diagnosis method for cascaded H-bridge multilevel inverterYU Jingrong,㊀ZHANG Gang,㊀QIU Juncheng,㊀WANG Yishuo,㊀SUN Jianwen(College of Automation,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract :A fault diagnosis method based on level-shifted pulse width modulation (LSPWM)technique was proposed to diagnose the switch open circuit fault of cascaded H-bridge multilevel inverter.The out-put characteristic curves of H-bridge output voltage,load current and driving signal were analyzed direct-ly.When part of the driving signal is disconnected,the corresponding current and voltage have partial loss and fluctuation so as to deduce the corresponding relationship among the three in the case of failure.According to the direction of modulation wave and load current,the system was divided into four working modes,and faults were diagnosed in the specific mode.The characteristic curve of load current crossing zero was analyzed in order to identify the fault of diagonal switch in pared with the existing methods,the fault range of the proposed method is extended to double tube fault based on LSPWM,and by the diagnostic logic it is easy to understand without additional hardware circuits.Simulation resultsshow correctness and effectiveness the proposed fault diagnosis method.Keywords :cascaded H-bridge;multilevel inverter;fault diagnosis;open-circuit fault;level-shifted pulse width modulation0㊀引㊀言级联H桥多电平逆变器(cascaded H-bridge multilevel inverter,CHBMLI)因其具有易于模块化㊁高压大容量和谐波失真低等优点,已广泛应用于电气化铁路与城市轨道交通的牵引系统㊁电动汽车㊁光伏并网发电系统㊁高压直流输电㊁交流电机驱动和无功补偿等场合[1-4]㊂由于CHBMLI采用了大量的半导体开关来获得高质量的输出功率,因此它面临的主要困境是开关失效的概率升高[5]㊂根据相关统计和调查,开关故障大约占整个逆变器系统故障的近三分之一[6]㊂开关管的故障通常可以分为开路故障(open-circuit fault,OCF)和短路故障(short-circuit fault,SCF)㊂SCF造成的影响非常迅速,通常由硬件方案解决[7]㊂在OCF情况下,由于固有的开关冗余,CHBMLI可以继续运行,但其输出质量降低㊂然而,这可能使其他健康开关的电压应力增加,并可能导致整个系统损坏㊂所以,OCF诊断速度与准确性对于系统持续可靠运行十分关键[8-9],也直接关系到容错控制策略的选择㊂近些年,OCF故障诊断方法被广泛研究[10-18]㊂现有多电平逆变器的OCF故障诊断方法包括基于模型㊁基于智能算法和基于信号三类方法㊂文献[10]中每个CHB支路都用一个电流传感器和一个电压传感器监测支路的电流和输出电压,将测量的电压与预期的电压进行比较,并根据偏差的大小和电流流向确定开路故障的位置㊂文献[11]基于计算的平均桥臂极电压与误差自适应阈值,将平均桥臂极电压偏差作为故障检测与识别的诊断变量,实现电压源逆变器单㊁多管开路故障诊断㊂文献[12]采用一个电压传感器测量CHB的网侧电压,通过对CHB网侧电压估计值与实测值的比较来定位故障㊂基于此类方法的开关故障诊断,由于开关器件多且非线性的影响导致建模较为困难㊂为了避免建模带来的困难,相关学者采用基于智能算法的故障诊断方法㊂文献[13]通过特征分析选取正常模式和8种故障模式下的7个电压谐波参数作为故障特征向量,构造一个三层神经网络,其中7个特征向量为神经网络的输入层,从而可以在一个调制周期内准确地识别故障位置㊂文献[14]利用d-q变换将三相电压信号转换为两相来减少故障信息的维数,建立一个4层的神经网络进行故障诊断㊂文献[15]提出一种基于小波包变换和支持向量机的故障诊断方法,提取小波包能量作为故障特征向量,并把该故障特征向量作为支持向量机的输入量㊂该类方法虽然能够避免诊断精度对系统模型的依赖性,但是计算量大且不能用于实时的在线诊断㊂为了实现实时的在线诊断,相关学者采用基于信号的故障诊断方法㊂文献[16]介绍了一种CHB 三电平逆变器故障诊断方法,该方法利用输出电压和负载电流对应的波形特征进行故障诊断,解决了H桥中对角开关因故障特征相似难以识别的问题㊂文献[17]中的故障诊断不仅考虑单管故障,也考虑了单个二极管故障以及开关管和对应二极管同时故障的情况㊂文献[18]中将电平数增加至五电平,提出了一种精确识别8个开关管的单管故障诊断方法㊂这类方法与前两类方法相比,实现简单且容易理解,并且不需要额外的硬件电路,具有较高的实用性㊂由此可见,对于CHBMI的故障诊断,基于信号的方法有更大的发展潜力㊂然而当双管同时发生故障,对系统的影响更为严重,但是以上方案均考虑单管OCF,对于双管OCF的诊断仍有很大的局限㊂目前对双管故障的研究主要集中于三相桥式逆变器,虽然文献[18]中的方法可以应用于三相级联逆变器中双管故障诊断,但2个开关管需要在不同相中分布,而在同一相中每个H桥均有一个开关管发生故障的双管故障情况下,该方法便得不到较好的诊断效果㊂为了克服以上方案的不足,本文通过分析双管故障下输出电压电流以及驱动信号的特征,提出一种可以精确识别同相不同H桥双管故障的诊断方法㊂1㊀CHB五电平逆变器的工作原理图1为单相CHB五电平逆变器的整体拓扑结构,其采用电压源型逆变单元(H桥)串联组成以实现高压大功率输出,谐波分量少㊁波形畸变小㊂它包括:2个H桥(H桥1和H桥2)㊁8个带有反并联二极管(D1~D8)的IGBT开关(S1~S8)㊁滤波电容C㊁直流电源U dc㊁LC滤波器和感性负载㊂G1~G8是相应的驱动信号㊂交流输出端顺序连接,即各单元输出电压叠加,进而形成一个总的多电平输出电压㊂实际系统中级联模块的数量N是由设备的工作电021电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀压㊁直流侧电压和制造成本等决定㊂图1㊀电路拓扑结构Fig.1㊀Circuit topology2个H 桥的输出电压分别为v o1和v o2,输出电压为v o ,从图中可以得出输出电压为v o =v o1+v o2㊂(1)控制方法采用电压电流双闭环控制,2个H 桥输出电压和负载电流作为采样变量㊂CHBMLI 常用的调制方法包括载波层叠调制(level-shifted pulse width modulation,LSPWM)和载波移相调制(phase-shifted pulse width modulation,PSPWM),与PSPWM 相比,LSPWM 在高电平与低电平场合都适用,而且具有开关损耗易优化和谐波特性好等优势㊂LSP-WM 包括同向层叠(phase disposition,PD)㊁正负反向层叠(phase opposition disposition,POD)和交替反向层叠(alternate phase opposition disposition,APOD)㊂相比于其他两种方法,PD 的谐波性能最好,因此采用PD-LSPWM 作为调制技术,PD-LSPWM 信号的产生如图2所示,其中v m (t )为正弦调制波信号,c 1(t )~c 4(t )为4个幅值不同的高频三角载波信号㊂基于PD-LSPWM 的输出电压v o 和各个开关S x (x =1~8)之间的关系如表1所示,1和0分别表示开通和关断状态(对驱动信号也适用)㊂图2㊀PD-LSPWM 信号Fig.2㊀Signal of PD-LSPWM表1㊀v o 和S x 的关系Table 1㊀Relationship between v o and S xv oS 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 82U dc 10011001U dc 10010101001010101-U dc01100101-2U dc11112㊀CHB 五电平逆变器的故障特征分析㊀㊀为了便于分析故障信号的特点,选取CHB 五电平逆变器作为分析和仿真的对象,主要考虑位于同相不同H 桥中双开关同时发生故障的情况㊂单相五电平逆变器共有8个开关,因此上述故障情况总共有16种,如表2所示㊂表2㊀故障情况Table 2㊀Fault condition现定义如下变量:S x oc 表示开关S x (x =1~8)发生故障,故障下2个H 桥输出电压和负载电流分别表示为v o1oc ㊁v o2oc 和i loc ㊂根据调制波和负载电流的方向,带有感性负载的CHBMLI 在正常情况下可以分为4种工作模式,如表3所示,对于其他负载,上述工作模式不再适用㊂特定的开关故障只在一定的工作模式下表现出故障特征,而且H 桥中对角开关在相同的工作模式下表现出故障特征,即S 1㊁S 4㊁S 5㊁S 8和S 2㊁S 3㊁S 6㊁S 7分别在模式1和模式2中表现出故障特征,从而减少检测计算量㊂由于故障情况较多,以S 2oc 和S 8oc 的分析为例㊂在S 2oc 和S 8oc 下,每个H 桥及负载电流输出波形如图3所示㊂对于H 桥1:当G 4=1,G 1=G 2=G 3=0121第9期于晶荣等:一种级联H 桥多电平逆变器故障诊断方法时,0<v o1oc <U dc ,i loc ʈ0;当G 3=1,G 1=G 2=G 4=0时,v o1oc ʈ0,i loc <0,H 桥1中电流流通方向为D 1到S 3㊂对于H 桥2:当G 5=1,G 6=G 7=G 8=0时,v o2oc ʈ0,i loc >0,H 桥2中电流流通方向为D 7到S 5;当G 6=1,G 5=G 7=G 8=0时,v o2oc ʈ-U dc ,i loc >0,H 桥2中电流流通方向为D 6到D 7㊂表3㊀工作模式Table 3㊀Working mode工作模式v m i l 模式1++模式2--模式3+-模式4-+图3㊀S 2oc 和S 8oc 下的输出波形Fig.3㊀Output waveform under S 2oc 和S 8oc其他开关的故障情况分析类似,故障特征表如表4所示,其中i 1loc 和i 2loc 分别表示在诊断H 桥1和H 桥2中的故障开关时所采集的不同时刻的负载电流㊂表4㊀故障特征表Table 4㊀List of fault characteristic故障v o1oc i 1loc v o2oc i 2locG 1G 2G 3G 4G 5G 6G 7G 8S 1oc 和S 5oc 010101/00101/001S 1oc 和S 6oc 011/01/001/0010001S 1oc 和S 7oc10111/00111S 1oc 和S 8oc 1/01/01/01/00011/01/000S 2oc 和S 5oc 1/0101001/01/001/001S 2oc 和S 6oc 1/0101001/01/00001S 2oc 和S 7oc 1/01/001001/01/0011S 2oc 和S 8oc 1/01/01/01001/01/01/01/000S 3oc 和S 5oc 1/01010101/001/001S 3oc 和S 6oc 1/01010101/00001S 3oc 和S 7oc 1/01010101/0011S 3oc 和S 8oc 011/010101/01/01/000S 4oc 和S 5oc 1/01011/01/00001/001S 4oc 和S 6oc 1/011/01/01/01/0000001S 4oc 和S 7oc 1/01011/01/00011S 4oc 和S 8oc 1/01/01/01/0101/01/003㊀基于信号特征的故障诊断方法根据以上分析及故障表提出如图4所示的故障诊断方法,该故障诊断方法以H 桥电压㊁负载电流以及相应驱动信号为诊断变量,主要通过对双管故障下H 桥中对角开关进行诊断达到不同H 桥下任意双管故障的诊断㊂图5中变量定义如下:v e1和v e2分别代表2个H 桥实际电压和参考电压之间的差值,正常情况下通常在一个范围内波动,v e1在δvo1l 至δvo1h 范围内变化,v e2在δvo2l 至δvo2h 范围内变化;为了提高可靠性,引入w 1和w 2两个变量,分别表示2个H 桥对应的误差变化百分比,取为2.5%和3%;T s 为图3(b)中过渡时段的起始时间,与开关频率和滤波器参数等有关;f 1㊁f 2和f 3为相应电压电流的参考阈值㊂图4㊀诊断过程Fig.4㊀Diagnostic process221电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图5㊀相关变量的定义Fig.5㊀Definition of related variables诊断方法具体过程:假定同相不同H桥下的2个开关同时发生故障,分别检测2个H桥电压,通过实际电压与正常参考电压的比较判定2个H桥是否同时发生故障,当发生故障后在相应的工作模式下采集所需故障信号,进而通过诊断逻辑确定H 桥中故障开关的具体位置㊂变量A㊁B和F分别用来诊断开关S1与S4㊁S2与S3以及S6与S7下的故障㊂对于S5和S8的识别还需进行信号采集时刻的判断,因此在图5中单独标出㊂除了采集驱动信号,对于开关S1和S4只需要采集H桥1的输出电压,而其余对角开关的判定均需采集相应H桥电压和负载电流㊂4㊀仿真验证4.1㊀仿真分析基于MATLAB/Simulink仿真平台对故障诊断方法进行验证,仿真参数如表5所示㊂给定故障规定如下:对于2个故障开关均在正半周的开关以及正负半周各有一个开关发生故障在正半周期给定故障,对于2个故障开关均在负半周的开关发生故障,在负半周期给定故障㊂以S1oc和S6oc为例进行验证,仿真结果如图6所示㊂表5㊀仿真参数Table5㊀Simulation parameters㊀㊀㊀参数数值直流电压U dc/V40基频f o(=1/T o)/Hz50载波频率f c/kHz3滤波器电感L f9.5mH,0.35Ω滤波器电容C f10mF,0.03Ω直流侧电容C/mF20调制指数M0.9负载阻抗Z L/Ω8电压环比例调节增益K vp0.1电压环积分调节增益K vi 4.5电流环比例调节增益K ip0.01电流环积分调节增益K ii0.01图6㊀S1oc和S6oc下的仿真结果Fig.6㊀Simulation result under S1oc and S6oc在t1时刻对开关S1和S6给定故障,在t2时刻检测到开关S1故障,在t3时刻检测到开关S6故障,在t3时刻S1和S6双管故障均得到有效诊断㊂全部开关故障的诊断时间如表6所示,由表6可以看出,当2个故障开关都在同一个半周内,诊断时间均在321第9期于晶荣等:一种级联H桥多电平逆变器故障诊断方法0.12ms以内,而对于在正负半周内都有分布的故障开关,诊断时间相对要长,主要是因为发生故障后2个开关的故障特征并不会在同一个半周内表现出来㊂整体而言,仿真达到预期效果㊂表6㊀全部故障的诊断时间Table6㊀Diagnosis time of all faults4.2㊀对比分析对于基于LSPWM技术的CHBMI,与文献[16-18]相比,所提方法考虑了2个位于同相不同H桥的开关管同时发生故障的情况,当发生故障的2个开关管位于同一个半周时的诊断时间和文献[18]基本一致,对于双管故障能够进行准确诊断㊂主要不足是对于2个不在同一个半周内的开关管(即S1和S6㊁S1和S7㊁S2和S5㊁S2和S8㊁S3和S5㊁S3和S8㊁S4和S6㊁S4和S7)发生故障后诊断时间相对较长,而且开关管对应的所有二极管均正常工作㊂与现有方法[19]相比,减少了计算量且可以实现在线诊断㊂5㊀结㊀论针对CHBMI中同相不同H桥双管同时发生故障的问题,本文分析了双管故障下各故障信号的特征,提出了一种双管故障诊断方法㊂该方法能够利用以H桥电压㊁负载电流和驱动信号为采样变量的信号处理方法实现有效诊断,与现有方法相比,该方法扩展了双管故障下的拓扑为级联逆变器,提高了级联逆变器双管故障下的电平数目㊂此外,提高双管故障检测时间㊁拓展到更高电平等级和应用到其他调制技术将是未来的研究重点㊂参考文献:[1]㊀张琦,李江江,孙向东,等.单相级联七电平逆变器拓扑结构及其控制方法[J].电工技术学报,2019,34(18):3843.ZHANG Qi,LI Jiangjiang,SUN Xiangdong,et al.Topology structure and control method of single-phase cascaded seven-level inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2019,34(18):3843.[2]㊀MHIESAN H,WEI Y Q,SIWAKOTI Y P,et al.A fault-toleranthybrid cascaded H-bridge multilevel inverter[J].IEEE Transac-tions on Power Electronics,2020,35(12):12702. 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h桥级联多电平逆变器电路拓扑
H桥级联多电平逆变器电路是一种多电平逆变器拓扑结构，常用于电力电子领域，特别是在高功率、高效率、低失真要求的应用中。
它可以将直流电源转换为多个不同电平的交流电源，从而满足不同负载的需求。
让我们了解一下H桥逆变器的基本原理。
H桥逆变器是由四个开关器件（通常是MOSFET或IGBT）组成的桥式电路。
通过控制这四个开关器件的导通和截断，可以实现将直流电源的正负极性反转，从而产生交流电信号。
这种逆变器结构具有较高的灵活性和可控性，适用于许多不同的应用。
而H桥级联多电平逆变器电路是在传统H桥逆变器的基础上进行了改进和扩展。
它通过将多个H桥逆变器级联连接，实现了输出电压的多电平控制。
每个H桥逆变器都可以独立地控制输出电压的大小和极性，从而实现了更加精确的输出控制。
这种多电平的输出控制可以带来许多优势。
首先，它可以提供更高的输出电压分辨率，从而提高了系统的动态响应性能。
其次，它可以减小输出电压的谐波含量，降低了变频器对负载的干扰。
此外，多电平控制还可以提高逆变器的效率，减少能量损耗。
H桥级联多电平逆变器电路在实际应用中具有广泛的用途。
例如，
在电力系统中，它可以用于高压直流输电和柔性直流输电等领域。
在交通运输领域，它可以用于电动汽车、混合动力汽车和高速列车等电动化交通工具。
此外，它还可以应用于可再生能源发电系统、工业控制系统和电力电子设备等领域。
总结起来，H桥级联多电平逆变器电路是一种重要的电力电子拓扑结构，可以实现多电平的输出控制，提高系统的性能和效率。
它在电力系统、交通运输和工业控制等领域具有广泛的应用前景。
随着电力电子技术的不断发展和创新，相信H桥级联多电平逆变器电路在未来会发挥更加重要的作用。