级联H桥五电平变流器工况分析与验证

基于H桥级联型五电平逆变器的Matlab仿真分析【摘要】多电平逆变器广泛应用于电机调速等领域，本文在分析级联型逆变器的基础上，深入分析了SPWM控制技术及逆变器的谐波问题。

通过Matlab/simulink软件对H桥级联型五电平逆变器进行建模仿真，得到了不同调制比情况下的电压及电流波形，并分析了不同调制比情况下的谐波问题。

【关键词】多电平逆变器；H桥级联；载波移相PWM；谐波Simulation and Analysis of H-bridge Cascaded 5-level Inverter Based on Matlab CHAI Ai-ping（Department of Electronic and Information Engineering，Wuwei Occupational College，Wuwei Gansu，733000）【Abstract】Multi-level inverter has been widely used in motor speed regulation，and other fields.This paper first briefly introduced in the cascaded inverter，in-depth analysis of SPWM control technology and its harmonic problem.Based on the Matlab/simulink simulation platform，H-bridge cascaded inverter will be simulated.Then get the voltage and the current waveform by different modulation ratio，and analyzes the harmonic problems by different modulation ratio.【Key words】Multi-level inverter；Vasvaded H-bridge；Varrier phase shifted SPWM；Harmonics0 引言多电平逆变器是以电力系统中直流输电、无功功率补偿、电力有源滤波器等应用发展的需要，高压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及20世纪70年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的世界各国对节能技术与环保技术的广泛关注为背景的[1]。

H桥级联型多电平逆变器调制策略比照分析高压变频器/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比照分析，进而提出一种改进的调制策略，最后到达提高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，防止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比照分析对于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比照分析，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。

级联H桥型多电平STATCOM的直流电压平衡分析和仿真曹靖1李红涛1苗建峰2马秀坤11) 北方工业大学机电工程学院，北京100144 2)中国工控网（北京）信息技术公司，北京1000891) Email：caojing@2) Email：hontel@摘要基于级联H桥型多电平逆变器模块中独立电容充放电过程的分析，本文深入研究了直流侧电容电压产生不平衡的原因和影响因素，并探讨了这种不平衡的差异趋于稳态的可控特性，根据能量平衡理论建立的级联H桥型多电平逆变器平均模型，最后给出了仿真结果并验证其结论的正确性。

本文的分析为级联H桥多电平逆变器直流侧电容电压平衡的PWM 控制提供一定的参考依据，其结论将有助于大容量电机控制和动态补偿装置等大功率逆变器的工程分析与设计。

关键词多电平，逆变器，级联H桥，电压平衡Abstract Based on the analyzing of charge-discharge process of the independent capacitance, this paper mainly studied the causes and influential aspects of DC capacitors’voltage balancing problems in cascaded H-bridge multi-Level converter, and proposes that the difference of DC capacitors’ voltage between every module will be tending to stable state and finally be controlled. In order to investigate deeply, average model of cascaded H-bridge multi-Level converter is built according to the energy balance theory, and the validity is verified by the simulation. The analysis of this paper is of value to solve these DC capacitors’ voltage balancing problems using PWM control in cascaded H-bridge multi-Level converter, and the conclusion will be helpful for the design works in large-capacity motor control and dynamic compensation devices.Keywords Cascaded-H Bridge, Multi-Level Converter, DC capacitor voltage balancing1．引言伴随着电力电子器件的飞速发展，逆变技术广泛应用于电信、能源、交通运输、军事装备、材料工程、电力系统和电气传动领域。

五电平级联逆变器的设计与仿真开题报告电信学院毕业设计开题报告一、选题背景及依据(简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义)现在巳基本形成了集中结构定型的多电平逆变器电路, 形成了一门独立的新型电力电子逆变技术新学科。

当代的逆变技术，为了减少输出电压中的谐波含量和du/dt,有两种研究方向：一个是对两电平SPWM逆变器的研究，用高频化和软开关的方式来减少谐波和开关损耗，即用提高逆变器的SPWM开关频率的方法来减小输出电压中的谐波含量。

该方法的特点是必须用高频IGBT做开关管，du/dt大，EMI大，开关损耗大，只能提高谐波频率，不能消除谐波。

该方法的优点是可以调压；另一个是对多电平逆变器的研究，用增加电平数和逆变器的级联法来减小谐波，即用N个逆变器的级联叠加法，利用波形之间的相位差来消除某些低次谐波。

该方法的特点是逆变器工作在基频，开关频率低，可以采用中、低速开关器件，du/dt小，EMI 小，开关损耗小，不用软开关，电路简单，成本低廉，但不能调压。

该方法的优点是可以消除某些低次谐波。

如果把这两个研究结果相结合，集两者的优点，弃其缺点，就可以得到一种新型的环保节能逆变方式，即将N个SPWM逆变器，按照多电平逆变器的级联叠加法进行叠加，由此就可以得到一种新的具有较强消谐波能力的环保节能式SPWM多电平逆变器，这种逆变器既可以在不增加开关损耗的条件下把消谐波的能力提高N倍，又可以进行输出电压的调节。

这种优良的逆变器，就是以级联叠加法为手段的H桥级联式多电平逆变器。

其特点是使用的元器件数目少、不存在电容上电压的平衡问题；流过各个开关管的电流相同，便于模块化、控制简单、扩容方便，一般不用软开关。

2、设计依据近年来出现了几十兆、甚至更大容量的设备。

在现有的技术条件下，为使传统的的两电平逆变器输出容量更大，只能靠器件的串并联来实现。

级联型逆变器作为多电平逆变器是出现的最早的一种，是1975年P.Hammond提出的，级联多电平逆变器中每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压，有利于减小电磁干扰（EMI）,系统无环流，谐波含量少，对发电单元电压等级要求低。

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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五电平级联H桥直流侧电容电压控制摘要：为解决五电平级联H桥工作过程中直流侧电容电压存在波动的问题，对目前控制方法进行分析的基础上提出了一种新的直流侧电容电压平衡控制方法。

通过向各相的参考电流中都叠加一定的有功电流来控制三相电压的平衡，在两个H桥单元的电压调制波中分别叠加与有功电流同相位但符号相反的电压来控制同相直流侧电容电压的平衡，使直流侧电容电压维持在给定值附近。

仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：五电平；级联H桥；电压平衡1 引言五电平级联H桥型逆变器是一种较为新颖的多电平拓扑结构。

该拓扑结构具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置、输出波形好、不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动等优点，且各变流器单元的工作负荷一致，电路设计可以使用功率单元旁路电路从而使得控制系统可以在线切除故障单元以保证系统继续工作，易于模块化和易于采用软开关技术。

这种拓扑结构有一个特点：即电路的每个基本单元都需要用一个独立的直流电源来实现钳位功能；随着输出波形电平数增加，串级单元使用的直流电源数也将增加[1]。

虽然在APF系统中并不需要直流侧提供有功功率，直流侧可采用电容来代替直流源。

但由于级联H桥型变流器的直流侧电容数量较多，只有在直流侧电容电压平衡且维持在参考值的情况下才能保证有源滤波器的正常工作，因此，对于直流侧电容电压的平衡控制也有待进一步的研究[2~5]。

针对五电平级联H桥有源滤波器直流侧三相独立，电容较多的特点，本文提出了一种直流侧电容电压平衡控制方法，并进行了仿真分析，结果证明了该方法的正确性。

2 五电平级联H桥的工作原理图1所示为基于五电平级联H桥逆变器的并联型APF的拓扑结构。

图1 基于五电平级联H桥逆变器的并联型APF拓扑结构五电平级联H桥逆变器采用文献[6]提出的半周期载波移相技术。

每个模块的输出都是两个三角波与调制波相交产生的PWM信号的叠加，是三逻辑信号。

上海交通大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景及意义随着社会工农业生产规模的不断扩大，对能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。

我国政府制定的“十一五”规划，把节能减排定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持续发展[1]。

电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消耗，而其中的90%被交流电动机消耗[2,3]。

因此，对于交流电动机的变频调速研究，存在着巨大的节能空间。

对于广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电能损失。

而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术，但现有的功率开关受耐压等级的制约，传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变频调速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器，也存在动、静态均压问题，并且d v/d t较大，会产生难以处理的电磁干扰问题[4]。

为此，有学者提出一种多电平功率变换技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小d v/d t，降低输出电压的谐波含量，已成为高压大功率驱动场合的发展趋势[5]。

多电平变换技术的思想最早是在1980年IAS年会上，由日本长岗科技大学的 A. Nabae等人提出的[6]。

该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管串联，用一对串联箝位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中点箱位，形成所谓中点箱位变换器(NPC-Neutral Point Clamped)。

在这个电路中，主功率开关关断时，仅仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高压大功率应用场合。

1983年，Bhagwat等人在此基础上，将三电平电路推广到任意N电平，对NPC电路及其统一结构作了进一步的研究[7]。