多電平電力變換裝置調(diào)制策略仿真研究

呂飛，余鳳豪，張松濤，吉哲

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多電平電力變換裝置調(diào)制策略仿真研究

呂飛，余鳳豪，張松濤，吉哲

（海軍蚌埠士官學(xué)校機電系，安徽蚌埠 233012）

多電平變換技術(shù)因具有輸出波形畸變小、器件電壓應(yīng)力低等優(yōu)點成為實現(xiàn)大容量電力變換的關(guān)鍵。任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平變換裝置都必須采用相應(yīng)的控制策略對其進(jìn)行有效控制。文章分析了多電平變換裝置調(diào)制策略的幾種具體方法，指出了幾種調(diào)制策略的優(yōu)缺點，并對載波組調(diào)制法進(jìn)行了仿真分析驗證，給出了多電平載波調(diào)制自由度組合方法，對大容量電力電子變化裝置調(diào)制策略選擇具有參考意義。

多電平變換器 調(diào)制策略 空間矢量調(diào)制 載波組調(diào)制

0 引言

電力電子的發(fā)展要求電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質(zhì)量越來越好、可靠性越來越高。高功率密度、高效率、高性能必將成為電力電子技術(shù)的研究重點[1]。大容量是電力電子技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，而多電平變換技術(shù)成為實現(xiàn)大容量的關(guān)鍵[2]。從多電平變換裝置提出至今，出現(xiàn)了多種基本拓?fù)浼耙幌盗懈倪M(jìn)拓?fù)洹Ｈ魏瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平變換裝置都必須采用相應(yīng)的控制策略對其進(jìn)行控制，才能產(chǎn)生期望的電壓輸出。相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平變換器，采用不同控制策略時，其性能可能會相差很大。多電平變換器的控制策略是多電平變換器研究領(lǐng)域的重點和熱點之一。

多電平變換器的調(diào)制策略，按照開關(guān)頻率的高低，可以分為基頻調(diào)制和高頻調(diào)制[3]?；l調(diào)制是指在一個工頻周期中，每個開關(guān)器件只是開關(guān)一次或兩次，產(chǎn)生階梯波的輸出電壓。高頻調(diào)制是指在輸出電壓的一個工頻周期中，每個開關(guān)器件開關(guān)許多次。

本文詳細(xì)分析了多電平變換裝置調(diào)制策略的幾種具體方法，指出了幾種調(diào)制策略的優(yōu)缺點，并對載波組調(diào)制法進(jìn)行了仿真驗證，最后給出了多電平載波調(diào)制自由度組合方法。

1 波形逼近調(diào)制法

基于波形逼近的調(diào)制方法包括階梯波調(diào)制方法和分區(qū)逼近調(diào)制方法[4]，下面以階梯波調(diào)制方法為例分析。

階梯波調(diào)制是用輸出階梯狀電壓波形近似代替正弦波形的調(diào)制方法，如圖1示。由于輸出電平數(shù)有限，所以這種調(diào)制方法對功率器件的開關(guān)頻率沒有很高的要求，可以使用低開關(guān)頻率的大功率器件，該方法的不足是輸出電壓諧波含量較大。

圖1 (2n+1)電平變換器階梯波調(diào)制輸出波形

圖1為由n對正負(fù)脈沖按階梯波形逼近方法合成的(2n+1)電平變換器的輸出波形，由于波形的對稱性，輸出電壓中不含偶次諧波分量，奇次諧波分量的幅值h為：

式(1)中，k為諧波次數(shù)，1,2,···,n為對應(yīng)脈沖的開關(guān)角。1,2,···,n必須滿足條件0<1,2,···,n<π/2。為了減小諧波，并使基波幅值可調(diào)，可以通過選擇1,2,···,n消除最多(n-1)種諧波分量。

2 空間矢量調(diào)制法

空間電壓矢量法是一種較為優(yōu)越和應(yīng)用廣泛的變換器調(diào)制方法。優(yōu)越性表現(xiàn)在：在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能，無需其它控制方法所需的大量角度數(shù)據(jù)，直流電壓利用率高等[5]。

多電平空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法和兩電平SVPWM方法一樣，是一種建立在空間矢量合成概念上的調(diào)制方法。如圖2所示，在V1、V2、V3三角形中的任意矢量V0均可由矢量V1、V2、V3根據(jù)式(2)合成。

其中：d1、d2、d3分別為V1、V2、V3的開通比，滿足條件：

空間矢量脈寬調(diào)制算法一般由以下四步構(gòu)成：

1）將參考矢量在選定坐標(biāo)系中投影；

2）對投影分量進(jìn)行取整處理；

3）識別與參考矢量鄰近的基本矢量，并計算開通比；

4）將識別出的基本矢量映射為功率器件的開關(guān)狀態(tài)，并發(fā)出觸發(fā)信號。

圖2 空間矢量合成原理

圖3 三相三電平空間矢量圖

分析可得，一個三相n電平變換器，共有n3個開關(guān)狀態(tài)，3n(n-1)+1個基本矢量。隨電平數(shù)n的增加，開關(guān)狀態(tài)和基本矢量的個數(shù)都會急劇增加，會導(dǎo)致空間矢量脈寬調(diào)制算法的計算量急劇增加。因此，快速算法是多電平空間矢量調(diào)制的研究重點之一。

3 載波組調(diào)制法及仿真分析

3.1 消諧波脈寬調(diào)制（SHPWM）

SHPWM由G.Carrara[6]提出其基本原理：對一個n電平的變換器，每相采用(n-1)個具有相同頻率f和相同峰-峰值Mc的三角載波與一個頻率為f幅值為Mm的正弦波相比較，(n-1)個三角載波在空間上是緊密相連且對稱分布于零參考的正負(fù)兩側(cè)。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調(diào)制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件；反之，如果調(diào)制波的幅值小于某個三角波的幅值則關(guān)斷該器件。

載波間的相位關(guān)系：1）PD：所有載波具有相同相位；2）POD：正、負(fù)載波間相位相反；3）APOD：相鄰載波間相位相反。對于n電平變換器，幅度調(diào)制比Ma和頻率調(diào)制比Mf分別為：

圖4為PD配置的SHPWM的仿真波形圖。SHPWM的最大線性幅度調(diào)制比Ma為1。

圖4 五電平SHPWM-PD波形(Ma=0.9, Mf=10)

SHPWM方法中，上部和下部載波帶內(nèi)對應(yīng)開關(guān)的開關(guān)次數(shù)要遠(yuǎn)大于中間載波帶對應(yīng)開關(guān)的開關(guān)次數(shù)，且隨幅度調(diào)制比的改變而不同。

3.2 開關(guān)頻率優(yōu)化脈寬調(diào)制（SFOPWM）

SFOPWM法也是一種三角載波PWM方法，與SHPWM法類似，不同的是SFOPWM的正弦調(diào)制波中注入了零序分量[7]。零序分量是三相正弦調(diào)制波瞬態(tài)最大值和最小值的平均值，SFOPWM法的調(diào)制波是通常的三相正弦調(diào)制波減去零序分量后所得到的波形。

設(shè)三相對稱參考電壓分別為a、b、c，零序電壓為0，疊加零序電壓后的三相參考電壓分別為a、b、c。SFOPWM中，零序電壓及疊加零序電壓后的三相參考電壓由式(6)和式(7)可得。

(7)

圖5為SFOPWM的仿真波形圖，其中包括零序電壓0的波形。SFOPWM的優(yōu)點是可以提高線性調(diào)制范圍，其最大線性幅度調(diào)制比可以達(dá)到1.15，比SHPWM提高15%，直流電壓利用率高。SFOPWM只可用于三相系統(tǒng)，因為注入的零序分量在單相系統(tǒng)中無法相互抵消，從而在單相系統(tǒng)的輸出波形中存在三次諧波。

3.3 載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）

CPSPWM一般用在級聯(lián)型多電平變換器，其基本原理[8-10]：構(gòu)成多電平變換器的各單元模塊均采用低開關(guān)頻率的單相SPWM，各單元模塊具有相同的幅度調(diào)制比、頻率調(diào)制比，但各單元模塊的載波間存在一定的相位差，變換器的總輸出為各單元模塊輸出的線性疊加，由于相鄰三角載波之間有一個相移，這一相移使得所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使最終迭加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的(m-1)倍(m為級聯(lián)單元數(shù))。CPSPWM可在不提高開關(guān)頻率的情況下，大大減小輸出諧波。

CPSPWM可以分為傳統(tǒng)CPSPWM與對稱CPSPWM。采用對稱CPSPWM時，載波數(shù)量為傳統(tǒng)CPSPWM的一半，有利于工程實際應(yīng)用，同時，輸出與傳統(tǒng)CPSPWM相同。CPSPWM相鄰載波間相位差為=π/m (m為級聯(lián)單元數(shù))。

圖6為傳統(tǒng)的載波相移脈寬調(diào)制仿真波形。圖7為對稱載波相移脈寬調(diào)制仿真波形。

通過以上幾種載波組調(diào)制法分析及仿真驗證，從控制自由度的角度來看，多電平載波調(diào)制方法的變化很多。

由于多電平變換器的載波和調(diào)制波不止一個，每一個載波和調(diào)制波又有多個控制自由度。例如，載波有頻率、相位、幅值和偏移量等多個控制自由度；調(diào)制波也有頻率、幅值、零序分量和形狀等多個控制自由度；還有載波和調(diào)制波相互間的相位關(guān)系等自由度。

圖6 五電平傳統(tǒng)CPSPWM波形(Ma=0.9, Mf=10)

圖7 五電平對稱CPSPWM波形(Ma=0.9, Mf=10)

控制自由度的不同組合，將產(chǎn)生多種PWM調(diào)制方法。如相移載波-開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法(PS-SFOPWM)、載波交疊式PWM方法(COPWM)和載波交疊-開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法(CO-SFOPWM)等。

4 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析多電平電力變換裝置調(diào)制策略的具體方法，指出不同調(diào)制策略的優(yōu)缺點，并以典型的載波組調(diào)制法為例，進(jìn)行了仿真驗證，最后給出了多電平載波調(diào)制自由度組合方法。多電平變換裝置調(diào)制策略的優(yōu)化分析及實際應(yīng)用將是進(jìn)一步的研究重點。

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The Simulation of Modulation Strategy for Multilevel Inverter

Luv Fei, Yu Fenghao, Zhang Songtao, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, China)

TM464

A

1003-4862（2014）12-0042-04

2014-08-12

呂飛（1982-），男，講師，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。