調制方式和載波移相角度對H橋級聯型變流器輸出性能的研究

盧文立

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州 516003）

調制方式和載波移相角度對H橋級聯型變流器輸出性能的研究

盧文立

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州 516003）

H橋級聯型變流器具有結構單元簡單、易于模塊化等特點，在中高壓場合中具有廣闊的應用前景。本文對H橋級聯型變流器調制策略進行了研究，定量分析了子模塊采用不同的調制方式，載波移相角度不同的變流器輸出，并通過仿真驗證了定量分析的正確性。

H橋級聯型變流器 調制方式 載波移相角度

在電力電子器件耐壓水平未有實質性突破的情況下，學者們通過研究變流器的拓撲結構使其能夠應用于中高壓場合。目前應用于中高壓場合的變流器拓撲結構主要有:二極管箝位型多電平變流器，電容箝位型多電平變流器，H橋級聯型變流器。相對于其他兩種拓撲結構，H橋級聯型變流器采用H橋結構，易于模塊化，適合拓展，控制方法相對簡單，直流側相互獨立，支持冗余操作，當某個功率單元故障，可將其旁路，系統可以繼續工作，在無功補償和諧波抑制領域具有更廣闊的應用前景。而其中變流器的調制策略對系統的輸出性能具有重要的影響，因此對H橋級聯型變流器調制策略的研究具有重要的意義。

文獻［1］研究了不同采樣方法下，單極倍頻SPWM調制的輸出性能。文獻［2］研究了半周期單極倍頻應用于鏈式STATCOM。文獻［3］研究了載波移相角度對變流器輸出電壓的諧波分析，但是沒有定量的分析輸出性能。文獻［4］研究了H橋逆變器的倍頻調制。上述文獻集中研究了H橋級聯型變流器單極倍頻調制方式下，輸出電壓的諧波分析，但是沒有進行定量分析。本文對H橋級聯型變流器載波移相調制策略進行了分析，對H橋級聯型變流器的子模塊采用雙極性、單極倍頻調制，載波移相角度為π/N、2π/N的情況進行了數學分析，比較了不同調制下，輸出性能的優越，并搭建了仿真模型，仿真結果驗證了定量分析的正確性。

1　H橋級聯型變流器的拓撲結構及子模塊調制方式

圖1中，uSa，uSb，uSc為網側三相電壓，元Mjk（其中相數j=a，b，c；子模塊編號k=1，2，…，N），H橋級聯型變流器交流側輸出電壓為uout。本文對子模塊采用雙極性調制和單極倍頻調制方式，H橋變流器采用載波移相SPWM調制進行研究。

如圖1中子模塊結構圖所示，假設調制波為ur，三角載波為uc。當采用雙極性調制時，uc小于ur時，S1和S4導通，S2和S3關斷；當uc大于ur時，S1和S4關斷，S2和S3導通。當采用單極倍頻調制時，uc小于ur時，開關S1導通，開關S2閉合；uc大于ur時，開關S1閉合，開關S2導通；uc小于-ur時，開關S3導通，開關S4閉合；uc大于-ur時，開關S3閉合，開關S4導通。

2　不同調制策略下輸出電壓的數學分析

2.1雙極性載波移相SPWM調制

H橋級聯型變流器子模塊采用雙極性調制方式，每個子模塊載波依次錯開的2π/N， H橋級聯變流器的輸出電壓為［5］:

式中M為調制度，N為子模塊的個數，ωr為調制波的角頻率，Vdc為子模塊直流側的電壓，F為載波比，Jn（·）為n階貝塞爾函數。

當m為N的整數倍時:

從式（5）中可以看出，H橋級聯的輸出電壓諧波的角頻率為mNF ωr，最低次的諧波角頻率為NFωr，等效開關頻率提高了N倍。

2.2單極倍頻載波移相SPWM調制

H橋級聯型變流器子模塊采用單極倍頻調制，當子模塊的載波錯開的角度是θ1=π/N為半周期單極倍頻載波移相，當子模塊的載波錯開的角度是θ2=2π/N為全周期單極倍頻載波移相兩種調制方式。

采用單極倍頻載波移相調制時，H橋級聯變流器的輸出電壓為:

其中為子模塊載波錯開的角度，其中θ為θ1或θ2。

2.2.1半周期單極倍頻載波移相調制

當m為2N的整數倍時:

從式（9）可以看出，H橋級聯型變流器輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為的附近2Nωc，系統的等效開關頻率提高了2N倍。

2.2.2全周期單極倍頻載波移相調制

①當級聯單元N為偶數時

m為N的整數倍時:

當m為其他整數時:

輸出電壓化簡為:

從式（12）可以看出，輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為Nωc的附近，系統的等效開關頻率提高了N倍。

②當級聯單元N為奇數

當m為2N的整數倍時:

當m為其他整數時:

輸出電壓化簡為:

式（15）可以看出，輸出電壓諧波角頻率為mNFωr+nωr，為邊帶諧波。最低次的諧波集中在角頻率為2Nωc的附近，系統的等效開關頻率提高了2N倍。從上面的數學分析可以得到:采用全周期單極倍頻載波移相調制時，等效開關頻率與級聯單元的個數有關。當級聯的個數為偶數時，等效開關頻率為單個H橋開關頻率的N倍；當級聯的個數為奇數時，等效開關頻率為單個H橋開關頻率的2N倍。

3　仿真驗證

為了驗證前文數學分析的正確性，利用PSIM9.0對雙極性載波移相調制、半周期單極倍頻載波移相調制和全周期單極倍頻載波移相調制進行了仿真，其中仿真參數ωr為314rad/s，載波比F為10，子模塊直流側電壓值為100V。

H橋級聯變流器采用雙極性載波移相調制，子模塊個數為3，仿真波形如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，采用雙極性載波移相調制時，H級聯變流器子模塊個數為3時，輸出電壓電平數為4，當有N個子模塊，電平數為N+1，級聯后的輸出電壓的波形得到了極大的改善。從圖2（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在500Hz附近，級聯后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1500Hz附近。雙極性載波移相調制提高了系統的等效開關頻率，當有N個子模塊，等效開關頻提高了率N倍，改善了輸出電壓的波形。

H橋級聯變流器采用半周期單極倍頻載波移相，子模塊個數為3，仿真波形如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，采用半周期單極倍頻載波移相時，H級聯變流器子模塊個數為3時，輸出電壓電平數為7，當有N個子模塊，輸出電壓的電平數為2N+1。圖2（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1000Hz附近，級聯后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在3000Hz附近，等效開關頻提高了率2N倍。

H橋級聯變流器采用全周期單極倍頻載波移相，子模塊個數為3，仿真波形如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，采用全周期單極倍頻載波移相時，H級聯變流器子模塊個數為3時，輸出電壓電平數為7，當有N個H橋單元時，且N為奇數時，輸出電壓的電平數為2N+1。對比圖3（a）和圖4（a）H橋級聯輸出電壓，以及圖3（b）和圖4（b）輸出電壓的頻譜，可以看出:在級聯單元個數為奇數時，全周期單極倍頻載波移相和半周期單極倍頻載波移相，輸出電壓的電平數和等效頻率都相等，諧波含量也相同，兩種方式是等效的。

H橋級聯變流器采用全周期單極倍頻載波移相，子模塊個數為4，仿真波形如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，采用全周期單極倍頻載波移相時，H級聯變流器子模塊個數為4時，輸出電壓電平數為5，當有N個H橋單元時，且N為偶數時，輸出電壓的電平數為N+1。圖5（b）可以看出，子模塊輸出電壓最低次的諧波頻率集中在1000Hz附近，級聯后輸出電壓最低次的諧波頻率集中在2000Hz附近，等效開關頻提高了N倍。

通過上述的數學分析和仿真驗證，可以得到:雙極性載波移相調制、半周期單極倍頻載波移相調制和全周期單極倍頻載波移相調制都能夠提高系統的等效開關頻率，而且級聯后的輸出電壓基波一樣，都為子模塊輸出電壓基波的N倍。當H橋級聯型變流器子模塊個數為N時，雙極性載波移相調制輸出電平數為N+1，等效開關頻率提高N倍；半周期單極倍頻載波移相調制輸出電平數為2N+1，等效開關頻率提高2N倍。而全周期單極倍頻載波移相調制的輸出電平數與N的奇偶性有關，當N為偶數時，輸出電平數為N+1，等效開關頻率提高N倍；當N為奇數時，輸出電平數為2N+1，等效開關頻率提高2N倍。

4　結語

本文對H橋級聯型變流器采用雙極性載波移相，半周期單極倍頻載波移相和全周期單極倍頻載波移相三種調制方式下的輸出電壓進行了數學分析，并通過仿真驗證了數學分析的結論，這些結論對于H橋級聯型變流器不同應用場合中，開關調制策略的選用具有一定的指導作用。

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