大功率三電平逆變器SPWM載波調制策略研究

畢洪大 ， 劉艷輝 ， 劉金晶 ， 許明夏

（1．中車大連電力牽引研發中心有限公司，遼寧大連116052；2．長春中車軌道車輛有限公司，吉林長春130113；3．動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，遼寧大連116052）

隨著軌道交通領域的迅速發展，對大功率逆變器的輸出電能質量、系統可靠性和結構體積重量等要求也越來越高。相比于經典的兩電平逆變器，三電平逆變器具有輸出諧波低、控制系統簡單、功率器件電壓應力小、電磁兼容能力強和有利于逆變器的高頻化等諸多優勢，已在大功率工業場合得到廣泛應用。

大功率三電平逆變器的關鍵技術之一就是關于其PWM調制控制策略的研究。目前，最為常用的調制方式為正弦載波SPWM和電壓空間矢量SVPWM。與SPWM相比，SVPWM具有更高的直流電壓利用率，輸出波形的諧波抑制效果明顯，但是由于常規的SVPWM調制策略數字化實現時計算量大，在對實時控制精度要求高的場合會產生計算誤差，特別是推廣到多電平時，控制算法的復雜性以立方速率上升。

本文通過大功率三電平逆變器電路的研究，對SPWM與SVPWM兩種調制思想進行了分析比較，通過在三相正弦波調制波中注入零序分量的調制波的方法，將SPWM與SVPWM進行了等效，并給出了具體的等效實現方法，此方法可使調制控制軟件和硬件的復雜性大大降低。此外，本文對SPWM調制波引入零序電壓基礎上也進行了改進，提出了一種新型載波交疊的PWM調制策略，即同時充分利用了調制波注入零序電壓分量、載波幅值變化量和同相載波的垂直方向偏移量三個控制自由度。

1 傳統的SPWM調制方法及存在問題

本文主要針對中點鉗位型（NPC）三電平逆變電路進行分析，拓撲結構如圖1所示，該電路主要由三個橋臂構成，每個橋臂有四個IGBT、兩個鉗位二極管及四個續流二極管。此外，兩個直流支撐電壓串聯連接，其中點與兩個鉗位二極管相連接。

圖1 NPC三電平拓撲結構

傳統的三電平SPWM調制控制是根據兩電平SPWM調制拓展而來，其不同之處在于三電平需要用一個基準正弦調制波同時與兩組三角載波進行相互交接，得到PWM脈沖信號來控制功率開關管的通斷。兩組三角載波的頻率、幅值相同，其在空間上分為上下兩層進行層疊，如圖2所示，以圖中U相橋臂為例。

圖2 三電平同相載波層疊SPWM調制原理

從圖2可知，傳統的SPWM脈沖調制控制方法實際上是一種相控的控制方式，當將其擴展到m多電平時，僅需要增加至（m-1）個載波，并進行適當的調整即可。與SVPWM算法相比傳統SPWM控制算法在多電平逆變器中的復雜程度變化很小，同時保證了算法良好的通用性，因此具有非常大的應用優勢。但是，采用傳統的SPWM控制算法存在直流電壓利用率不高等問題，所以如何能對其算法進行改進來提升各方面的性能指標是我們亟待解決的問題。

2 SVPWM調制方法的等效實現方法

為了能夠揭示三電平逆變器SPWM和SVPWM內在的本質聯系，我們以電壓矢量V在第I扇區為例進行討論，圖3所示為三電平載波SPWM調制與空間矢量SVPWM開關序列關系。

圖3 三電平SPWM調制與SVPWM開關序列關系

當調制頻率很高時，圖3中相鄰開關周期的三角載波PWM調制信號uga、ugb、ugc可近似為直線。UCR為三相角載波的峰值，電壓矢量V矢量合成中的零矢量時間為：

由圖3可以得到關系式如下：

考慮半周期Ts/2上的脈寬調制則有：

式（1）中T0、T1、T2分別為電壓矢量V0、V1、V2的矢量合成時間；式（2）中vdc為直流母線電壓；ugab＝ua－uc、ugbc＝ub－uc，且ua、ub、uc為正弦相調制信號。

為了求得SVPWM與SPWM等效下的三角載波制調制信號uga、ugb、ugc，如圖3所示，分析三角載波SPWM波形有:

式中：ucr為三角形的載波瞬時值；UCR為三角形載波的峰值，其滿足0≤t≤Ts／2；

現將式（1）代入式（3），并且將上式（2）進行標幺化處理，取標幺值的基底為UCR＝vdc／2，得到如下關系式：

式中：

同理可得，合成矢量V在任意一個扇區時，調制信號的標幺值一般表達式為如下：

由式（7）、（8）、式（9）分析可知，通過向在三相無中線平衡系統中注入零序電壓分量的方式，三電平SPWM輸出電壓波形與SVPWM的波形完全一致，可以達到一模一樣的調制效果，可見SVPWM調制和SPWM調制在本質上統一。如圖4所示，零電壓分量作為兩者的聯系紐帶，可將SVPWM調制用傳統的SPWM調制方式進行等效。圖4給出了等效實現的方法，其擴展到多電平逆變電路依然成立。

圖4 三電平SVPWM等效實現框圖

這種引入零電壓的SPWM調制控制方法，注入的零序電壓分量是三相正弦波瞬時值的最大值與最小值的平均值，致使系統輸出相電壓的波形不再為標準正弦波，同時可將其調制最大系數m從1增加至1.1547，提高了直流電壓利用率，其載波信號與調制波示意圖如圖5所示。

圖5 引入零序分量的SPWM載波信號與調制波示意圖

圖5中Ug1為傳統SPWM控制調制波信號；Ug0為引入零序電壓分量的SPWM控制調制波信號；Uc為同相疊層載波信號。從波形圖看，本方法雖然通過零電壓分量的引入改變了相電壓調制波的波形，可是在三相無中線平衡系統中零序電壓分量無法構成零序電流，即線電壓中沒有零序電壓成分，所以輸出線電壓的波形仍然為正弦波形，引入零序電壓分量的SPWM調制方法對應簡化SVPWM控制算法具有非常大的現實意義。

3 載波交疊的新型SPWM調制方法

本文在SPWM脈沖調制波中引入零序電壓分量的基礎上做了進一步的優化，提出了一種引入零電壓分量的載波交疊的新型SPWM調制方法，其針對三電平逆變器控制電路的控制原理框圖如圖6所示。

圖6 載波交疊控制原理框圖

PWM載波和調制波的控制方法如圖7所示，通過改變同相三角載波垂直方向上的偏移量，使兩載波產生交疊，即可以同時充分利用調制波注入零序電壓分量、載波的幅值和垂直偏移量三個控制方向的自由度。

圖7 載波和調制波示意圖

Ug0為調制波信號；Uc1、Uc2為同相疊層載波信號，λ為同相疊層載波的幅值，k＊λ為兩載波交疊的距離，k與λ存在如下關系：

利用本文提出的新型載波交疊SPWM調制控制方法與引入零序電壓分量的載波SPWM調制方法進行仿真試驗對比分析，調制度m的數值從0.2～1進行變化，分別記錄對比系統從低調制度到高調制度下，輸出線電壓諧波含量數值（THD）差異曲線如圖8所示。

圖8 不同調制度下輸出線電壓THD對比

在較高的調制度m時，采用引入零電壓的三電平SPWM調制控制方法與本文提出的新型載波交疊SPWM調制控制方法的電壓總諧波含量數值區別不大，但是在低調制度m下，采用新型載波交疊SPWM調制控制方法對電壓諧波的抑制作用的效果十分明顯，系統輸出線電壓的THD顯著降低。即從試驗結果看，新型載波交疊SPWM調制控制方法在同樣具有提供直流電壓利用率的同時，還能有效改善系統在低調制度下的電壓諧波。

4 仿真驗證

為驗證本文理論分析的正確性，利用MATLAB軟件的Smiulink搭建了三電平NPC逆變器仿真平臺，對上述結論進行了仿真驗證。仿真參數為:直流母線總電壓Udc=1500V，直流母線電容的容值Cin1（Cin2）=1100uF，開關頻率fs=1.5KHz，額定功率240kVA。

4.1 注入零序電壓分量的三電平SPWM調制試驗

首先我們采用向正弦調制波中注入零序電壓分量且載波為同相疊層的SPWM進行仿真，其調制波與載波的仿真波形如圖9所示。

圖9 注入零序電壓分量的SPWM調制信號和載波信號

從波形上看，調制波信號中注入零電壓分量后與SVPWM的調制波形完全一致，其直流電壓利用率明顯提高。另分別對其在調制度為m=0.9、m=0.3的情況進行仿真分析，其仿真波形如圖10和圖11所示。

圖10 調制度m=0.9時的仿真波形

圖11 調制度m=0.3時的仿真波形

4.2 引入載波交疊的新型SPWM調制試驗

同時引入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調制方法的調制波與載波的仿真波形如圖12所示，本文采用50%載波幅值的交疊量進行仿真驗證。

圖12 新型SPWM調制信號和載波信號仿真波形

從仿真波形上看新型SPWM調制方法，同樣具有提供直流電壓利用率的特點，本文分別對調制度為m=0.9、m=0.3，即在高、低調制度情況下進行仿真分析，其輸出線電壓Uab的FFT分析如圖13所示。

圖13 采用新型SPWM調制在不同調制度下的線電壓Uab的FFT分析

與4.1節仿真結果進行對比可知，在較高的調制度m時，采用兩種SPWM調制控制方法的輸出線電壓總諧波差異不大，但是在低調制度m下，采用新型載波交疊PWM調制控制方法與傳統SPWM方法相比電壓諧波顯著降低。仿真結果表明電壓諧波抑制作用的效果十分明顯，新型SPWM調制方法可以有效地改善系統在低調制度的輸出特性。

5 試驗驗證

為了進一步驗證本文提出的新型三電平NPC逆變器控制策略的正確性，搭建了應用于地鐵車輛輔助電源系統的三電平NPC逆變器，其電氣參數與上述仿真參數一致,DSP控制器采用TMS320F28335，樣機及三電平功率模塊如圖14所示。

圖14 三電平地鐵輔助電源系統

三電平逆變器在帶載運行時，采用注入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調制方法，其濾波電感前后線電壓Ubc波形如圖15所示。從圖中可以看出濾波電感前線電壓為三電平階梯波，經過濾波后變為正弦電壓。

為進一步驗證采用不同調制方法和不同的調制度下的控制效果，利用樣機平臺對其輸出線電壓的50次諧波以內的THD數值進行分析，如表1所示。

圖15 濾波器前后輸出線電壓波形

表1 不同調制和不同調制度下諧波對比

通過樣機試驗分析可知，采用兩種不同PWM調制方法的諧波特性在高調制度下差異不大，但在低調制度下，采用本文提出的載波交疊新型SPWM調制方法輸出線電壓的諧波含量顯著降低，其抑制調制度下諧波能力更優。

6 結論

針對大功率三電平NPC逆變器，首先指出了傳統的三電平SPWM控制算法實現的方法和亟待解決的問題，對三電平SPWM與SVPWM兩種調制思想進行了詳細的對比研究，并通過在三相正弦波調制波中注入零序分量的調制方法，將SPWM與SVPWM進行了等效，通過改進此算法有效地提高了直流電壓利用率。此外，為了改善系統在低調制度下的輸出電壓波形的諧波特性，本文還提出了一種利用調制波注入零序電壓分量、載波幅值變化量和同相載波的垂直方向偏移量三個控制自由度的調制方法，即引入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調制控制方式，最后通過搭建三電平逆變器軟件仿真平臺和樣機試驗平臺充分驗證了控制方法的正確性和有效性。