H橋級聯(lián)多電平逆變器相移SVPWM技術(shù)的研究

黃本潤，夏 立，吳正國

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢430033)

0 引言

多電平PWM控制方法是由兩電平發(fā)展而來，和具體多電平電路的拓撲結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。目前應(yīng)用于多電平的PWM控制方法主要有:載波調(diào)制PWM法(Carrier-based PWM)、空間矢量PWM法(Space Vector PWM-SVPWM或SVM)和特定諧波削去PWM法(Selective Harmonics Elimination PWM-SHEPWM)等［1-3］，其中，載波調(diào)制PWM方法和空間矢量PWM方法研究及應(yīng)用較多。

根據(jù)載波分布特點，載波調(diào)制法又可分為消諧波PWM(Sub-harmonic PWM-SHPWM)［4］和 載 波 移 相PWM(TriangularCarrierPhaseShiftingPWM-PSPWM)［5］。為提高直流電壓利用率，在參考波中注入零序分量的方法稱為開關(guān)頻率優(yōu)化PWM(Switching Frequency Optimal PWM-SFOPWM)［6］。這三種方法所用載波的數(shù)量相同，M電平電路每相需采用M－1個三角載波。載波移相PWM法是針對等電壓的單元級聯(lián)型逆變電路特點提出的。通過載波移相使各單元輸出電壓脈沖在相位上相互錯開，可以疊加出多電平波形。由于各單元的調(diào)制方法相同，只是載波或參考波相位不同，因而控制算法容易實現(xiàn)，也便于向更多電平數(shù)擴展。

空間矢量PWM法(SVPWM)以三相瞬時電壓合成的空間電壓矢量為控制對象，電壓矢量由所在區(qū)實際存在的電壓矢量和零矢量相互切換來合成。實際存在的電壓矢量由其開關(guān)狀態(tài)決定，多電平電路的開關(guān)狀態(tài)數(shù)量為電平數(shù)的三次方(M3)。對于超過五電平電路，開關(guān)狀態(tài)大量增加，SVPWM控制將極其復(fù)雜。因此，SVPWM雖然在兩電平通用變頻器中獲得了廣泛應(yīng)用，卻難以向多電平擴展，目前只在二極管箝位型三電平電路中獲得了實際應(yīng)用［7-11］。

由于級聯(lián)型電路電平數(shù)較多，電壓空間矢量的選擇和矢量作用時間的計算都很復(fù)雜，雖然已有一些基于特殊坐標系的快速算法提出［12-18］，但不如載波移相PWM方法容易擴展，目前還未能在級聯(lián)型多電平電路中獲得實際應(yīng)用。文獻［19］中對SVPWM控制算法做了大量研究，并提出了一種無需求電壓矢量夾角的三角函數(shù)運算和坐標旋轉(zhuǎn)運算的電壓SVPWM算法，在該方法中只有普通的四則運算，扇區(qū)判別和矢量作用時間的計算都非常簡單，有利于SVPWM的進一步廣泛應(yīng)用。本文研究的移相空間矢量調(diào)制法基于傳統(tǒng)的兩電平空間矢量調(diào)制法，采用載波移相的思想，將文獻［19］提出的SVPWM方法應(yīng)用到級聯(lián)多電平逆變器中，并通過系統(tǒng)仿真進行驗證。

1 載波移相法(PSPWM)

N級H橋級聯(lián)型逆變電路如圖1所示，每相由N個電壓等級相同的三電平H橋級聯(lián)構(gòu)成，輸出電壓電平數(shù)M和每相單元數(shù)N的關(guān)系為:

圖1 N單元級聯(lián)逆變電路

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，最適合采用PSPWM法，所需載波數(shù)Nc為:

圖2 H橋單元左右橋臂驅(qū)動信號的生成方法

不考慮直流母線電壓脈動時，橋臂輸出電壓波形和橋臂驅(qū)動信號波形相同，單元輸出電壓波形和左右橋臂驅(qū)動信號之差波形相同。對于級聯(lián)型逆變電路，等效載波頻率為:

輸出電壓的諧波分布和等效載波頻率有關(guān)。采用PSPWM方法可以在獲得同樣等效載波頻率輸出電壓的情況下，減小器件的開關(guān)頻率，從而降低器件的開關(guān)損耗。

2 移相空間矢量調(diào)制法(PSSVPWM)

2.1 一級單元的PSSVPWM方法

由三個H橋組成的三相一級單元電路如圖3所示，共有6個橋臂，將其分為兩組:左橋臂 LA、LB、LC和右橋臂 RA、RB、RC。分別控制這兩組橋臂，可形成兩個電壓矢量:左橋臂電壓矢量uL和右橋臂電壓矢量uR。相電壓為左右橋臂電壓之差，即:

式(4)、(5)、(6)中 uLA、uLB、uLC分別為 A、B、C三個單元左橋臂中點對直流側(cè)負極的電壓;uRA、uRB、uRC分別為A、B、C三個單元右橋臂中點對直流側(cè)負極的電壓。

圖3 一級單元電路三電平逆變電路

顯然，由相電壓 uAN、uBN、uCN所合成的電壓矢量(uAN，uBN，uCN)為左橋臂電壓矢量L(uLA，uLA，uLC)和右橋臂電壓矢量R(uRA，uRB，uRC)之差，即:

2.2 N單元級聯(lián)電路的PSSVPWM方法

2.3 電壓空間矢量的新型算法

圖4 三相三線DC/AC逆變器接線圖

各個空間矢量分布情況如圖5所示。

圖5 電壓矢量和扇區(qū)空間分布圖

常規(guī)的空間矢量算法需要進行復(fù)雜的正弦函數(shù)、反正切函數(shù)運算，計算量大，計算精度也會受到不可忽視的影響。在文獻［19］的研究結(jié)果中，對于兩電平的SVM得到一種新型算法。則其研究結(jié)果如表1所示。

表1 電壓空間矢量PWM的新型算法

其中:t(m，n)=Ts/Udc，m，n∈{A，B，C};在 Ts內(nèi)剩余的時間由v0或v7補充。該方法可以直接應(yīng)用于級聯(lián)多電平的SVPWM中。

3 仿真驗證

為了驗證上述算法的正確性，建立兩級級聯(lián)H橋多電平模型進行仿真驗證。參數(shù)設(shè)置如下:直流側(cè)電壓為200 V，輸出交流電壓頻率50 Hz，每個周期的采樣次數(shù)為20，幅度調(diào)制比為0.95。仿真結(jié)果如圖6所示，輸出相電壓為5電平波形，線電壓為9電平。通過FFT分析，如圖7所示，相移空間矢量法所得基波幅值高于載波移相法，約為1.15倍，直流側(cè)電壓利用率高。第一個諧波群出現(xiàn)在4 000 Hz附近，和載波移相法有相同等效載波頻率。

圖6 A、B相電壓和線電壓波形

圖7 通過FFT分析的基波幅值

4 結(jié)論

本文把移相空間矢量調(diào)制法應(yīng)用于級聯(lián)多電平脈寬調(diào)制中，該方法兼顧了載波移相法和空間矢量法的優(yōu)點，直流側(cè)電壓利用率高，等效載波頻率高。而一種簡單的空間矢量算法的采用，無需進行電壓矢量夾角的三角函數(shù)和無理數(shù)的運算，只有普通的四則運算，無論是判別扇區(qū)還是計算矢量作用時間，計算變得非常簡單，有利于實時性控制，結(jié)果更加準確。在具體實現(xiàn)時，DSP只需完成一級單元左右橋臂兩個基本電壓矢量的計算，生成一級三相三個單元6個橋臂的驅(qū)動信號。其余各級單元的驅(qū)動信號可通過CPLD或FPGA在分配各單元驅(qū)動信號時作相應(yīng)的延時即可。該算法和兩電平的SVPWM相比，并沒有增加DSP運算的負擔(dān)，易于實現(xiàn)。

［1］Leon M Tolbert，Thomas G Habetler.Novel multilevel inverter carrier-based PWM method［J］.IEEE Trans.on Ind.Applicat.1999，35(5):1098-1107.

［2］吳洪洋，何湘寧.多電平載波PWM法與SVPWM法之間的本質(zhì)聯(lián)系及其應(yīng)用［J］.中國電機工程學(xué)報，2002，22(5):10-15.

［3］H L Liu，G H Cho.Three-level space vector PWM in low index modulation region avoiding narrow pulse problem［J］.IEEE Trans.Power Electron.1994，9:481-486.

［4］Menzie R W.Five-level GTO inverter for large inductor motor drives［J］.IEEE Trans.on Appli，1994，30(4):938-943.

［5］Bakari Mwinyiwiwa.Multilevel converters with input/output linearity［J］.IEEE Trans.Industry Applications，1997，33(5):1214-1219.

［6］Jurgen K Sternke.Switching frequency optimal PWM control of a three-level inverter［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1996，7(3):487-496.

［7］Celanovic N，Boroyevich D.A fast space vector modulation algorithm for multilevel three-phase converters［J］.Proc.of IEEE IAS 1999，2:1173-1177.

［8］Lee Y H，Kim R Y，Hyun D S.A novel SVPWM strategy considering DC-link balancing for a multi-level voltage source inverter［J］.Proc.of IEEEAPEC＇99，1999，1:509-514.

［9］McGrath B P，Holmes D G，Lipo T A.Optimized space vector switching sequences for multilevel inverters［J］.Proc.Of IEEE APEC，Anaheim，CA，Mar.4-8，2001:1123-1129.

［10］Mahdavi J，Agah A，Ranjbar A M，et al.Extension of PWM space vector technique for multilevel current-controlled voltage source inverters［J］.Proc.IEEE IECON＇99，San Jose，CA，Nov.29-Dec.3，1999:583-588.

［11］Li L，Czarkowski D，Liu Y，et al.Multilevel space vector PWM technique based on phase-shift harmonic suppression［J］.Proc.of IEEE APEC＇2000，New Orleans，LA，F(xiàn)eb.2000:535-541.

［12］Patel H S.Generalized Technique of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverter:Part 1Harmonic Elimination［J］.IEEE Trans on IA，1993，9(3):310-317.

［13］Peng D，Lee F C，Boroyevich D.A novel SVM algorithm for multilevel three-phase converters［J］.IEEE Conference Proceedings of PESC＇2002，2002，2:509-513.

［14］Wei Sanmin，Wu Bin，Li Fahai，et al.A general space vector PWM control algorithm for multilevel inverters［J］.IEEE Conference Proceedings of APEC＇2003，2003，1:562-568.

［15］Prats M M ，Portillo R，Carrasco J M，et al.New fast spacevector modulation for multilevel converters based on geometrical considerations［J］.IECON Proceedings(Industrial Electronics Conference)，2002，4:3134－3139.

［16］Teodorescu R，Blaabjerg F，Pedersen J，et al.Space Vector Modulation Applied to Modular Multilevel Converters［C］.20-th PCIM＇99，Nuremberg，Conference Proceedings of Intelligent Motion:363-368.

［17］Wei Sanmin，Wu Bin，Li Fahai，et al.Control method for cascaded H－bridge multilevel inverter with faulty power cells［C］.IEEE Conference Proceedings of APEC ＇2003，2003，1:261-267.

［18］Kang D W，Lee Y H，Suh B S，et al.An improved carrierbased SVPWM method using leg voltage redundancies in generalized cascaded multilevel inverter topology［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(1):180-187.

［19］周衛(wèi)平.基于DSP和最優(yōu)滑模控制策略的有源濾波器的研究［D］.武漢:海軍工程大學(xué)，2004.