多電平電力變換裝置調制策略仿真研究

呂飛，余鳳豪，張松濤，吉哲

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多電平電力變換裝置調制策略仿真研究

呂飛，余鳳豪，張松濤，吉哲

（海軍蚌埠士官學校機電系，安徽蚌埠 233012）

多電平變換技術因具有輸出波形畸變小、器件電壓應力低等優點成為實現大容量電力變換的關鍵。任何拓撲結構的多電平變換裝置都必須采用相應的控制策略對其進行有效控制。文章分析了多電平變換裝置調制策略的幾種具體方法，指出了幾種調制策略的優缺點，并對載波組調制法進行了仿真分析驗證，給出了多電平載波調制自由度組合方法，對大容量電力電子變化裝置調制策略選擇具有參考意義。

多電平變換器 調制策略 空間矢量調制 載波組調制

0 引言

電力電子的發展要求電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質量越來越好、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的研究重點[1]。大容量是電力電子技術未來的主要發展方向，而多電平變換技術成為實現大容量的關鍵[2]。從多電平變換裝置提出至今，出現了多種基本拓撲及一系列改進拓撲。任何拓撲結構的多電平變換裝置都必須采用相應的控制策略對其進行控制，才能產生期望的電壓輸出。相同拓撲結構的多電平變換器，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域的重點和熱點之一。

多電平變換器的調制策略，按照開關頻率的高低，可以分為基頻調制和高頻調制[3]。基頻調制是指在一個工頻周期中，每個開關器件只是開關一次或兩次，產生階梯波的輸出電壓。高頻調制是指在輸出電壓的一個工頻周期中，每個開關器件開關許多次。

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

1 波形逼近調制法

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

階梯波調制是用輸出階梯狀電壓波形近似代替正弦波形的調制方法，如圖1示。由于輸出電平數有限，所以這種調制方法對功率器件的開關頻率沒有很高的要求，可以使用低開關頻率的大功率器件，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制輸出波形

圖1為由n對正負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，1,2,···,n為對應脈沖的開關角。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，可以通過選擇1,2,···,n消除最多(n-1)種諧波分量。

2 空間矢量調制法

空間電壓矢量法是一種較為優越和應用廣泛的變換器調制方法。優越性表現在：在大范圍的調制比內具有很好的性能，無需其它控制方法所需的大量角度數據，直流電壓利用率高等[5]。

多電平空間矢量脈寬調制(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：

空間矢量脈寬調制算法一般由以下四步構成：

1）將參考矢量在選定坐標系中投影；

2）對投影分量進行取整處理；

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狀態，并發出觸發信號。

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個開關狀態，3n(n-1)+1個基本矢量。隨電平數n的增加，開關狀態和基本矢量的個數都會急劇增加，會導致空間矢量脈寬調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制的研究重點之一。

3 載波組調制法及仿真分析

3.1 消諧波脈寬調制（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兩側。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應的開關器件；反之，如果調制波的幅值小于某個三角波的幅值則關斷該器件。

載波間的相位關系：1）PD：所有載波具有相同相位；2）POD：正、負載波間相位相反；3）APOD：相鄰載波間相位相反。對于n電平變換器，幅度調制比Ma和頻率調制比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對應開關的開關次數要遠大于中間載波帶對應開關的開關次數，且隨幅度調制比的改變而不同。

3.2 開關頻率優化脈寬調制（SFOPWM）

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

設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的優點是可以提高線性調制范圍，其最大線性幅度調制比可以達到1.15，比SHPWM提高15%，直流電壓利用率高。SFOPWM只可用于三相系統，因為注入的零序分量在單相系統中無法相互抵消，從而在單相系統的輸出波形中存在三次諧波。

3.3 載波相移脈寬調制（CPSPWM）

CPSPWM一般用在級聯型多電平變換器，其基本原理[8-10]：構成多電平變換器的各單元模塊均采用低開關頻率的單相SPWM，各單元模塊具有相同的幅度調制比、頻率調制比，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波形等效開關頻率提高到原來的(m-1)倍(m為級聯單元數)。CPSPWM可在不提高開關頻率的情況下，大大減小輸出諧波。

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

圖6為傳統的載波相移脈寬調制仿真波形。圖7為對稱載波相移脈寬調制仿真波形。

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

由于多電平變換器的載波和調制波不止一個，每一個載波和調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；還有載波和調制波相互間的相位關系等自由度。

圖6 五電平傳統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，將產生多種PWM調制方法。如相移載波-開關頻率優化PWM方法(PS-SFOPWM)、載波交疊式PWM方法(COPWM)和載波交疊-開關頻率優化PWM方法(CO-SFOPWM)等。

4 結論

本文通過系統分析多電平電力變換裝置調制策略的具體方法，指出不同調制策略的優缺點，并以典型的載波組調制法為例，進行了仿真驗證，最后給出了多電平載波調制自由度組合方法。多電平變換裝置調制策略的優化分析及實際應用將是進一步的研究重點。

[1] 吳洪祥. 多電平變換器及其相關技術研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2002.

[2] 薛英林, 徐政, 唐庚. 新型混合級聯多電平換流器調制策略[J]. 電力系統自動化，2012，36(22): 108-114.

[3] Rodriguez J, PENG Fangzheng. Multilevel inverter: a surver of topologies, controls, and applications[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2002, 49(4): 724-736.

[4] Peng F Z, A power line conditioner using cascaded multilevel inverter for distributions systems[C]. IEEE IAS’1997, Arligton, 1997: 1357-1362.

[5] 汪光森. 級聯多電平變換器控制策略及實現方案[R]. 武漢: 華中科技大學, 2004.

[6] Carrara G, Gardella s. A new multilevel PWM method: a theoretical analysis[J]. IEEE Transactions on power Electronics, 1992, 7(3): 497-505.

[7] 王立杰, 孫玉坤, 孫運全. 大容量鏈式STATCOM的三角載波移相-開關頻率最優PWM法控制策略的研究[J]. 繼電器，2007, 35(3): 41-44.

[8] 牟偉. 級聯多電平變換器相位移載波SPWM提調制方法的研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2006.

[9] 趙昕, 趙成勇, 李廣凱.采用載波移相技術的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J].中國電機工程學報, 2011, 31(21): 48-54.

[10] 李笑倩, 宋強, 劉文華. 采用載波移相調制的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制[J].中國電機工程學報, 2012, 32(9): 49-55.

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。