雙極性載波相移正弦脈寬調制策略研究

左 瑞

（宿豫中等專業學校，江蘇 宿遷223800）

0 引言

傳統的兩電平拓撲無法實現高壓大功率逆變。多電平變流器能夠直接輸出高壓而無需變壓器的連接，因而在大功率場合中受到越來越多的重視［1］。大功率開關器件工作頻率較低，不能直接應用高頻SPWM調制策略。而載波相移正弦波脈寬調制（CPS－SPWM）技術是在傳統的SPWM技術的基礎上發展起來的，是一種適用于大功率電力開關變換器的優秀調制策略。文獻［2］將CPS－SPWM與級聯H橋式多電平逆變器結合應用于高壓靜止無功補償器；文獻［3］將CPS－SPWM應用于模塊化多電平逆變器，實現了高壓大功率逆變。本文以級聯H橋式多電平逆變器主拓撲為例，闡述雙極性CPS－SPWM的調制原理和性能。

1 級聯H橋式多電平逆變器拓撲

基于級聯H橋的多電平逆變器拓撲如圖1所示。

圖1 基于級聯H橋的多電平逆變器拓撲

圖1 中，多電平逆變器為三相星形連接，每相由n個H橋單元級聯而成，這里各H橋單元直流側采用獨立直流電源供電。

2 雙極性CPS－SPWM調制理論

以圖1中A相級聯的第一個H橋單元為例進行闡述：H橋左右橋臂采用同一列調制波us和同一列載波uc，當us＞uc時，所得的驅動信號g使V11和V14同時導通，H橋單元輸出高電平＋E；如果是uc＞us，則得g的互補信號使V12和V13同時導通，此時H橋單元輸出低電平－E。每個H橋單元的輸出電壓只存在正、負兩種電平。

雙極性CPS－SPWM調制的基本原理：設A相級聯的H橋數目為n，對各H橋單元均進行上述雙極性SPWM調制。該相采用同一列調制波，n個H橋單元需要n列三角載波，且三角載波的相位應依次錯開三角載波周期的1／n。該相逆變器的總輸出電壓可達n＋1個電平。雙極性CPS－SPWM調制相當于將功率器件的等效開關頻率提高了n倍。

對B相和C相采用相同的調制原理，只需注意使三相的調制波依次錯開2π／3。這里不再展開論述。

3 仿真驗證

本文在MATLAB／Simulink中搭建了采用雙極性CPS－SPWM調制技術的級聯H橋式多電平逆變器的仿真模型。每相級聯的H橋單元數目為6，每個H橋單元的直流側電壓設置為1 000 V，負載采用三相阻感性負載，三角載波頻率設置為1 000 Hz，調制波頻率設置為50 Hz，調制度M 等于0．95。

運行仿真，可得A相逆變器總的輸出電壓波形及其頻譜分別如圖2、圖3所示。

圖2 A相輸出電壓波形

圖3 A相輸出電壓頻譜

由圖2可知，采用雙極性CPS－SPWM調制，對6個H橋級聯的逆變器拓撲結構，其輸出電壓的幅值為單個H橋單元直流側電壓的6倍，即實現了高壓大功率逆變；逆變器輸出電壓包含7個電平，驗證了采用雙極性CPS－SPWM調制，逆變器總輸出電壓電平數可達n＋1的結論；此時輸出電壓波形比較接近正弦波，電壓特性較好。由圖3頻譜圖可知，逆變器輸出電壓的基波分量為5 704 V，沒有造成基波損失；次數最低的諧波群出現在120次及其邊頻附近，對120次以下的諧波濾除得較干凈，這相當于將功率器件的等效開關頻率提高了n倍；而THD含量也較低，等于18．46%。

4 結語

本文主要以級聯H橋式多電平逆變器拓撲為基礎，闡述了雙極性CPS－SPWM的調制理論，又通過建模進行了仿真，仿真結果表明，雙極性CPS－SPWM調制可以實現高壓大功率逆變，輸出電壓不會造成基波損失，且能將功率器件的等效開關頻率提高n倍，具有較好的濾除諧波的特性。

［1］Peng F Z，Lai J S，Mckeever J W，et al．A Multilevel Voltage－Source Inverter with Separate DC Source for Static VAR Generation［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（5）：1130－1138．

［2］趙強，王加軍．基于CPS－SPWM調制方式的鏈式STATCOM研究［J］．工礦自動化，2012（6）：72－76．

［3］孫浩，楊曉峰，支剛，等．CPS－SPWM在模塊組合多電平變換器中的應用［J］．北京交通大學學報：自然科學版，2011，35（5）：131－136．