二極管鉗位型級聯(lián)多電平逆變器新型SPWM研究

林城美，汪光森，王公寶，李衛(wèi)超，崔小鵬(.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，湖北武漢430033; .海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430033)

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二極管鉗位型級聯(lián)多電平逆變器新型SPWM研究

林城美1，汪光森1，王公寶2，李衛(wèi)超1，崔小鵬1
(1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，湖北武漢430033; 2.海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430033)

摘要:針對目前級聯(lián)型多電平逆變器正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)數(shù)字化實現(xiàn)問題，分析常規(guī)載波調(diào)制SPWM算法的工作原理，提出了一種基于脈沖編碼與輪換的多電平SPWM調(diào)制策略。通過對正弦調(diào)制波的提取變換，進(jìn)行單載波“量化”調(diào)制，并采用脈沖編碼與輪換控制技術(shù)，對“量化”后的信號進(jìn)行脈沖編碼和脈沖輪換，均衡各逆變單元的輸出電壓與輸出功率，以及單元內(nèi)部電容電壓。仿真結(jié)果表明，與同相層疊載波SPWM調(diào)制策略相比，該調(diào)制具有更好的控制效果和更小的計算量;另外，控制算法的消耗資源對比分析表明，所提的控制算法較常規(guī)的SPWM算法更節(jié)省硬件資源。

關(guān)鍵詞:二極管鉗位型逆變器;級聯(lián)多電平逆變器;脈沖編碼;脈沖輪換;電容電壓

汪光森(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電氣傳動;

王公寶(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為應(yīng)用數(shù)學(xué)、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用;

李衛(wèi)超(1982—)，男，博士，副研究員，研究方向為超大容量脈沖功率電能變換技術(shù)及直線電機(jī)控制;

崔小鵬(1985—)，男，博士，講師，研究方向為電力系統(tǒng)集成。

0　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，多電平變換技術(shù)已經(jīng)在大容量電力電子設(shè)備如高壓直流輸電［1］、有源濾波器［2］、中高壓變頻器［3］及無功發(fā)生器［4］等取得了廣泛應(yīng)用。H橋級聯(lián)多電平逆變器是目前較為常見的多電平逆變器，與兩電平H橋結(jié)構(gòu)相比，二極管鉗位型H橋級聯(lián)逆變器具有器件電壓應(yīng)力小、輸出功率大、系統(tǒng)電磁干擾低等優(yōu)點［5］，在高壓大容量逆變器中具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前常見的多電平PWM調(diào)制策略有載波SPWM［6－9］和空間矢量PWM(space vector pulse width modulation，SVPWM)［10－14］。SVPWM具有電壓利用率高、易于實現(xiàn)數(shù)字化控制等優(yōu)點，但是由于計算過程需要進(jìn)行復(fù)雜的乘除運(yùn)算，這對控制系統(tǒng)的實時性產(chǎn)生不可忽視的影響，對控制器的性能要求較高［15］。載波SPWM具有開關(guān)負(fù)荷均衡、諧波特性好等優(yōu)點，在較低的開關(guān)頻率下可實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的輸出［16］，但是也面臨一些問題，其中較為明顯的問題是數(shù)字化實現(xiàn)。

隨著級聯(lián)型多電平逆變器電平的增加，對PWM發(fā)生器數(shù)量的要求也更為龐大。文獻(xiàn)［17］基于FPGA擴(kuò)展實現(xiàn)多路PWM發(fā)生器，但是數(shù)量龐大的PWM發(fā)生器占用了大量的硬件資源。文獻(xiàn)［18］將單極性SPWM引入到載波相移SPWM中，能夠在不改變系統(tǒng)性能的情況下省去一半的PWM發(fā)生器，雖然改善和優(yōu)化了載波相移SPWM的數(shù)字化實現(xiàn)問題，但是仍然消耗了較多的硬件資源。文獻(xiàn)［19］基于單載波調(diào)制，大大降低了數(shù)字化實現(xiàn)的復(fù)雜度，并通過脈沖編碼與脈沖旋轉(zhuǎn)技術(shù)，實現(xiàn)級聯(lián)逆變器中各功率模塊單元電壓與功率的平衡，達(dá)到電容電壓的平衡。但是文獻(xiàn)［19］進(jìn)行脈沖編碼時，各個功率單元脈沖編碼規(guī)則不一，通用性不高;另外，該編碼規(guī)則受限于文中所提的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以對所提出的編碼算法進(jìn)行剪裁或擴(kuò)展應(yīng)用。

本文針對載波SPWM的特點，進(jìn)一步優(yōu)化脈沖編碼與輪換方式，提出了一種簡明的脈沖編碼與輪換的SPWM調(diào)制策略，基于該調(diào)制策略開展了相關(guān)理論分析和仿真驗證。

1　常規(guī)載波SPWM算法

1.1二極管鉗位型級聯(lián)單相逆變器

圖1(a)為二極管鉗位型級聯(lián)單相逆變器系統(tǒng)，由兩個逆變單元級聯(lián)構(gòu)成。圖1(b)為逆變單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個逆變單元由兩個三電平橋臂組成，每個橋臂由兩個鉗位二極管(如D1～D2)和四個開關(guān)器件(如Sa1～Sa4)組成。每個逆變單元均有5種電平狀態(tài)，則該單相逆變器系統(tǒng)可輸出9種電平電壓，如0、±E、±2E、±3E和±4E。

圖1　二極管鉗位型級聯(lián)單相逆變器Fig.1 Diode-clamped cascaded single inverter

1.2基于載波調(diào)制的SPWM算法

載波調(diào)制的SPWM的核心思想是使用正弦波與三角載波的幅值進(jìn)行比較去開通或關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)器件。以同相層疊載波調(diào)制的SPWM算法為例，如圖2所示。

圖2　同相層疊SPWM調(diào)制波形Fig.2 Phase disposition carrier PWM

通過正弦調(diào)制波與三角波載波進(jìn)行比較，可以得到各個開關(guān)器件的脈沖波形，如圖3所示。其中，Sa1-A表示A逆變單元Sa1開關(guān)器件的狀態(tài)，其他以此類推。另外，同一橋臂開關(guān)器件Sx1-Y與Sx3-Y、Sx2-Y與Sx4-Y狀態(tài)互補(bǔ)開關(guān)，x=a，b，Y=A，B。因此生成了16路開關(guān)信號，實現(xiàn)九電平輸出電壓的調(diào)制。

圖3　各開關(guān)器件PWM信號Fig.3 PWM waveform of each sw itching devive

2　基于脈沖編碼與輪換的SPWM算法

2.1開關(guān)矢量定義

采用一位二進(jìn)制數(shù)變量描述單個開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，定義為:

其中，x=a，b。在不考慮死區(qū)的情況下，單個橋臂的輸出電壓可表示為

則每個逆變單元的輸出電壓為

由此可得每個逆變單元的開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓與所用電容之間的關(guān)系，如表1所示。

表1　開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓與所用電容的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Switching states，output voltage and capacitors used

2.2脈沖編碼

如圖4所示，采用單三角波載波調(diào)制方式，提取正弦調(diào)制波在各個電平區(qū)間的信號波形，將這些信號壓縮到同一三角波載波信號內(nèi)，生成新的調(diào)制波信號與單一載波進(jìn)行比較，實現(xiàn)多電平輸出電壓的調(diào)制。

圖4　單載波SPWM調(diào)制波形Fig.4 Single carrier SPWM

所謂編碼就是將量化后的信號編碼形成一個二進(jìn)制碼組輸出。因此，在進(jìn)行編碼前，需要對單載波SPWM調(diào)制波形進(jìn)行“量化”處理。以圖4的調(diào)制波形為例，為了產(chǎn)生級聯(lián)逆變器各個單元的PWM脈沖序列，使逆變器輸出期望電壓，定義k0～k5為量化后的二進(jìn)制變量。k0為載波調(diào)制得到的脈沖序列，二進(jìn)制變量k1～k4可表達(dá)為:

k5為逆變單元使用電容數(shù)量標(biāo)志，當(dāng)k5為0時，逆變單元單個電容使能;k5為1時，逆變單元兩個電容同時使能。根據(jù)圖4，可以得到k0～k4在單個調(diào)制周期內(nèi)的波形，如圖5所示。

圖5　二進(jìn)制變量信號Fig.5 Binary variable signal

對于脈沖寬度調(diào)制而言，二進(jìn)制碼組的作用是作為逆變單元開關(guān)狀態(tài)的控制信號，控制逆變單元的輸出電壓及所用電容。因此，為了便于識別和計算，定義二進(jìn)制碼組與所用電容、輸出電壓之間的關(guān)系如表2所示。

表2　二進(jìn)制碼組與所用電容、輸出電壓的關(guān)系Table 2 Relation between binary code block，output voltage and capacitors used

如表2所示，Q1～Q3為二進(jìn)制碼組元素。當(dāng)Q1為1時，所用電容為C1，否則，不使用;當(dāng)Q2為1時，所用電容為C2，否則，不使用;而Q3為輸出電壓的極性值。

采用二進(jìn)制變量k0～k5作為輸入，以Q1～Q3為二進(jìn)制碼組元素作為控制輸出，則存在64個狀態(tài)控制6個控制信號。每個逆變單元使用相同的串聯(lián)電容使用規(guī)則，各個逆變單元產(chǎn)生相同的電容電壓均衡效果。為了得到各個單元的控制輸出信號，需要進(jìn)行脈沖編碼。因此，通過均衡各個電容在各個電平之間的使用，初步平衡電容電壓，則可得到控制輸出信號與二進(jìn)制變量的邏輯關(guān)系為

式中，Y=A，B，表示A或B逆變單元。

2.3脈沖輪換

為了進(jìn)一步均衡逆變單元輸出電壓和輸出功率，并實現(xiàn)逆變單元內(nèi)部電容電壓的平衡，采用脈沖輪換的方式進(jìn)行調(diào)制。

以載波調(diào)制得到的脈沖序列k0的上升沿時刻作為脈沖輪換時刻，進(jìn)行脈沖輪換，包括逆變單元之間的使用輪換和同一逆變單元內(nèi)電容的使用輪換，從而實現(xiàn)逆變單元之間的輸出均衡，以及單元內(nèi)部電容電壓的均衡。

圖6給出了4種電平的脈沖輪換控制情況。以圖6(a)為例，在k0的上升沿時刻，兩個逆變單元輪換工作。在第一個控制過程，k0為高電平時，A逆變單元C1工作，B逆變單元不工作，輸出1電平電壓;當(dāng)k0為低電平時，A、B逆變單元均不工作，輸出電壓為0。在第二個控制過程，主要為B逆變單元C1工作，A逆變單元不工作，過程與第一個控制過程類似。以此類推，通過脈沖輪換，各個逆變單元循環(huán)工作，實現(xiàn)各個逆變單元輸出功率的均衡。

圖6　脈沖輪換控制原理Fig.6 Pulse rotation control principle

每隔兩個脈沖，A逆變單元進(jìn)行工作供電，按照公式(7)，此時仍是A逆變單元的C1工作，電容C2不工作。如此循環(huán)下去，將會導(dǎo)致逆變單元內(nèi)部電容電壓不平衡。因此，每隔2個脈沖，對逆變單元控制信號Q2和Q3進(jìn)行互換，使逆變單元內(nèi)部電容輪換供電，實現(xiàn)電容電壓的均衡控制。

3　仿真驗證

為了驗證基于脈沖編碼與輪換控制技術(shù)的SPWM調(diào)制策略，搭建了Matlab仿真模型進(jìn)行仿真驗證，模型的關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。在Matlab仿真模型中，NPC型級聯(lián)單相逆變器模型采用Simulink/ SimPowerSystems中模塊進(jìn)行建模，控制器模型基于FPGA進(jìn)行設(shè)計，采用Xilinx Blockset中的模塊進(jìn)行構(gòu)建。控制算法分別采用常規(guī)SPWM策略(載波同相層疊法)與所提的SPWM策略作為調(diào)制策略，進(jìn)行對比分析。

表3　仿真模型中的關(guān)鍵參數(shù)Tab le 3 Key parameters in simulation m odel

圖7和圖8分別為調(diào)制比為0.2時，基于載波同相層疊SPWM調(diào)制策略和基于脈沖編碼與輪換的SPWM調(diào)制策略的仿真結(jié)果;圖9和圖10分別為調(diào)制比為0.9時，基于載波同相層疊SPWM調(diào)制策略和基于脈沖編碼與輪換的SPWM調(diào)制策略的仿真結(jié)果。

圖7　m=0.2載波同相層疊SPWM的仿真結(jié)果Fig.7　Control effect of phase disposition carrier PWM strategy(m=0.2)

圖8　m=0.2基于脈沖編碼與輪換SPWM的仿真結(jié)果Fig.8　Control effect of phase disposition carrier PWM strategy(m=0.2)

圖9　m=0.9基于脈沖編碼與輪換SPWM的仿真結(jié)果Fig.9 Control effect of novel SPWM strategy(m=0.9)

圖10　m=0.9基于脈沖編碼與輪換SPWM的仿真結(jié)果Fig.10 Control effect of novel SPWM strategy(m=0.9)

通過對比仿真結(jié)果，可以得到:基于載波同相層疊SPWM調(diào)制，逆變單元內(nèi)部電容每半周期交替供電，有利于平衡電容電壓，但是電容電壓的平衡效果并不理想，尤其是高調(diào)制時，其波動較大;而基于脈沖編碼與輪換的SPWM控制策略具有較好的控制效果，可以很好地解決電容電壓的不平衡問題。但是由于負(fù)載為阻感性負(fù)載，負(fù)載電流加大時，主回路能量交互較為明顯，母線電壓波動范圍略有加大。

表4　控制算法消耗資源對比Table 4 Hardware resource consumption

表4給出了常規(guī)SPWM控制策略與所提的SPWM控制策略所消耗的硬件資源。如表4所示，所提的SPWM控制策略更節(jié)約資源，有利于降低了控制系統(tǒng)對硬件資源的要求。

4　結(jié)論

本文以二極管鉗位型級聯(lián)多電平逆變器為研究對象，提出了一種新型的脈沖編碼與輪換的SPWM調(diào)制策略。通過對正弦調(diào)制波的提取變換，進(jìn)行單載波調(diào)制，簡化了常規(guī)載波調(diào)制，使得SPWM計算量大大降低。同時，利用單載波調(diào)制“量化”后的信號進(jìn)行脈沖編碼與脈沖輪換，有效地控制逆變單元內(nèi)部電容電壓，以及保證逆變單元輸出電壓與輸出功率的均衡。與常規(guī)SPWM調(diào)制策略相比，該調(diào)制策略具有運(yùn)算量小、硬件資源消耗少、控制效果好等優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景，如三電平級聯(lián)型的多相、MMC等系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

［1］費(fèi)拉斯，許烈，李永東.用于離岸風(fēng)場高壓直流輸電的并網(wǎng)型多電平拓?fù)溲芯浚跩］.電機(jī)與控制學(xué)報，2013，17(2):7－13.FIRASO，XU Lie，LIYongdon.Grid-connectedmultilevel topology for HVDC offshore wind farm［J］.Electric Machines and Control，2013，17(2):7－13.

［2］李建林，趙棟利，趙斌，等.載波相移SPWM級聯(lián)H型變流器及其在有源電力濾波器中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(10):109－113.LIJianlin，ZHAO Dongli，ZHAO Bin，et al.Cascade H-bridge converterwith carrier phase shifted SPWM technique and its application in active power filter［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26 (10):109－113.

［3］范必雙，譚冠政，樊紹勝.三電平矢量控制變頻器隨機(jī)SVPWM技術(shù)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2013，17(4):6－10.FAN Bishuang，TAN Guanzheng，F(xiàn)AN Shaosheng.Random SVPWM technique for three-level vector control inverters［J］.Electric Machines and Control，2013，17(4):6－10.

［4］許湘蓮，鄒云屏，郭江.基于自抗擾控制器的級聯(lián)多電平靜態(tài)同步補(bǔ)償器控制系統(tǒng)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(31): 40－44.XU Xianglian，ZOU Yunping，GUO Jiang.Control system of cascade multilevel STATCOM based on auto-disturbance rejection controller［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27(31):40－44.

［5］CELANOVICN，BOROYEVICH D.A comprehen sive study of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-pointclamped voltage source PWM inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15(2):242－249.

［6］JIAN L，ZHEN Zh，XIANGGEN Y，et al.FPGA implementation of amulti-level SPWM for three-level NPC inverter［C］//Proceedings UPEC 2006 International Conference，Sept，2006.

［7］王長永，金陶濤，張仲超.電流型組合變流器相移SPWM技術(shù)的數(shù)學(xué)分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2000，15(6):18－22.WANG Changyong，JIN Taotao，ZHANG Zhongchao.Mathematical analysis on current source multi-modular SPWM converter［J］.Transactions of China Electrot echnical society，2000，15(6):18 －22.

［8］李建林，林平，王長永，等.基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型有源電力濾波器的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23 (10):99－103.LI Jianlin，LIN Ping，WANG Changyong，et al.Research on current-source converter with carrier phase shifted SPWM for active power filter［J］.Proceedings of the CSEE，2003，23(10):99 －103.

［9］王立喬，齊飛.級聯(lián)型多電平變流器新型載波相移SPWM研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(3):28－34.WANG Liqiao，QIFei.Novel carrier phase-shifted SPWM for cascademultilevel converter［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30 (3):28－34.

［10］PRATSM M，PORTILLO R.New fast space-vectormodulation for multilevel converters based on geometrical considerations ［C］//IEEE IECON Conf.Rec.，2002，3134－3139.

［11］LIN Chengmei，WANG Gongbao，LIWeichao，et al.Hybrid SVPWM strategy for diode-clamped 3H-bridge inverter［J］.ICEMS2014，2014:3594－3598.

［12］MCGRATH，B P，HOLMES.Optimized space vector switching sequences formultilevel inverters［J］.IEEE Trans.on Power E-lectron.，2003，18(6):1293－1301.

［13］趙品志，楊貴杰，劉春龍.五相電壓源逆變器SVPWM優(yōu)化算法［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13(4):516－522.ZHAO Pinzhi，YANG Guijie，LIU Chunlong.Optimal SVPWM algorithm for five-phase VSI［J］.Electric Machines and Control，2009，13(4):516－522.

［14］李衛(wèi)超，馬偉明，汪光森，等.中點鉗位型H橋級聯(lián)單相逆變器新型空間矢量脈寬調(diào)制方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，30(34):5313－5319.LIWeichao，MAWeiming，WANG Guangsen，et al.Novel SVPWM method for single-phase cascaded NPC H-bridge inverter ［J］.Proceedings of the CSEE，2014，30(34):5313－5319.

［15］齊昕，王沖，周曉敏，等.一種低硬件資源消耗快速SVPWM算法［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2014，18(4):31－38.QIXin，WANG Chong，ZHOU Xiaomin，et al.Low hardware resource consumption fast SVPWM algorithm［J］.Electric Machines and Control，2014，18(4):31－38.

［16］ZHANG Zhongchao，OOI B T.Forced commutated HVDC and SVC based on phase-shifted multi-converters［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，1993，8(2):712－718.

［17］李建林，王立喬，李彩霞，等.基于現(xiàn)場可編程門陣列的多路PWM波形發(fā)生器［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(10):55 －59.LIJianlin，WANG Liqiao，LICaixia，et al.Multi-PWM pulse generator based FPGA［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25 (10):55－59.

［18］王立喬，齊飛.級聯(lián)型多電平變流器新型載波相移SPWM研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(3):28－34.WANG Liqiao，QI Fei.Novel carrier phase-shifted SPWM for cascade multilevel converter［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30(3):28－34.

［19］秦春江，葛寶明，彭方正.脈沖編碼和旋轉(zhuǎn)的級聯(lián)中點箝位逆變器脈寬調(diào)制控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29(33):34 －39.QIN Chunjiang，GE Baoming，PENG Fangzheng.Pulse width modulation control based on pulse encode and pulse rotation for cascade neutral point clamped inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29(33):34－39.

(編輯:賈志超)

Novel SPWM for diode-clamped cascaded multilevel inverter

LIN Cheng-mei1，WANG Guang-sen1，WANG Gong-bao2，LIWei-chao1，CUIXiao-peng1
(1.National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.School of Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Abstract:A novel sinusoidal pulse width modulation(SPWM)strategy was presented for diode-clamped cascaded multilevel inverter，based pulse encoding and rotation，which decreases controller’s computational load and takes up much more memory space.The strategy converted the multi-carrier modulation into single carrier modulation by compression transformation sinuouswave form，which extracted in different levels.Based on pulse recoding and rotation control technology，the control strategy balances each inverter unit output voltage and power，and each capacitance voltage of inverter unit.Compared with phase disposition carrier PWM，the simulation results were given in order to illustrate the efficiency of the proposed multi-level SPWM to achieve high-performance control of cascadedmultilevel inverter，which is suitable for low resources system with lower calculation，lower hardware resource consumption.

Keywords:diode-clamped inverter;cascadedmultilevel inverter;pulse encoding;pulse rotation;capacitor voltage

通訊作者:林城美

作者簡介:林城美(1986—)，男，博士研究生，研究方向為電力電子與電氣傳動;

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51477179，51507184)

收稿日期:2015－03－25

中圖分類號:TM 46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1007－449X(2016)02－0008－06

DOI:10.15938/j.emc.2016.02.002