摘 要： 針對(duì)單相五電平級(jí)聯(lián)逆變器，對(duì)不同的多載波" title="多載波">多載波PWM方法進(jìn)行了分析和研究,。通過(guò)對(duì)載波移相PWM法和載波垂直分布PWM法進(jìn)行分析,，提出了一種混合多載波PWM方法,。通過(guò)對(duì)典型的五電平PWM單相逆變電路的MATLAB仿真分析,，證明了多載波PWM方法所產(chǎn)生的諧波污染小,、輸出波形更好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 高壓 單元串聯(lián) 變頻器 諧波 五電平
近年來(lái),，由于新型多電平" title="多電平">多電平逆變器具有輸出容量大,、適用于高電壓和輸出電壓電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，在中高壓調(diào)速領(lǐng)域,、交流柔性供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,，成為中高壓環(huán)境下能量處理的首選方案。對(duì)于多電平逆變器" title="電平逆變器">電平逆變器技術(shù)的研究,主要集中在兩個(gè)方面：一方面對(duì)多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究, 從簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),、模塊化的角度出發(fā), 在現(xiàn)有的多" title="的多">的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，構(gòu)造新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另一方面對(duì)多電平逆變器的調(diào)制策略" title="調(diào)制策略">調(diào)制策略進(jìn)行研究, 考慮的重點(diǎn)是在權(quán)衡輸出波形的諧波含量,、開關(guān)損耗,、電壓利用率等因素的前提下,對(duì)相應(yīng)的調(diào)制策略進(jìn)行優(yōu)化。與傳統(tǒng)的二電平逆變器相比較, 多電平逆變器利用其獨(dú)特的結(jié)構(gòu), 對(duì)不同的電平進(jìn)行綜合, 得到階梯狀的輸出電壓以提高輸出電壓范圍, 減少輸出電壓諧波,。最常用的多電平調(diào)制方法都是基于多載波的PWM 調(diào)制,。但是, 對(duì)于具體的多電平結(jié)構(gòu), 面臨的問(wèn)題就是如何選用適合的調(diào)制策略, 以獲得較好的性能[1]。
本文通過(guò)對(duì)常用的載波移相PWM法和載波垂直分布PWM法進(jìn)行研究,，進(jìn)而提出一種混合的多載波調(diào)制策略，并以單相五電平逆變器為例,，對(duì)各種多載波PWM調(diào)制策略進(jìn)行仿真研究,。仿真結(jié)果表明,，采用混合多載波調(diào)制策略的逆變器輸出波形更好，諧波污染更小,。
1 多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
常用多電平逆變器主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(1)二極管箝位型逆變器,。(2)電容箝位型逆變器。(3)具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型逆變器,。二極管箝位型,、電容箝位型多電平逆變器適用于高輸入電壓的大功率逆變場(chǎng)合；而具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器適用于低輸入電壓,、高輸出電壓的大功率逆變場(chǎng)合,。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器拓?fù)涫且园霕螂娐窞榛A(chǔ)的,；而具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器是以全橋電路為基礎(chǔ)的,，將具有移相或不同導(dǎo)通角的多個(gè)全橋逆變器的交流側(cè)串聯(lián)起來(lái)，從而得到多電平的輸出合成電壓,。
本文所討論的五電平逆變器屬于具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器,。其一相電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)全橋式逆變器可產(chǎn)生三電平的輸出電壓：當(dāng)a1,、b2導(dǎo)通時(shí),，u1=U；當(dāng)b1,、a2導(dǎo)通時(shí),，u1=-U；其余開關(guān)狀態(tài)下,，u1=0,。逆變器的合成輸出電壓u0=u1+u2，共包含五種電平,。通過(guò)控制每個(gè)逆變橋的導(dǎo)通角可以使合成輸出電壓u0的THD最小,。
2 多載波PWM調(diào)制策略
逆變器的調(diào)制策略對(duì)輸出電壓諧波、開關(guān)損耗,、電容電壓的平衡等方面產(chǎn)生很大的影響,。不同調(diào)制策略所綜合出的波形也不一樣，因此諧波分布特性也有差別,。對(duì)于多電平逆變器,，基于多載波的PWM調(diào)制策略是用于多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最常用的方法。多載波PWM策略與兩電平PWM技術(shù)相比,，前者在開關(guān)利用,、狀態(tài)冗余、等效開關(guān)頻率等方面,，提供了額外的自由度和更多的可能性,。
多載波調(diào)制技術(shù)的原理是利用一個(gè)調(diào)制信號(hào)波(通常為正弦波)與多個(gè)載波信號(hào)(一般為三角波)相交,，來(lái)產(chǎn)生開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形。多載波PWM調(diào)制技術(shù)可分為載波移相PWM和載波垂直分布PWM兩類,。
2.1 載波移相PWM
載波移相(PS)PWM方法采用了4個(gè)幅值和頻率都相同的載波信號(hào),。將載波信號(hào)與參考正弦波信號(hào)進(jìn)行比較，若參考信號(hào)大于三角載波,，則相應(yīng)與該載波信號(hào)的開關(guān)器件導(dǎo)通,；反之若參考信號(hào)小于三角載波，則相應(yīng)于該載波信號(hào)的開關(guān)器件關(guān)斷,。置于各開關(guān)器件的載波信號(hào)的初始相位依次移動(dòng)90°,。圖2(a)～(f)顯示了載波信號(hào)與參考波信號(hào)進(jìn)行比較所產(chǎn)生的開關(guān)器件的門電壓信號(hào)，以及逆變器的輸出五電平波形,。圖3(a)所示為PS PWM調(diào)制方式下的諧波分析圖,。從圖中可以看出，PS調(diào)制方式下,，低次諧波含量比較小,，但是高次諧波總含量較大，因此諧波畸變率較高,，為36.33%,。
?
2.2 載波垂直分布PWM
當(dāng)采用載波垂直分布(CD)技術(shù)時(shí)，對(duì)于一個(gè)N電平的逆變器,，需要N-1個(gè)載波信號(hào),，且這些載波具有相同的幅值與頻率。按照連續(xù)的帶寬對(duì)這些載波進(jìn)行排列,，使其完全分布在逆變器的線性調(diào)制區(qū),。參考正弦波的初始相位為0，且以0參考軸為中心,。即在參考正弦波的正半周,，參考波與0參考軸上的所有載波信號(hào)進(jìn)行比較，每當(dāng)參考波大于一個(gè)載波時(shí),，便輸出一個(gè)正的電壓,，否則輸出0電平；在參考波的負(fù)半周,，參考波與0參考軸以下的所有載波進(jìn)行比較,，每當(dāng)參考波小于一個(gè)載波時(shí)，便輸出一個(gè)負(fù)的電壓,，否則輸出0電平[3-4],。
載波垂直分布PWM可分為以下兩種情況：
(1)所有載波相位相同(PD)。載波和參考波分布以及逆變器輸出波形如圖4所示。圖3(b)所示為PD PWM調(diào)制方式下的諧波分析圖,。從圖中可以看出,，相對(duì)于PS調(diào)制方式,，PD調(diào)制方式下的輸出波形的高次諧波總含量較小,，但是低次諧波含量較大，其諧波畸變率為36.08%,。
(2)對(duì)稱軸上下載波反相(POD),。在0參考軸上與0參考軸下的載波互差180°。載波和參考波分布以及逆變器輸出波形如圖5所示,。圖3(c)所示為POD PWM調(diào)制方式下的諧波分析圖,。從圖中可以看出，相對(duì)于PD調(diào)制方式,，POD調(diào)制方式下的輸出波形的低次諧波含量有所減少,，但是高次諧波含量有所增加，其諧波畸變率為36.20%,。
對(duì)于本小節(jié)所討論的每一種調(diào)制技術(shù),，都包括三種自由度：(1)調(diào)制比ma，各調(diào)制技術(shù)的ma如表1所示,，其中AO為參考信號(hào)波的幅值,，Acpp為載波信號(hào)的峰-峰值。(2)載波比mf=fc/f0,，其中fc為載波信號(hào)的頻率,，fo為參考信號(hào)波的頻率。(3)參考信號(hào)波與載波信號(hào)之間的相角差Φ,，在本文的仿真過(guò)程中,，Φ=0。
3 基于MATLAB/SIMULINK的混合多載波PWM調(diào)制技術(shù)仿真
由于采用PSP WM方法所產(chǎn)生的輸出波形具有低次諧波含量較低的優(yōu)點(diǎn),，采用CD PWM方法所產(chǎn)生的輸出波形具有高次諧波含量較低的優(yōu)點(diǎn),，因此結(jié)合這兩種方法，本文提出一種混合PWM調(diào)制方法,。圖6所示為各門控信號(hào)發(fā)生器模型,。脈沖控制模塊包括參考正弦波發(fā)生電路(sin)和載波三角波發(fā)生電路(A、B,、C,、D)，它的主要工作原理是在同步時(shí)鐘的控制下產(chǎn)生一個(gè)正弦波和一個(gè)三角波,，然后將兩者進(jìn)行比較從而產(chǎn)生所需的控制脈沖,。模型輸出四路脈沖，根據(jù)控制需要，通過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)電路,，提供控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的脈沖信號(hào),。
混合PWM調(diào)制技術(shù)的原理是將一個(gè)三角載波信號(hào)分成等帶寬的四個(gè)載波信號(hào)，然后各載波信號(hào)依次移相90°,。將移相后產(chǎn)生的新載波信號(hào)進(jìn)行疊加后同參考波信號(hào)進(jìn)行比較,，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)依次作為一個(gè)開關(guān)器件的門控信號(hào)。實(shí)現(xiàn)此功能的關(guān)鍵在于對(duì)載波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),，如圖6中的A,、B、C,、D四個(gè)經(jīng)過(guò)封裝的模塊,。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。各載波的移相通過(guò)模塊LUT來(lái)實(shí)現(xiàn),。載波和參考波分布,、電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)以及逆變器的輸出波形如圖8所示。圖3(d)所示為混合調(diào)制方式下的諧波分析圖,。從圖中可以看出,，混合調(diào)制方式下輸出波形的低次諧波含量相對(duì)于CD PWM調(diào)制方式有所降低，而高次諧波含量相對(duì)于PS PWM調(diào)制方式同樣有所降低,，其總的諧波畸變率為35.55%,。
?
4 仿真結(jié)果諧波分析比較
針對(duì)五電平逆變器，對(duì)基于三種多載波的PWM調(diào)制策略進(jìn)行了仿真研究,，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的混合調(diào)制策略,。采用未濾波前的波形進(jìn)行分析，擺脫了因?yàn)V波器設(shè)計(jì)不一致而造成的影響,，更能夠抓住多電平調(diào)制方法的本質(zhì),，有利于直接對(duì)多電平調(diào)制方法進(jìn)行比較。線性調(diào)制區(qū)仿真結(jié)果的諧波分析圖見(jiàn)圖3,。
通過(guò)觀察各種調(diào)制技術(shù)情況下所產(chǎn)生的諧波狀況可以知道,，采用PS PWM調(diào)制方式時(shí)，其輸出波形中含有幅值較大的高次諧波,；而采用CD PWM調(diào)制方式和混合調(diào)制方式時(shí)則不存在這些問(wèn)題,。考察各種方案下低次諧波的分量,，發(fā)現(xiàn)CD PWM調(diào)制方式的低次諧波分量最大,，PS PWM調(diào)制方式的低次諧波分量最小，混合調(diào)制方式的低次諧波分量介于兩者之間,。各調(diào)制方法下的輸出波形的總諧波畸變率(PHD)相差不大,，但混合調(diào)制方法相對(duì)最小,。綜合考慮上述結(jié)論，對(duì)于單相的五電平逆變器而言,，混合調(diào)制方式為最優(yōu),。
本文研究了用于五電平逆變器的多載波PWM調(diào)制方式，分析了多載波PWM調(diào)制方式所產(chǎn)生的諧波的特性,，結(jié)合PS PWM調(diào)制方式和CD PWM調(diào)制方式,，提出了一種新的混合多載波調(diào)制方式，并獲得了較好的輸出波形,。
通過(guò)對(duì)諧波進(jìn)行仿真分析,、比較，基于載波垂直分布的調(diào)制方式略適用于五電平逆變器,，其中又以混合調(diào)制方式為最優(yōu)。在五電平以上的逆變器,，應(yīng)采用基于載波移相的調(diào)制方式,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張燕賓. SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002.
[2] ?ZHANG Z C, KUANG J， WANG X, et al. Force comm-utated HVDC and SVC based on phase-shifted multi-converter modules[J]. IEEE Trans. On Power Delivery,1993,8(2):712-718.
[3]?CARRARA G, GARDELLA S, MARCHESONI M, et al. A new multilevel PWM method: A theoretical Analysis[J]. ?IEEE Transactions on Power Electronics,1992,7(3):497-505.
[4] ?JOOS Gezo, HUANG Xiao Gang, OOI BOON TECK. Direct-coupled multilevel cascaded series var compensators[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1998,34(5):786-793.
[5] ?黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2001.