摘 要： 針對單相五電平級聯(lián)逆變器，對不同的多載波" title="多載波">多載波PWM方法進(jìn)行了分析和研究。通過對載波移相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。通過對典型的五電平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，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：一方面對多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究, 從簡化結(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, 對于具體的多電平結(jié)構(gòu), 面臨的問題就是如何選用適合的調(diào)制策略, 以獲得較好的性能[1]。
本文通過對常用的載波移相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合；而具有獨(dú)立直流電源的級聯(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，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)制信號波(通常為正弦波)與多個(gè)載波信號(一般為三角波)相交，來產(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。將載波信號與參考正弦波信號進(jìn)行比較，若參考信號大于三角載波，則相應(yīng)與該載波信號的開關(guān)器件導(dǎo)通；反之若參考信號小于三角載波，則相應(yīng)于該載波信號的開關(guān)器件關(guān)斷。置于各開關(guān)器件的載波信號的初始相位依次移動(dòng)90°。圖2(a)～(f)顯示了載波信號與參考波信號進(jìn)行比較所產(chǎn)生的開關(guān)器件的門電壓信號，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%。
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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)，對于一個(gè)N電平的逆變器，需要N-1個(gè)載波信號，且這些載波具有相同的幅值與頻率。按照連續(xù)的帶寬對這些載波進(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為參考信號波的幅值，Acpp為載波信號的峰-峰值。(2)載波比mf=fc/f0，其中fc為載波信號的頻率，fo為參考信號波的頻率。(3)參考信號波與載波信號之間的相角差Φ，在本文的仿真過程中，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IGBT驅(qū)動(dòng)電路，提供控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的脈沖信號。
混合PWM調(diào)制技術(shù)的原理是將一個(gè)三角載波信號分成等帶寬的四個(gè)載波信號，然后各載波信號依次移相90°。將移相后產(chǎn)生的新載波信號進(jìn)行疊加后同參考波信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生的脈沖信號依次作為一個(gè)開關(guān)器件的門控信號。實(shí)現(xiàn)此功能的關(guān)鍵在于對載波信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，如圖6中的A、B、C、D四個(gè)經(jīng)過封裝的模塊。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。各載波的移相通過模塊LUT來實(shí)現(xiàn)。載波和參考波分布、電路產(chǎn)生的脈沖信號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于CD PWM調(diào)制方式有所降低，而高次諧波含量相對于PS PWM調(diào)制方式同樣有所降低，其總的諧波畸變率為35.55%。
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4 仿真結(jié)果諧波分析比較
針對五電平逆變器，對基于三種多載波的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)果的諧波分析圖見圖3。
通過觀察各種調(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)則不存在這些問題?？疾旄鞣N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)制方法相對最小。綜合考慮上述結(jié)論，對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。
通過對諧波進(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：國防工業(yè)出版社，2001.