雙極性載波相移正弦脈寬調(diào)制策略研究

左 瑞

（宿豫中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宿遷223800）

0 引言

傳統(tǒng)的兩電平拓?fù)錈o法實(shí)現(xiàn)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(guān)器件工作頻率較低，不能直接應(yīng)用高頻SPWM調(diào)制策略。而載波相移正弦波脈寬調(diào)制（CPS－SPWM）技術(shù)是在傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種適用于大功率電力開關(guān)變換器的優(yōu)秀調(diào)制策略。文獻(xiàn)［2］將CPS－SPWM與級(jí)聯(lián)H橋式多電平逆變器結(jié)合應(yīng)用于高壓靜止無功補(bǔ)償器；文獻(xiàn)［3］將CPS－SPWM應(yīng)用于模塊化多電平逆變器，實(shí)現(xiàn)了高壓大功率逆變。本文以級(jí)聯(lián)H橋式多電平逆變器主拓?fù)錇槔?，闡述雙極性CPS－SPWM的調(diào)制原理和性能。

1 級(jí)聯(lián)H橋式多電平逆變器拓?fù)?/h2>

基于級(jí)聯(lián)H橋的多電平逆變器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 基于級(jí)聯(lián)H橋的多電平逆變器拓?fù)?/p>

圖1 中，多電平逆變器為三相星形連接，每相由n個(gè)H橋單元級(jí)聯(lián)而成，這里各H橋單元直流側(cè)采用獨(dú)立直流電源供電。

2 雙極性CPS－SPWM調(diào)制理論

以圖1中A相級(jí)聯(lián)的第一個(gè)H橋單元為例進(jìn)行闡述：H橋左右橋臂采用同一列調(diào)制波us和同一列載波uc，當(dāng)us＞uc時(shí)，所得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)g使V11和V14同時(shí)導(dǎo)通，H橋單元輸出高電平＋E；如果是uc＞us，則得g的互補(bǔ)信號(hào)使V12和V13同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)H橋單元輸出低電平－E。每個(gè)H橋單元的輸出電壓只存在正、負(fù)兩種電平。

雙極性CPS－SPWM調(diào)制的基本原理：設(shè)A相級(jí)聯(lián)的H橋數(shù)目為n，對(duì)各H橋單元均進(jìn)行上述雙極性SPWM調(diào)制。該相采用同一列調(diào)制波，n個(gè)H橋單元需要n列三角載波，且三角載波的相位應(yīng)依次錯(cuò)開三角載波周期的1／n。該相逆變器的總輸出電壓可達(dá)n＋1個(gè)電平。雙極性CPS－SPWM調(diào)制相當(dāng)于將功率器件的等效開關(guān)頻率提高了n倍。

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

3 仿真驗(yàn)證

本文在MATLAB／Simulink中搭建了采用雙極性CPS－SPWM調(diào)制技術(shù)的級(jí)聯(lián)H橋式多電平逆變器的仿真模型。每相級(jí)聯(lián)的H橋單元數(shù)目為6，每個(gè)H橋單元的直流側(cè)電壓設(shè)置為1 000 V，負(fù)載采用三相阻感性負(fù)載，三角載波頻率設(shè)置為1 000 Hz，調(diào)制波頻率設(shè)置為50 Hz，調(diào)制度M 等于0．95。

運(yùn)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(diào)制，對(duì)6個(gè)H橋級(jí)聯(lián)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其輸出電壓的幅值為單個(gè)H橋單元直流側(cè)電壓的6倍，即實(shí)現(xiàn)了高壓大功率逆變；逆變器輸出電壓包含7個(gè)電平，驗(yàn)證了采用雙極性CPS－SPWM調(diào)制，逆變器總輸出電壓電平數(shù)可達(dá)n＋1的結(jié)論；此時(shí)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(shù)最低的諧波群出現(xiàn)在120次及其邊頻附近，對(duì)120次以下的諧波濾除得較干凈，這相當(dāng)于將功率器件的等效開關(guān)頻率提高了n倍；而THD含量也較低，等于18．46%。

4 結(jié)語

本文主要以級(jí)聯(lián)H橋式多電平逆變器拓?fù)錇榛A(chǔ)，闡述了雙極性CPS－SPWM的調(diào)制理論，又通過建模進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，雙極性CPS－SPWM調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率逆變，輸出電壓不會(huì)造成基波損失，且能將功率器件的等效開關(guān)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(qiáng)，王加軍．基于CPS－SPWM調(diào)制方式的鏈?zhǔn)絊TATCOM研究［J］．工礦自動(dòng)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(yīng)用［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，35（5）：131－136．