三電平逆變器調(diào)制策略及載波交疊調(diào)制線性度方法

季必勝，郁建周，梁光耀，楊青，陶艷華

（ 1. 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233；2. 江南造船（集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913；3. 上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913 ）

0 引言

隨著電力電子器件的發(fā)展以及對(duì)大功率逆變?cè)O(shè)備需求的提高，多電平逆變器由于其輸出容量大、輸出波形好、產(chǎn)生的諧波量低等優(yōu)點(diǎn)受到了重視，各國學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了深入研究，但真正應(yīng)用廣泛的還是三電平逆變器。

1 原理

1.1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電平逆變器作為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，由日本長風(fēng)科技大學(xué)南波江章（A.Nabae）等人于1980年提出，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。這其中，三電平中點(diǎn)箝位型(NPC)逆變器成為多電平逆變器中技術(shù)較先進(jìn)、具有較高應(yīng)用價(jià)值的代表。圖1為三電平NPC逆變器主電路拓?fù)洹?/p>

圖1 三電平變流器主電路拓?fù)?/p>

1.2 特點(diǎn)

三電平逆變器的特點(diǎn)明顯：

1）在直流母線電壓一定的情況下，開關(guān)器件耐壓等級(jí)可減小一半，器件受到的電壓應(yīng)力小，從而提高開關(guān)器件耐壓能力，提高系統(tǒng)可靠性；

2）三電平逆變器輸出為三電平階梯波，波形更接近正弦波，其諧波含量降低50%；

3）在同樣的直流電壓下， 采用相同功率等級(jí)的開關(guān)器件，輸出功率可以提高一倍左右。

為使三電平逆變器獲得最大功效，其調(diào)制策略是關(guān)鍵，它將直接影響到三電平逆變器的性能，對(duì)電壓輸出波形的質(zhì)量、系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高有著至關(guān)重要的影響。

2 調(diào)制策略

在研究與使用過程中，三電平脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)成為了使用最多的調(diào)制策略。

三電平逆變器PWM有兩個(gè)控制目標(biāo)：一是控制輸出電壓；二是控制變流器本身運(yùn)行狀態(tài)，包括直流分壓電容上的電壓平衡、輸出諧波、所有功率開關(guān)管的輸出功率平衡和器件的開關(guān)損耗等。三電平脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)即利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通與關(guān)斷將直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效控制和消除諧波的一種技術(shù)。

目前，三電平脈寬調(diào)制（PWM）主要包括：載波調(diào)制法（SPWM）、空間矢量調(diào)制法(SVPWM)和特定諧波消去法(SHEPWM)。其中，研究及使用較為成熟的是載波調(diào)制法（SPWM）。

載波調(diào)制法（SPWM）的核心思想是通過載波與調(diào)制波的比較，得到開關(guān)脈沖控制信號(hào)，通過開關(guān)脈沖控制信號(hào)分別控制逆變器各橋臂上開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使逆變器的每相輸出都為三電平波形。載波調(diào)制法SPWM包括載波移相法(Phase Shifted Carrier PWM)、載波層疊法(Carrier Disposition PWM)與開關(guān)頻率優(yōu)化（SFOPWM）法等。其中，以正弦波為調(diào)制波的載波層疊法實(shí)現(xiàn)較為簡單，如適當(dāng)加入零序分量即可增大調(diào)制比、降低開關(guān)損耗，在三電平NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用較多。

1）載波層疊法(CDPWM)

載波層疊法(CDPWM) 以正弦波為調(diào)制波，由于載波所在區(qū)域之間不存在公共部分，表現(xiàn)為載波的層疊，即載波層疊PWM技術(shù)。圖2中，Urx為x（x=a，b，c）相調(diào)制波，Uc1和Uc2為上下載波。

根據(jù)載波間的相位關(guān)系，載波層疊PWM控制方法還包括載波反相層疊法(Carrier Phase Opposition Disposition)和載波同相層疊法(Carrier Phase Disposition)兩種形式。上下載波的相位相同，為同相層疊，其調(diào)制波正負(fù)半周期與三角載波的交點(diǎn)不具有對(duì)稱性，見圖2(a)；上下載波的相位相反，為反相層疊，兩個(gè)三角載波具有對(duì)稱性，見圖2(b)。

圖2 載波層疊PWM

載波層疊法也存在缺點(diǎn)，如電壓利用率低；開關(guān)頻率較高、開關(guān)損耗大；沒有很好地考慮中點(diǎn)電壓波動(dòng)的控制問題；輸出電壓的分析較難；存在有死區(qū)等。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在調(diào)制度較低時(shí)，采用載波層疊PWM方法輸出電壓的諧波特性和線性度變差，總諧波失真度增大，受死區(qū)時(shí)間影響變大。近年來，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)載波之間的偏移關(guān)系也可作為提高調(diào)制策略性能參數(shù)，進(jìn)而推出了載波交疊調(diào)制（Carrier-Overlapping PWM）的策略。

2）載波交疊調(diào)制（COPWM）

載波交疊調(diào)制是在三電平逆變器中使用載波 SPWM 調(diào)控時(shí)，對(duì)兩個(gè)載波增加豎直方向上的偏移量，使之產(chǎn)生交疊，是一種同時(shí)考慮了載波相位與偏移的調(diào)制策略。該方法在低調(diào)制下具有良好的諧波特性，在高調(diào)制范圍內(nèi)諧波特性則與傳統(tǒng)的消諧波PWM方法基本相同。見圖3。

圖3 載波交疊調(diào)制（COPWM）策略

載波交疊調(diào)制（COPWM）在三電平逆變器的控制技術(shù)中具有很大優(yōu)點(diǎn)，但也存在某些不足，為解決這些問題，有學(xué)者提出多電平逆變器載波交疊－開關(guān)頻率優(yōu)化 PWM方法（Carrier-Overlapping-SFO PWM）。

3）載波交疊—開關(guān)頻率優(yōu)化法（COSFOPWM）

載波交疊—開關(guān)頻率優(yōu)化法（COSFOPWM）將三電平逆變器中的載波交疊法（COPWM）與開關(guān)頻率優(yōu)化法（SFOPWM）相結(jié)合，即三角載波以載波交疊式PWM中的方法來確定，調(diào)制波則用開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法中的方法來確定。如圖4所示。

圖4 CO-SFOPWM調(diào)制策略

CO-SFOPWM方法的調(diào)制波一般是三相正弦波減去零序分量后所得到的波形，零序分量和三相調(diào)制波的計(jì)算公式，如：

CO-SFOPWM方法同時(shí)具有載波交疊式PWM方法和開關(guān)頻率優(yōu)化PWM方法的優(yōu)點(diǎn)：在低調(diào)制度下，具有良好的諧波特性，在高調(diào)制度范圍內(nèi)諧波特性和傳統(tǒng)的消諧波 PWM方法基本相同，調(diào)制度提高到1.15時(shí)，可增加直流電壓的利用率。不過該方法也有其局限性，它只可用于三相系統(tǒng)，因?yàn)樽⑷氲牧阈蚍至吭趩蜗嘞到y(tǒng)中無法相互抵消，從而在單相系統(tǒng)的輸出波形中存在三次諧波，而在三相系統(tǒng)中則不存在該種情況。

3 載波交疊PWM技術(shù)

當(dāng)要求的低電壓具有較好的輸出電壓波形時(shí)，在交疊部分實(shí)際載波頻率翻倍的調(diào)制比時(shí)波形變差，受死區(qū)時(shí)間影響大。正常的載波交疊PWM控制時(shí)，不同調(diào)制比輸出的波形平均電壓不是線性，此時(shí)輸出的諧波較大。

圖5 COPWM在PWM調(diào)制波形圖

圖5為COPWM在PWM調(diào)制時(shí)的波形圖，通過此圖及以下算法分析：

交疊調(diào)制載波波形為（交疊部分1/3）：

Yp = [-1/3, 1, 1/3] t =[0, 0.5Ts, Ts]

Yn = [-1, 1/3, -1] t =[0, 0.5Ts, Ts]

當(dāng)調(diào)制電壓在-1/3～+1/3之間時(shí)，輸出電壓為：y=1.5x

當(dāng)調(diào)制電壓大于1/3或小于-1/3時(shí)，輸出電壓為：

y = 1/2 + 0.75(x - 1/3)x ＞ 1/3

y = -1/2 + 0.75(x + 1/3)x ＜ -1/3

上述公式顯示：輸出電壓與輸入不是直線關(guān)系，對(duì)于載波交疊PWM調(diào)制，在1/3電壓處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這將嚴(yán)重影響輸出電壓的諧波。

經(jīng)分析后，給載波做一個(gè)校正，從理論上可解決該問題。見下列數(shù)據(jù)校正公式及校正波形圖6。

給定波形數(shù)據(jù) x (-1 ＜ x ＜ 1)

輸出波形數(shù)據(jù) y (-1 ＜ x ＜ 1)

載波 Ac1 (-1/3 ＜ x ＜ 1)Ac2 (-1 ＜ x ＜ 1/3)

y = x*2/3 (-1/2 ＜ x ＜ 1/2)

y = [-1+(x+1/2)*4]/3 (-1 ＜ x ＜ -1/2)

y = [1+(x-1/2)*4]/3 (1/2 ＜ x ＜ 1)

圖6 載波校正

4 仿真研究

4.1 模擬仿真

為驗(yàn)證載波交疊調(diào)制（COPWM）與載波交疊載波校正后的性能，進(jìn)行了模擬仿真與實(shí)驗(yàn)分析。模擬仿真通過MATLAB軟件進(jìn)行，仿真框圖見圖7。仿真中分析了2種方法的對(duì)比波形與數(shù)據(jù)分析。在仿真的過程中，考慮了死區(qū)效應(yīng)。

圖7 MATLAB仿真

4.2 仿真波形及數(shù)據(jù)

圖8 仿真波形

圖8前段為未載波開啟校正，后半段為載波開啟校正，從途中可以看到前段的波形在零點(diǎn)上下有折線的現(xiàn)象，后段則明顯圓滑。

通過分析其波形的諧波情況，見圖9諧波分析圖。

圖9 諧波分析

從諧波分析來看，校正后波形諧波明顯降低，證明通過諧波校正可提高調(diào)制時(shí)的線性度。

4.2 試驗(yàn)平臺(tái)

為進(jìn)一步驗(yàn)證載波交疊載波校正在實(shí)際工況下的性能，實(shí)驗(yàn)搭建了三電平NPC逆變器平臺(tái)（見圖10）。系統(tǒng)中控制MCU采用了STM32F407芯片進(jìn)行控制，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用T型結(jié)構(gòu)，直流電壓母線電壓采用±200 V，開關(guān)頻率為1.25 kHz，諧波分析到20 kHz，濾波參數(shù)0.33 mH+90 μF。在實(shí)際控制中，使用死區(qū)時(shí)間為 3 μs。

圖10 仿真實(shí)驗(yàn)裝置

三電平試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，采用正常的COPWM方式與校正后的COPWM方式進(jìn)行比較分析，證明通過校正后的COPWM調(diào)制方式在輸出電壓的線性度上有較大提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 三電平COPWM及其校正后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可得：

1） COPWM未校正時(shí)，輸出電壓與調(diào)制比不成線性關(guān)系，校正則成線性關(guān)系；

2）調(diào)制比≤0.33，輸出電壓的諧波兩者基本一樣；

3）調(diào)制比≥0.33，未校正的電壓諧波比校正后諧波大2～3倍；

4）校正后的COPWM調(diào)制，在輸出電壓線性度及諧波上有較大提高。調(diào)制策略和技術(shù)被推出并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

5 結(jié)語

在三電平逆變器中，調(diào)制策略是關(guān)鍵技術(shù)之一。在最具典型特色的載波調(diào)制策略中，載波層疊調(diào)制又是應(yīng)用最廣的一種。近年來，在載波層疊調(diào)制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了諸如載波交疊調(diào)制（COPWM）、載波交疊－開關(guān)頻率優(yōu)化法（CO-SFOPWM）等新型載波層疊調(diào)制策略。相信隨著研究的進(jìn)一步深入，會(huì)有更高效率的

[1]Menzies R W,Steimer P,Steinke J K. Five-level GTO inverter for large inductor motor drives [J]. IEEE Trans. on Ind. Appli.,1994,30(4):938-943.

[2]陳世坤.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]Agelidis V G,Calais M.Application specific harmonic performance evaluation of multilevel PWM techniques [C].Anaheim,CA,USA IEEE Proc. of APEC' 98,1998.

[4]王鴻雁，陳阿蓮，鄧焰，等.基于控制自由度組合的多電平逆變器載波PWM控制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004(1).

[5]趙慧杰，錢照明，李駿，等.PWM方法三電平逆變器中點(diǎn)位控制研究[J].電力電子技術(shù)，2007(3).

[6]周京華，李正熙，劉坤.基于載波三電平逆變器PWM調(diào)制策略研究[J].電氣自動(dòng)化.2008(2).

[7]王琰，李秋鵬，劉輝.多電平逆變器載波層疊PWM調(diào)制策略的分析比較［C］//中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

[8]馮紀(jì)歸.三電平NPC逆變器載波層疊PWM控制方法的研究[J].電力電子技術(shù)，2008(11).

[9]康勁松，巫影，張燁，等.三電平變流器多載波PWM控制技術(shù)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(1).

[10]李寧，王躍，王兆安，等.三電變流器載波交疊與層疊策略的對(duì)比研究[J].電力電子技術(shù)，2015(1).

[11]李寧，王躍，王兆安，等.四種三電平載波調(diào)制策略對(duì)比研究[J].電氣傳動(dòng)，2015(12).

[12]易理軍，郭有貴，張玉，等.二極管箝位三電平逆變器的多載波同向?qū)盈B調(diào)制[J].湘潭大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2016（4）.