基于三電平NPC逆變器的效率優(yōu)化調(diào)制策略

李婉婷，王 寬

1.西安汽車職業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710600 2.大唐移動通信設(shè)備有限公司西安分公司，陜西 西安 710000

0 引言

基于三電平NPC逆變器的調(diào)制策略主要包括基于載波正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的中點(diǎn)電位控制方法和基于空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的中點(diǎn)電位控制方法。基于載波SPWM的中點(diǎn)電位控制方法主要采用零序電壓注入法，解決中點(diǎn)電位平衡問題?；赟VPWM的中點(diǎn)電位控制方法主要采用調(diào)節(jié)正負(fù)矢量作用時間，以消除中點(diǎn)電位波動問題。但是這2種方法都不能完全實(shí)現(xiàn)在全調(diào)制度和全功率因數(shù)下消除中點(diǎn)電位低頻波動[1-4]。為此，可以實(shí)現(xiàn)在全調(diào)制度和全功率因數(shù)下的中點(diǎn)電位平衡問題的雙調(diào)制波載波調(diào)制（DMWPWM）策略被提出，其等效于虛擬空間矢量調(diào)制策略[5-6]。文章提出一種兼顧三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位平衡問題和減少開關(guān)損耗的效率優(yōu)化調(diào)制策略，詳細(xì)闡述了其與DMWPWM策略的關(guān)系，并通過仿真驗(yàn)證了所提策略的正確性。

1 調(diào)制策略概述

1.1 DMWPWM策略

DMWPWM策略（見圖1）將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）策略的調(diào)制波分為上、下2個調(diào)制波uxp和uxn（x=a，b，c），上調(diào)制波與上載波比較產(chǎn)生控制x相1、3管的開關(guān)信號，下調(diào)制波與下載波比較產(chǎn)生控制x相2、4管的開關(guān)信號。

圖1 DMWPWM策略

1.2 基于三電平NPC逆變器的效率優(yōu)化調(diào)制策略

基于三電平NPC逆變器的效率優(yōu)化調(diào)制策略是將DMWPWM策略的上調(diào)制波uxp分為uxp1和uxp2；將下調(diào)制波uxn分為uxn1和uxn2，由此可以定義：

式中，0≤uxp1，uxp2≤1，-1≤uxn1，uxn2≤0。

與DMWPWM策略相比，為了在一個載波周期內(nèi)減少系統(tǒng)的開關(guān)損耗，要求使2個上調(diào)制波盡量達(dá)到其載波邊界值（0或者1），2個下調(diào)制波也應(yīng)盡量達(dá)到其載波邊界值（0或者-1），如果上下調(diào)制波有一組可以達(dá)到其載波邊界值，可以至少將開關(guān)次數(shù)減少一次。

在不同調(diào)制度m下，該優(yōu)化策略所對應(yīng)的開關(guān)頻率不同。當(dāng)t∈[0，）時，三相正弦調(diào)制波中uap的值最大，以a相為例進(jìn)行說明，當(dāng)uap≥0.5時，更靠近載波邊界值1，可以將上調(diào)制波向上靠，使其達(dá)到載波邊界值1。當(dāng)t=時，uap最大，因此將此點(diǎn)向上靠可保證所有點(diǎn)不超過最大值，代入式（2），可得m≥=0.577 4，這便是一個開關(guān)頻率邊界點(diǎn)。若uap≤0.5，則更靠近于載波邊界值0，可以將上調(diào)制波向下靠。當(dāng)t=0時，uap最小，因此將此點(diǎn)向下靠可保證所有點(diǎn)不超過最小值，代入式（2），可得m≤=0.666 7，這是另一個邊界點(diǎn)。同理，可得另一個邊界點(diǎn)m≤=1.154 7，到此已經(jīng)得到了所有的邊界點(diǎn)。

2 仿真結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置：直流側(cè)電壓Udc=500 V，電容C1=C2= 2 200 μF，調(diào)制度m=1.154 7，基波頻率為50 Hz，載波頻率為2 000 Hz。將效率優(yōu)化調(diào)制策略和DMWPWM策略進(jìn)行對比。圖1、圖2為2種調(diào)制策略的線電壓uab比較結(jié)果。由圖2、圖3可以看出，相比DMWPWM策略，所提效率優(yōu)化策略的優(yōu)勢在于線電壓更稀疏，則開關(guān)頻率更低，開關(guān)損耗更小。圖4、圖5為2種調(diào)制策略的中點(diǎn)電位unp對比結(jié)果?？梢钥闯?，所提優(yōu)化調(diào)制策略的中點(diǎn)電位波動幅度更小。

圖2 效率優(yōu)化調(diào)制策略相電壓uab波形

圖3 DMWPWM策略相電壓uab波形

圖4 效率優(yōu)化調(diào)制策略中點(diǎn)電位unp波形

圖5 DMWPWM策略中點(diǎn)電位unp波形

圖6為DMWPWM策略和效率優(yōu)化調(diào)制策略在條件一致的情況下，開關(guān)管Sa1在0.5 s內(nèi)的開關(guān)次數(shù)對比圖。

由圖6可知，相比DMWPWM策略，所提基于三電平NPC逆變器的效率優(yōu)化調(diào)制策略可以達(dá)到減少開關(guān)損耗、提高效率的目的。

圖6 2種策略開關(guān)次數(shù)對比圖

3 結(jié)束語

文章針對DMWPWM策略開關(guān)損耗大的問題，提出了一種基于三電平NPC逆變器的效率優(yōu)化調(diào)制策略，該策略可實(shí)現(xiàn)全調(diào)制度、全功率因數(shù)下的中點(diǎn)電位平衡，與DMWPWM策略相比，該策略通過將兩組調(diào)制波不斷靠近載波邊界值，從而在一個工頻周期內(nèi)使其開關(guān)次數(shù)盡可能減少，通過仿真可知，所提出的效率優(yōu)化策略既可以消除直流電壓低頻波動，又可以減小系統(tǒng)開關(guān)損耗提高效率。