多电平电力变换装置调制策略仿真研究

吕飞，余凤豪，张松涛，吉哲



多电平电力变换装置调制策略仿真研究

吕飞，余凤豪，张松涛，吉哲

（海军蚌埠士官学校机电系，安徽蚌埠 233012）

多电平变换技术因具有输出波形畸变小、器件电压应力低等优点成为实现大容量电力变换的关键。任何拓扑结构的多电平变换装置都必须采用相应的控制策略对其进行有效控制。文章分析了多电平变换装置调制策略的几种具体方法，指出了几种调制策略的优缺点，并对载波组调制法进行了仿真分析验证，给出了多电平载波调制自由度组合方法，对大容量电力电子变化装置调制策略选择具有参考意义。

多电平变换器 调制策略 空间矢量调制 载波组调制

0 引言

电力电子的发展要求电力电子装置输出电能的容量越来越大、质量越来越好、可靠性越来越高。高功率密度、高效率、高性能必将成为电力电子技术的研究重点[1]。大容量是电力电子技术未来的主要发展方向，而多电平变换技术成为实现大容量的关键[2]。从多电平变换装置提出至今，出现了多种基本拓扑及一系列改进拓扑。任何拓扑结构的多电平变换装置都必须采用相应的控制策略对其进行控制，才能产生期望的电压输出。相同拓扑结构的多电平变换器，采用不同控制策略时，其性能可能会相差很大。多电平变换器的控制策略是多电平变换器研究领域的重点和热点之一。

多电平变换器的调制策略，按照开关频率的高低，可以分为基频调制和高频调制[3]。基频调制是指在一个工频周期中，每个开关器件只是开关一次或两次，产生阶梯波的输出电压。高频调制是指在输出电压的一个工频周期中，每个开关器件开关许多次。

本文详细分析了多电平变换装置调制策略的几种具体方法，指出了几种调制策略的优缺点，并对载波组调制法进行了仿真验证，最后给出了多电平载波调制自由度组合方法。

1 波形逼近调制法

基于波形逼近的调制方法包括阶梯波调制方法和分区逼近调制方法[4]，下面以阶梯波调制方法为例分析。

阶梯波调制是用输出阶梯状电压波形近似代替正弦波形的调制方法，如图1示。由于输出电平数有限，所以这种调制方法对功率器件的开关频率没有很高的要求，可以使用低开关频率的大功率器件，该方法的不足是输出电压谐波含量较大。

图1 (2n+1)电平变换器阶梯波调制输出波形

图1为由n对正负脉冲按阶梯波形逼近方法合成的(2n+1)电平变换器的输出波形，由于波形的对称性，输出电压中不含偶次谐波分量，奇次谐波分量的幅值h为：

式(1)中，k为谐波次数，1,2,···,n为对应脉冲的开关角。1,2,···,n必须满足条件0<1,2,···,n<π/2。为了减小谐波，并使基波幅值可调，可以通过选择1,2,···,n消除最多(n-1)种谐波分量。

2 空间矢量调制法

空间电压矢量法是一种较为优越和应用广泛的变换器调制方法。优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无需其它控制方法所需的大量角度数据，直流电压利用率高等[5]。

多电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法和两电平SVPWM方法一样，是一种建立在空间矢量合成概念上的调制方法。如图2所示，在V1、V2、V3三角形中的任意矢量V0均可由矢量V1、V2、V3根据式(2)合成。

其中：d1、d2、d3分别为V1、V2、V3的开通比，满足条件：

空间矢量脉宽调制算法一般由以下四步构成：

1）将参考矢量在选定坐标系中投影；

2）对投影分量进行取整处理；

3）识别与参考矢量邻近的基本矢量，并计算开通比；

4）将识别出的基本矢量映射为功率器件的开关状态，并发出触发信号。

图2 空间矢量合成原理

图3 三相三电平空间矢量图

分析可得，一个三相n电平变换器，共有n3个开关状态，3n(n-1)+1个基本矢量。随电平数n的增加，开关状态和基本矢量的个数都会急剧增加，会导致空间矢量脉宽调制算法的计算量急剧增加。因此，快速算法是多电平空间矢量调制的研究重点之一。

3 载波组调制法及仿真分析

3.1 消谐波脉宽调制（SHPWM）

SHPWM由G.Carrara[6]提出其基本原理：对一个n电平的变换器，每相采用(n-1)个具有相同频率f和相同峰-峰值Mc的三角载波与一个频率为f幅值为Mm的正弦波相比较，(n-1)个三角载波在空间上是紧密相连且对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件；反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。

载波间的相位关系：1）PD：所有载波具有相同相位；2）POD：正、负载波间相位相反；3）APOD：相邻载波间相位相反。对于n电平变换器，幅度调制比Ma和频率调制比Mf分别为：

图4为PD配置的SHPWM的仿真波形图。SHPWM的最大线性幅度调制比Ma为1。

图4 五电平SHPWM-PD波形(Ma=0.9, Mf=10)

SHPWM方法中，上部和下部载波带内对应开关的开关次数要远大于中间载波带对应开关的开关次数，且随幅度调制比的改变而不同。

3.2 开关频率优化脉宽调制（SFOPWM）

SFOPWM法也是一种三角载波PWM方法，与SHPWM法类似，不同的是SFOPWM的正弦调制波中注入了零序分量[7]。零序分量是三相正弦调制波瞬态最大值和最小值的平均值，SFOPWM法的调制波是通常的三相正弦调制波减去零序分量后所得到的波形。

设三相对称参考电压分别为a、b、c，零序电压为0，叠加零序电压后的三相参考电压分别为a、b、c。SFOPWM中，零序电压及叠加零序电压后的三相参考电压由式(6)和式(7)可得。

(7)

图5为SFOPWM的仿真波形图，其中包括零序电压0的波形。SFOPWM的优点是可以提高线性调制范围，其最大线性幅度调制比可以达到1.15，比SHPWM提高15%，直流电压利用率高。SFOPWM只可用于三相系统，因为注入的零序分量在单相系统中无法相互抵消，从而在单相系统的输出波形中存在三次谐波。

3.3 载波相移脉宽调制（CPSPWM）

CPSPWM一般用在级联型多电平变换器，其基本原理[8-10]：构成多电平变换器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比、频率调制比，但各单元模块的载波间存在一定的相位差，变换器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的SPWM波形等效开关频率提高到原来的(m-1)倍(m为级联单元数)。CPSPWM可在不提高开关频率的情况下，大大减小输出谐波。

CPSPWM可以分为传统CPSPWM与对称CPSPWM。采用对称CPSPWM时，载波数量为传统CPSPWM的一半，有利于工程实际应用，同时，输出与传统CPSPWM相同。CPSPWM相邻载波间相位差为=π/m (m为级联单元数)。

图6为传统的载波相移脉宽调制仿真波形。图7为对称载波相移脉宽调制仿真波形。

通过以上几种载波组调制法分析及仿真验证，从控制自由度的角度来看，多电平载波调制方法的变化很多。

由于多电平变换器的载波和调制波不止一个，每一个载波和调制波又有多个控制自由度。例如，载波有频率、相位、幅值和偏移量等多个控制自由度；调制波也有频率、幅值、零序分量和形状等多个控制自由度；还有载波和调制波相互间的相位关系等自由度。

图6 五电平传统CPSPWM波形(Ma=0.9, Mf=10)

图7 五电平对称CPSPWM波形(Ma=0.9, Mf=10)

控制自由度的不同组合，将产生多种PWM调制方法。如相移载波-开关频率优化PWM方法(PS-SFOPWM)、载波交叠式PWM方法(COPWM)和载波交叠-开关频率优化PWM方法(CO-SFOPWM)等。

4 结论

本文通过系统分析多电平电力变换装置调制策略的具体方法，指出不同调制策略的优缺点，并以典型的载波组调制法为例，进行了仿真验证，最后给出了多电平载波调制自由度组合方法。多电平变换装置调制策略的优化分析及实际应用将是进一步的研究重点。

[1] 吴洪祥. 多电平变换器及其相关技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2002.

[2] 薛英林, 徐政, 唐庚. 新型混合级联多电平换流器调制策略[J]. 电力系统自动化，2012，36(22): 108-114.

[3] Rodriguez J, PENG Fangzheng. Multilevel inverter: a surver of topologies, controls, and applications[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2002, 49(4): 724-736.

[4] Peng F Z, A power line conditioner using cascaded multilevel inverter for distributions systems[C]. IEEE IAS’1997, Arligton, 1997: 1357-1362.

[5] 汪光森. 级联多电平变换器控制策略及实现方案[R]. 武汉: 华中科技大学, 2004.

[6] Carrara G, Gardella s. A new multilevel PWM method: a theoretical analysis[J]. IEEE Transactions on power Electronics, 1992, 7(3): 497-505.

[7] 王立杰, 孙玉坤, 孙运全. 大容量链式STATCOM的三角载波移相-开关频率最优PWM法控制策略的研究[J]. 继电器，2007, 35(3): 41-44.

[8] 牟伟. 级联多电平变换器相位移载波SPWM提调制方法的研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2006.

[9] 赵昕, 赵成勇, 李广凯.采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制[J].中国电机工程学报, 2011, 31(21): 48-54.

[10] 李笑倩, 宋强, 刘文华. 采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制[J].中国电机工程学报, 2012, 32(9): 49-55.

The Simulation of Modulation Strategy for Multilevel Inverter

Luv Fei, Yu Fenghao, Zhang Songtao, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, China)

TM464

A

1003-4862（2014）12-0042-04

2014-08-12

吕飞（1982-），男，讲师，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。