三电平逆变器调制策略及载波交叠调制线性度方法

季必胜，郁建周，梁光耀，杨青，陶艳华

（ 1. 上海宝准电源科技有限公司，上海 200233；2. 江南造船（集团)有限责任公司，上海 201913；3. 上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913 ）

0 引言

随着电力电子器件的发展以及对大功率逆变设备需求的提高，多电平逆变器由于其输出容量大、输出波形好、产生的谐波量低等优点受到了重视，各国学者也对其进行了深入研究，但真正应用广泛的还是三电平逆变器。

1 原理

1.1 三电平逆变器拓扑结构

三电平逆变器作为多电平逆变器拓扑结构之一，由日本长风科技大学南波江章（A.Nabae）等人于1980年提出，目前已在工业生产中获得了广泛的应用。这其中，三电平中点箝位型(NPC)逆变器成为多电平逆变器中技术较先进、具有较高应用价值的代表。图1为三电平NPC逆变器主电路拓扑。

图1 三电平变流器主电路拓扑

1.2 特点

三电平逆变器的特点明显：

1）在直流母线电压一定的情况下，开关器件耐压等级可减小一半，器件受到的电压应力小，从而提高开关器件耐压能力，提高系统可靠性；

2）三电平逆变器输出为三电平阶梯波，波形更接近正弦波，其谐波含量降低50%；

3）在同样的直流电压下， 采用相同功率等级的开关器件，输出功率可以提高一倍左右。

为使三电平逆变器获得最大功效，其调制策略是关键，它将直接影响到三电平逆变器的性能，对电压输出波形的质量、系统损耗的减少与效率的提高有着至关重要的影响。

2 调制策略

在研究与使用过程中，三电平脉宽调制（PWM）控制技术成为了使用最多的调制策略。

三电平逆变器PWM有两个控制目标：一是控制输出电压；二是控制变流器本身运行状态，包括直流分压电容上的电压平衡、输出谐波、所有功率开关管的输出功率平衡和器件的开关损耗等。三电平脉宽调制（PWM）控制技术即利用半导体开关器件的开通与关断将直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效控制和消除谐波的一种技术。

目前，三电平脉宽调制（PWM）主要包括：载波调制法（SPWM）、空间矢量调制法(SVPWM)和特定谐波消去法(SHEPWM)。其中，研究及使用较为成熟的是载波调制法（SPWM）。

载波调制法（SPWM）的核心思想是通过载波与调制波的比较，得到开关脉冲控制信号，通过开关脉冲控制信号分别控制逆变器各桥臂上开关管的导通与关断，使逆变器的每相输出都为三电平波形。载波调制法SPWM包括载波移相法(Phase Shifted Carrier PWM)、载波层叠法(Carrier Disposition PWM)与开关频率优化（SFOPWM）法等。其中，以正弦波为调制波的载波层叠法实现较为简单，如适当加入零序分量即可增大调制比、降低开关损耗，在三电平NPC逆变器拓扑结构中采用较多。

1）载波层叠法(CDPWM)

载波层叠法(CDPWM) 以正弦波为调制波，由于载波所在区域之间不存在公共部分，表现为载波的层叠，即载波层叠PWM技术。图2中，Urx为x（x=a，b，c）相调制波，Uc1和Uc2为上下载波。

根据载波间的相位关系，载波层叠PWM控制方法还包括载波反相层叠法(Carrier Phase Opposition Disposition)和载波同相层叠法(Carrier Phase Disposition)两种形式。上下载波的相位相同，为同相层叠，其调制波正负半周期与三角载波的交点不具有对称性，见图2(a)；上下载波的相位相反，为反相层叠，两个三角载波具有对称性，见图2(b)。

图2 载波层叠PWM

载波层叠法也存在缺点，如电压利用率低；开关频率较高、开关损耗大；没有很好地考虑中点电压波动的控制问题；输出电压的分析较难；存在有死区等。

通过实验发现，在调制度较低时，采用载波层叠PWM方法输出电压的谐波特性和线性度变差，总谐波失真度增大，受死区时间影响变大。近年来，经过研究发现载波之间的偏移关系也可作为提高调制策略性能参数，进而推出了载波交叠调制（Carrier-Overlapping PWM）的策略。

2）载波交叠调制（COPWM）

载波交叠调制是在三电平逆变器中使用载波 SPWM 调控时，对两个载波增加竖直方向上的偏移量，使之产生交叠，是一种同时考虑了载波相位与偏移的调制策略。该方法在低调制下具有良好的谐波特性，在高调制范围内谐波特性则与传统的消谐波PWM方法基本相同。见图3。

图3 载波交叠调制（COPWM）策略

载波交叠调制（COPWM）在三电平逆变器的控制技术中具有很大优点，但也存在某些不足，为解决这些问题，有学者提出多电平逆变器载波交叠－开关频率优化 PWM方法（Carrier-Overlapping-SFO PWM）。

3）载波交叠—开关频率优化法（COSFOPWM）

载波交叠—开关频率优化法（COSFOPWM）将三电平逆变器中的载波交叠法（COPWM）与开关频率优化法（SFOPWM）相结合，即三角载波以载波交叠式PWM中的方法来确定，调制波则用开关频率优化PWM方法中的方法来确定。如图4所示。

图4 CO-SFOPWM调制策略

CO-SFOPWM方法的调制波一般是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形，零序分量和三相调制波的计算公式，如：

CO-SFOPWM方法同时具有载波交叠式PWM方法和开关频率优化PWM方法的优点：在低调制度下，具有良好的谐波特性，在高调制度范围内谐波特性和传统的消谐波 PWM方法基本相同，调制度提高到1.15时，可增加直流电压的利用率。不过该方法也有其局限性，它只可用于三相系统，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，而在三相系统中则不存在该种情况。

3 载波交叠PWM技术

当要求的低电压具有较好的输出电压波形时，在交叠部分实际载波频率翻倍的调制比时波形变差，受死区时间影响大。正常的载波交叠PWM控制时，不同调制比输出的波形平均电压不是线性，此时输出的谐波较大。

图5 COPWM在PWM调制波形图

图5为COPWM在PWM调制时的波形图，通过此图及以下算法分析：

交叠调制载波波形为（交叠部分1/3）：

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

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

当调制电压在-1/3～+1/3之间时，输出电压为：y=1.5x

当调制电压大于1/3或小于-1/3时，输出电压为：

y = 1/2 + 0.75(x - 1/3)x ＞ 1/3

y = -1/2 + 0.75(x + 1/3)x ＜ -1/3

上述公式显示：输出电压与输入不是直线关系，对于载波交叠PWM调制，在1/3电压处会出现一个转折点，这将严重影响输出电压的谐波。

经分析后，给载波做一个校正，从理论上可解决该问题。见下列数据校正公式及校正波形图6。

给定波形数据 x (-1 ＜ x ＜ 1)

输出波形数据 y (-1 ＜ x ＜ 1)

载波 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)

图6 载波校正

4 仿真研究

4.1 模拟仿真

为验证载波交叠调制（COPWM）与载波交叠载波校正后的性能，进行了模拟仿真与实验分析。模拟仿真通过MATLAB软件进行，仿真框图见图7。仿真中分析了2种方法的对比波形与数据分析。在仿真的过程中，考虑了死区效应。

图7 MATLAB仿真

4.2 仿真波形及数据

图8 仿真波形

图8前段为未载波开启校正，后半段为载波开启校正，从途中可以看到前段的波形在零点上下有折线的现象，后段则明显圆滑。

通过分析其波形的谐波情况，见图9谐波分析图。

图9 谐波分析

从谐波分析来看，校正后波形谐波明显降低，证明通过谐波校正可提高调制时的线性度。

4.2 试验平台

为进一步验证载波交叠载波校正在实际工况下的性能，实验搭建了三电平NPC逆变器平台（见图10）。系统中控制MCU采用了STM32F407芯片进行控制，三电平拓扑结构采用T型结构，直流电压母线电压采用±200 V，开关频率为1.25 kHz，谐波分析到20 kHz，滤波参数0.33 mH+90 μF。在实际控制中，使用死区时间为 3 μs。

图10 仿真实验装置

三电平试验平台运行后进行数据记录，采用正常的COPWM方式与校正后的COPWM方式进行比较分析，证明通过校正后的COPWM调制方式在输出电压的线性度上有较大提升。实验数据见表1。

表1 三电平COPWM及其校正后试验数据

由表1可得：

1） COPWM未校正时，输出电压与调制比不成线性关系，校正则成线性关系；

2）调制比≤0.33，输出电压的谐波两者基本一样；

3）调制比≥0.33，未校正的电压谐波比校正后谐波大2～3倍；

4）校正后的COPWM调制，在输出电压线性度及谐波上有较大提高。调制策略和技术被推出并应用到实际生产中。

5 结语

在三电平逆变器中，调制策略是关键技术之一。在最具典型特色的载波调制策略中，载波层叠调制又是应用最广的一种。近年来，在载波层叠调制的基础上又出现了诸如载波交叠调制（COPWM）、载波交叠－开关频率优化法（CO-SFOPWM）等新型载波层叠调制策略。相信随着研究的进一步深入，会有更高效率的

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