基于三电平NPC逆变器的效率优化调制策略

李婉婷，王 宽

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0 引言

基于三电平NPC逆变器的调制策略主要包括基于载波正弦脉宽调制（SPWM）的中点电位控制方法和基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的中点电位控制方法。基于载波SPWM的中点电位控制方法主要采用零序电压注入法，解决中点电位平衡问题。基于SVPWM的中点电位控制方法主要采用调节正负矢量作用时间，以消除中点电位波动问题。但是这2种方法都不能完全实现在全调制度和全功率因数下消除中点电位低频波动[1-4]。为此，可以实现在全调制度和全功率因数下的中点电位平衡问题的双调制波载波调制（DMWPWM）策略被提出，其等效于虚拟空间矢量调制策略[5-6]。文章提出一种兼顾三电平NPC逆变器中点电位平衡问题和减少开关损耗的效率优化调制策略，详细阐述了其与DMWPWM策略的关系，并通过仿真验证了所提策略的正确性。

1 调制策略概述

1.1 DMWPWM策略

DMWPWM策略（见图1）将传统的脉宽调制（PWM）策略的调制波分为上、下2个调制波uxp和uxn（x=a，b，c），上调制波与上载波比较产生控制x相1、3管的开关信号，下调制波与下载波比较产生控制x相2、4管的开关信号。

图1 DMWPWM策略

1.2 基于三电平NPC逆变器的效率优化调制策略

基于三电平NPC逆变器的效率优化调制策略是将DMWPWM策略的上调制波uxp分为uxp1和uxp2；将下调制波uxn分为uxn1和uxn2，由此可以定义：

式中，0≤uxp1，uxp2≤1，-1≤uxn1，uxn2≤0。

与DMWPWM策略相比，为了在一个载波周期内减少系统的开关损耗，要求使2个上调制波尽量达到其载波边界值（0或者1），2个下调制波也应尽量达到其载波边界值（0或者-1），如果上下调制波有一组可以达到其载波边界值，可以至少将开关次数减少一次。

在不同调制度m下，该优化策略所对应的开关频率不同。当t∈[0，）时，三相正弦调制波中uap的值最大，以a相为例进行说明，当uap≥0.5时，更靠近载波边界值1，可以将上调制波向上靠，使其达到载波边界值1。当t=时，uap最大，因此将此点向上靠可保证所有点不超过最大值，代入式（2），可得m≥=0.577 4，这便是一个开关频率边界点。若uap≤0.5，则更靠近于载波边界值0，可以将上调制波向下靠。当t=0时，uap最小，因此将此点向下靠可保证所有点不超过最小值，代入式（2），可得m≤=0.666 7，这是另一个边界点。同理，可得另一个边界点m≤=1.154 7，到此已经得到了所有的边界点。

2 仿真结果

仿真参数设置：直流侧电压Udc=500 V，电容C1=C2= 2 200 μF，调制度m=1.154 7，基波频率为50 Hz，载波频率为2 000 Hz。将效率优化调制策略和DMWPWM策略进行对比。图1、图2为2种调制策略的线电压uab比较结果。由图2、图3可以看出，相比DMWPWM策略，所提效率优化策略的优势在于线电压更稀疏，则开关频率更低，开关损耗更小。图4、图5为2种调制策略的中点电位unp对比结果。可以看出，所提优化调制策略的中点电位波动幅度更小。

图2 效率优化调制策略相电压uab波形

图3 DMWPWM策略相电压uab波形

图4 效率优化调制策略中点电位unp波形

图5 DMWPWM策略中点电位unp波形

图6为DMWPWM策略和效率优化调制策略在条件一致的情况下，开关管Sa1在0.5 s内的开关次数对比图。

由图6可知，相比DMWPWM策略，所提基于三电平NPC逆变器的效率优化调制策略可以达到减少开关损耗、提高效率的目的。

图6 2种策略开关次数对比图

3 结束语

文章针对DMWPWM策略开关损耗大的问题，提出了一种基于三电平NPC逆变器的效率优化调制策略，该策略可实现全调制度、全功率因数下的中点电位平衡，与DMWPWM策略相比，该策略通过将两组调制波不断靠近载波边界值，从而在一个工频周期内使其开关次数尽可能减少，通过仿真可知，所提出的效率优化策略既可以消除直流电压低频波动，又可以减小系统开关损耗提高效率。