季必勝，郁建周，梁光耀，楊青，陶艷華

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

0 引言

隨著電力電子器件的發(fā)展以及對大功率逆變設備需求的提高，多電平逆變器由于其輸出容量大、輸出波形好、產生的諧波量低等優(yōu)點受到了重視，各國學者也對其進行了深入研究，但真正應用廣泛的還是三電平逆變器。

1 原理

1.1 三電平逆變器拓撲結構

三電平逆變器作為多電平逆變器拓撲結構之一，由日本長風科技大學南波江章（A.Nabae）等人于1980年提出，目前已在工業(yè)生產中獲得了廣泛的應用。這其中，三電平中點箝位型(NPC)逆變器成為多電平逆變器中技術較先進、具有較高應用價值的代表。圖1為三電平NPC逆變器主電路拓撲。

圖1 三電平變流器主電路拓撲

1.2 特點

三電平逆變器的特點明顯：

1）在直流母線電壓一定的情況下，開關器件耐壓等級可減小一半，器件受到的電壓應力小，從而提高開關器件耐壓能力，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， 采用相同功率等級的開關器件，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，其調制策略是關鍵，它將直接影響到三電平逆變器的性能，對電壓輸出波形的質量、系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高有著至關重要的影響。

2 調制策略

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

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

目前，三電平脈寬調制（PWM）主要包括：載波調制法（SPWM）、空間矢量調制法(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制法（SPWM）。

載波調制法（SPWM）的核心思想是通過載波與調制波的比較，得到開關脈沖控制信號，通過開關脈沖控制信號分別控制逆變器各橋臂上開關管的導通與關斷，使逆變器的每相輸出都為三電平波形。載波調制法SPWM包括載波移相法(Phase Shifted Carrier PWM)、載波層疊法(Carrier Disposition PWM)與開關頻率優(yōu)化（SFOPWM）法等。其中，以正弦波為調制波的載波層疊法實現(xiàn)較為簡單，如適當加入零序分量即可增大調制比、降低開關損耗，在三電平NPC逆變器拓撲結構中采用較多。

1）載波層疊法(CDPWM)

載波層疊法(CDPWM) 以正弦波為調制波，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。圖2中，Urx為x（x=a，b，c）相調制波，Uc1和Uc2為上下載波。

根據(jù)載波間的相位關系，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，其調制波正負半周期與三角載波的交點不具有對稱性，見圖2(a)；上下載波的相位相反，為反相層疊，兩個三角載波具有對稱性，見圖2(b)。

圖2 載波層疊PWM

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

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在調制度較低時，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)時間影響變大。近年來，經過研究發(fā)現(xiàn)載波之間的偏移關系也可作為提高調制策略性能參數(shù)，進而推出了載波交疊調制（Carrier-Overlapping PWM）的策略。

2）載波交疊調制（COPWM）

載波交疊調制是在三電平逆變器中使用載波 SPWM 調控時，對兩個載波增加豎直方向上的偏移量，使之產生交疊，是一種同時考慮了載波相位與偏移的調制策略。該方法在低調制下具有良好的諧波特性，在高調制范圍內諧波特性則與傳統(tǒng)的消諧波PWM方法基本相同。見圖3。

圖3 載波交疊調制（COPWM）策略

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

3）載波交疊—開關頻率優(yōu)化法（COSFOPWM）

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

圖4 CO-SFOPWM調制策略

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

CO-SFOPWM方法同時具有載波交疊式PWM方法和開關頻率優(yōu)化PWM方法的優(yōu)點：在低調制度下，具有良好的諧波特性，在高調制度范圍內諧波特性和傳統(tǒng)的消諧波 PWM方法基本相同，調制度提高到1.15時，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)，因為注入的零序分量在單相系統(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

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

圖5 COPWM在PWM調制波形圖

圖5為COPWM在PWM調制時的波形圖，通過此圖及以下算法分析：

交疊調制載波波形為（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]

當調制電壓在-1/3～+1/3之間時，輸出電壓為：y=1.5x

當調制電壓大于1/3或小于-1/3時，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系，對于載波交疊PWM調制，在1/3電壓處會出現(xiàn)一個轉折點，這將嚴重影響輸出電壓的諧波。

經分析后，給載波做一個校正，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

為驗證載波交疊調制（COPWM）與載波交疊載波校正后的性能，進行了模擬仿真與實驗分析。模擬仿真通過MATLAB軟件進行，仿真框圖見圖7。仿真中分析了2種方法的對比波形與數(shù)據(jù)分析。在仿真的過程中，考慮了死區(qū)效應。

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制時的線性度。

4.2 試驗平臺

為進一步驗證載波交疊載波校正在實際工況下的性能，實驗搭建了三電平NPC逆變器平臺（見圖10）。系統(tǒng)中控制MCU采用了STM32F407芯片進行控制，三電平拓撲結構采用T型結構，直流電壓母線電壓采用±200 V，開關頻率為1.25 kHz，諧波分析到20 kHz，濾波參數(shù)0.33 mH+90 μF。在實際控制中，使用死區(qū)時間為 3 μs。

圖10 仿真實驗裝置

三電平試驗平臺運行后進行數(shù)據(jù)記錄，采用正常的COPWM方式與校正后的COPWM方式進行比較分析，證明通過校正后的COPWM調制方式在輸出電壓的線性度上有較大提升。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 三電平COPWM及其校正后試驗數(shù)據(jù)

由表1可得：

1） COPWM未校正時，輸出電壓與調制比不成線性關系，校正則成線性關系；

2）調制比≤0.33，輸出電壓的諧波兩者基本一樣；

3）調制比≥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調制，在輸出電壓線性度及諧波上有較大提高。調制策略和技術被推出并應用到實際生產中。

5 結語

在三電平逆變器中，調制策略是關鍵技術之一。在最具典型特色的載波調制策略中，載波層疊調制又是應用最廣的一種。近年來，在載波層疊調制的基礎上又出現(xiàn)了諸如載波交疊調制（COPWM）、載波交疊－開關頻率優(yōu)化法（CO-SFOPWM）等新型載波層疊調制策略。相信隨著研究的進一步深入，會有更高效率的

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