中點(diǎn)箝位型三電平變換器SFOPWM方法的研究

摘要：介紹了中點(diǎn)箝位型三電平變換器中的一種典型載波PWM方法——開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM（SFOPWM），這種方法由于注入零序的三次三角波，調制比最大可以達到1.15；另外通過(guò)適當選擇載波和調制波之間的相移可以減少開(kāi)關(guān)次數。仿真和實(shí)驗結果驗證了該方法的特點(diǎn)。

1 概述

二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器[1]如圖1所示。由于二極管的箝位，這種變換器中每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓為直流側電壓的一半，從而降低了開(kāi)關(guān)過(guò)程的dv/dt，因此可以用低成本的低壓器件實(shí)現中高容量的變換；另外，由于輸出電壓有三種電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，因此可以簡(jiǎn)化輸出濾波器的設計和降低EMI問(wèn)題；最后這種變換器在實(shí)現中高容量的變換時(shí)沒(méi)有工頻變壓器，節省了裝置的體積，提高了系統的效率。因此，這種結構的變換器在高電壓大功率的變頻調速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統和電力系統無(wú)功補償等方面有著(zhù)廣泛的應用前景。

本文從控制自由度的角度介紹了SFOPWM方法，這種方法由于在正弦調制波中注入零序三次分量，從而使電壓利用率提高到1.15；另外，合理選擇載波同調制波之間的相移可以減少開(kāi)關(guān)次數。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性，實(shí)驗結果驗證了SFOPWM方法的特點(diǎn)。

圖1

2 SFOPWM技術(shù)

三電平逆變器載波技術(shù)，來(lái)源于兩電平的SPWM技術(shù)，但是，由于三電平逆變器特殊的結構，三電平的載波技術(shù)又不同于兩電平的載波技術(shù)。三電平逆變器中的開(kāi)關(guān)管多，因此三電平逆變器的載波和調制波都可能不止一個(gè)，而且每一個(gè)載波和調制波都有多個(gè)控制自由度；這些載波和調制波的控制自由度至少有頻率、幅值和調制波和載波之間的偏移量等。這些自由度的不同組合，將會(huì )產(chǎn)生多種載波PWM技術(shù)。其中最具代表性的有3種:分諧波PWM、開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM、三角載波移相PWM。而中點(diǎn)箝位型中最經(jīng)常用到的就是分諧波PWM、開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM。開(kāi)關(guān)頻率最優(yōu)化PWM方法因為其電壓利用率高，開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化等原因而得到了實(shí)際的應用。

三電平分諧波PWM方法是兩電平正弦波調制在多電平領(lǐng)域的一個(gè)擴展。載波是n個(gè)具有同相位、同頻率fc、相同的峰峰值Ac，且對稱(chēng)分布的三角波，參考信號是一個(gè)峰峰值為Am，頻率為fm正弦信號。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開(kāi)通相應的開(kāi)關(guān)器件，否則相反。開(kāi)關(guān)頻率最優(yōu)化的方法是由Steinke[2]提出的。這種方法是在分諧波基礎之上增加了一個(gè)注入諧波的自由度而來(lái)的。它注入的是零序分量vzero和調制波的表達式如式（1）—式（4）所示：

式中：va=masin(2πfm＋Φ)；

ma為幅度調制比。

這種方法的原理如圖2所示。這種控制方法的最大調制比可以達到1.15，由于每相的調制波都注入諧波，因此它只能用于三相系統中。

3 載波和調制波相移角Φ對開(kāi)關(guān)次數的影響

TolbertLeonM研究了載波和調制波相移角同頻率調制比mf之間的關(guān)系，得出了關(guān)于相移角對開(kāi)關(guān)次數影響的三條規律[3]：

1）如果頻率調制比mf為16的倍數的時(shí)候，載波和調制波之間的相移對一個(gè)周期內總的開(kāi)關(guān)次數沒(méi)有影響，即開(kāi)關(guān)次數不受Φ的影響；

2）如果載波頻率mf是偶數的時(shí)候，一個(gè)調制周期內，最大的開(kāi)關(guān)次數是2mf。開(kāi)關(guān)次數Nsw=2mf－2j(其中j=0,1,2,3，j的具體值取決于mf）；

3）如果載波頻率mf是奇數的時(shí)候，一個(gè)調制周期內，開(kāi)關(guān)的最大次數是可以大于2mf，開(kāi)關(guān)次數Nsw=2mf－2j(其中j=0,±1,±2,j的具體值取決于mf)。

通過(guò)適當選擇頻率調制比、幅度調制比和相移角，則開(kāi)關(guān)次數可以減少35％。

4 仿真研究

為了研究SFOPWM方法注入的零序分量特點(diǎn)和SFOPWM方法的特性，建立了主電路結構同圖1的仿真模型。圖3是幅度調制比ma=0.9和1.1時(shí)候的調制波和注入的零序分量。從圖3可以看出，SFOPWM方法的調制波是3次三角波，其幅值與調制比ma有關(guān)系。圖4是開(kāi)關(guān)頻率fc=10kHz時(shí)輸出的相電壓、線(xiàn)電壓波形。

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