一種多電平變換器的脈寬調(diào)制方法

一種多電平變換器的脈寬調(diào)制方法

0級聯(lián)型多電平變換器的基本工作原理近年來，多永平變換器引起了人們的注意。其優(yōu)點是：1）開關(guān)管的電壓補償較低。2）輸出波形多，輸出波形質(zhì)量好，輸出波形波形減少。3）開關(guān)的頻率可以降低。4）電壓變化率低，有利于減少電磁干燥（e）。多電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)主要有二極管鉗位型、飛跨電容型和級聯(lián)型3類。隨著電平數(shù)的增加,二極管鉗位型逆變器需要大量的鉗位二極管,同時需要保證分壓電容均分輸入電壓。而飛跨電容型逆變器需要大量的飛跨電容,并需對其電壓進行控制。級聯(lián)型逆變器不存在上述問題,并且具有易于模塊化和相電壓冗余等特點,因此廣泛應(yīng)用于高電壓的電動機驅(qū)動、大功率電源、大功率有源電力濾波等場合。圖1為N電平級聯(lián)型多電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。多電平變換器的脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)方法是多電平變換器研究中的關(guān)鍵問題,與多電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān),不僅決定輸出電壓波形的質(zhì)量,也對減少系統(tǒng)開關(guān)損耗和提高系統(tǒng)效率具有重要作用。目前級聯(lián)型多電平逆變器的調(diào)制方法主要有3類:1)特定諧波消除脈寬調(diào)制法(selectiveharmoniceliminationPWM,SHEPWM),一般通過預(yù)先計算開關(guān)角來消除諧波;2)SPWM法,分為載波空間排列(carrierdisposition,CD)SPWM法和載波相移(carrierphase-shifted,CPS)SPWM法;3)空間矢量調(diào)制法(spacevectorPWM,SVPWM)。各種調(diào)制方法具有各自不同的基波幅值和諧波特性。本文提出了一種新型PWM方法,將一個三角載波信號與多個梯形波調(diào)制信號進行規(guī)則對稱采樣。通過對5電平和13電平級聯(lián)型多電平變換器進行仿真研究,證明了這種PWM控制方法在輸出電壓基波幅值和諧波特性方面的良好性能。1樓梯波王家法1.1gm脈沖信號的增強本文提出的調(diào)制方法基于單極性PWM。將若干具有相同幅值(Am)、相同頻率(fm)的梯形調(diào)制波mu(t)與同一載波c(t)進行比較,載波信號為一串頻率為fc、幅值為Ac的三角波。如圖2所示,a為三角載波信號,b、c、d、e為梯形波調(diào)制信號。調(diào)制波和載波之間的交點確定了PWM脈沖信號的占空比,而且調(diào)制波的數(shù)量必須等于級聯(lián)型多電平變換器功率單元的數(shù)量M。級聯(lián)型多電平變換器輸出電平數(shù)N與其功率單元數(shù)M的關(guān)系為調(diào)制系數(shù)mi和調(diào)制比mf分別為以5電平級聯(lián)型多電平變換器為例,采用梯形波調(diào)制法,如圖3所示,其中調(diào)制系數(shù)mi=0.8。輸出電平數(shù)N=5,則M=2,即需要2個梯形調(diào)制波m1(t)和m2(t)與三角載波c(t)相比較進行調(diào)制。當(dāng)m1(t)高于c(t)時產(chǎn)生PWM脈沖信號U1;當(dāng)m2(t)高于c(t)時產(chǎn)生PWM脈沖信號U2?？傒敵鲭妷篣out為U1與U2分別控制的功率單元輸出電壓之和,如圖3(d)所示。1.2低次諧波含量的影響梯形調(diào)制波由斜邊和水平邊2條線段組成,而梯形波的形狀僅取決于其邊坡角α的大小,α的大小不同,梯形波的形狀也隨之改變,如圖4所示。對于α在0°~90°內(nèi)變化的梯形波,運用傅里葉分析計算其諧波幅值。假設(shè)波形1/4周期對稱,則可得到奇數(shù)次的正弦項。因此,正弦項的傅里葉系數(shù)為式中n為諧波次數(shù),梯形波幅值為將式(5)帶入式(4)中,可得化簡可得由式(7)可知,梯形波的諧波含量受其邊坡角α影響。圖5給出了基波及部分低次諧波與α的關(guān)系。當(dāng)α趨近于0°時其諧波含量最大,趨近于90°時其諧波含量最小,然而當(dāng)α趨近于90°時其輸出的基波幅值也會相應(yīng)減小,因此,選擇合適的α是梯形波PWM方法的關(guān)鍵。由圖5可知,當(dāng)α=36°時,基波減小幅度不大,其低次諧波含量除3次以外均很小,而在三相系統(tǒng)中,當(dāng)調(diào)制比mf取奇數(shù)時,3的倍數(shù)次諧波對輸出電壓波形不會產(chǎn)生影響。因此,在α=36°的條件下,梯形波PWM方法無論是輸出的基波幅值還是諧波含量都比較好。2模擬研究2.1常用的多電平變換器仿真研究本文在Matlab/Simulink環(huán)境下,分別采用載波同相層疊PWM(phasedispositionPWM,PDPWM)、載波移相PWM(phaseshiftPWM,PSPWM)和梯形波PWM(triangularPWM,TPWM)進行調(diào)制,對由上述3種方式調(diào)制的5電平與13電平級聯(lián)型多電平變換器進行仿真研究,分別比較輸出電壓基波幅值和諧波特性,其中取梯形波邊坡角α=36°。2.25不同調(diào)制法輸出電壓基波對比取各逆變單元直流側(cè)電壓為10V,H橋級聯(lián)數(shù)M=2,載波頻率fc=3kHz,幅值調(diào)制比mi=0.9。各種調(diào)制法的輸出電壓和輸出電壓基波如圖6～8所示。對比3種方法輸出電壓的基波幅值可以看出,采用TPWM得到的輸出電壓的基波幅值接近15V,明顯高于其他2種調(diào)制方法。由此可見,采用TPWM能得到更高的基波幅值。2.31種方法的比較采用PDPWM和TPWM法時,取H橋級聯(lián)數(shù)M=6,載波頻率fc=3kHz,幅值調(diào)制比mi=0.9;采用PSPWM法時,要實現(xiàn)相電壓的13電平輸出,取H橋級聯(lián)數(shù)M=12,載波頻率fc=3kHz,幅值調(diào)制比mi=0.9。各種調(diào)制方法的相電壓、線電壓仿真波形及20kHz以內(nèi)的諧波分析頻譜如圖9～11所示。由仿真結(jié)果可知,PDPWM方法產(chǎn)生的線電壓諧波含量最少,僅為5.54%,但其相電壓中含有幅值較高的低次諧波,而且諧波畸變率也比較高,為10.27%,而采用PSPWM方法時則不存在這些問題。比較各種方式下高次諧波的分量可以發(fā)現(xiàn),采用PSPWM方法的高次諧波分量較大。TPWM方法產(chǎn)生的線電壓諧波畸變率為6.99%,與PSPWM方法相差不大,而其相電壓的諧波畸變率為8.15%,是3種方法中最好的,與PDPWM方法相比,其相電壓諧波含量減少的幅度很大,而且很好地解決了PSPWM方法下高次諧波分量較大的問題。3種方法的電壓總諧波畸變率比較如表1所示,綜合考慮可知,采用TPWM方法時