摘要：多載波PWM技術(shù)是目前在多電平變流器中常用的開關(guān)調(diào)制技術(shù)，具有原理簡單、實現(xiàn)方便而且普遍適用于各種多電平變流器等特點(diǎn)。按照各三角載波的相位，多載波PWM技術(shù)可分為三種具體調(diào)制方案。本文從諧波品質(zhì)角度比較了各種方案的優(yōu)劣，確定了在不同場合下最佳的調(diào)制方案。CPS-SPWM技術(shù)是多重化技術(shù)和SPWM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。該技術(shù)能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果，通過低次諧波的相互抵消提高等效開關(guān)頻率而不是簡單地將諧波向高次推移，因而具有良好的諧波特性。錯時采樣空間矢量調(diào)制是一種新型的開關(guān)調(diào)制策略，能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果，具有良好的諧波特性。從而在理論上證明該技術(shù)能夠大大提高裝置的等效開關(guān)頻率，同時沒有基波損失；這個結(jié)論普遍適用于各種載波脈寬調(diào)制技術(shù)。 關(guān)鍵詞：多載波PWM，多電平變頻器，載波相移SPWM，空間矢量調(diào)制，錯時采樣SVM MODULATION TECHNIQUE FOR HIGH POWER CONVERTET Li jianlin Xuhongfei Panlei Wangliqiao Zhangzhongchao [1]Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences [2]Institute of hydraulic sciences [3] Yanshan University [4]Zhejiang University Abstracts: Multi-carrier PWM technique is a kind of switch modulation strategy for multi-level converters in common use, which is of such advantages as explicit principle, easy realization and suitability for any multi-level converters. According to the phases of each triangle carrier, there are three modulated methods. the relative merits of each method are analyzed and compared from the viewpoint of harmonic quality. The operation principal of carrier phase-shifted SPWM （abbreviated as CPS-SPWM） has been analyzed in this paper. The key idea of this approach is the combination of multi-modular technique and SPWM technique. The high equivalent switching frequency can be obtained with low switching frequency devices. This technique improves the equivalent switching frequency through the counteract of lower order harmonics but not simply through processing the harmonic from lower order to higher order, so that it is with a perfect performance on harmonic feature. Time Staggered Space Vector Modulation is deduced. Therefore, the advantages of this technique are demonstrated in theory such that this technique can largely improve the equivalent switching frequency with no fundamental frequency losses. Keywords: Multi-carrier PWM, Multi-level converters, carrier phase shifted SPWM，SVM，STS-SVM 1.引言 開關(guān)調(diào)制策略的選擇對于變頻器而言，是至關(guān)重要的。對于上一節(jié)談到的大功率電力電子裝置來說，目前有以下幾種開關(guān)調(diào)制策略：階梯波脈寬調(diào)制、基于載波組的PWM技術(shù)、多電平電壓空間矢量調(diào)制、載波相移正弦波脈寬調(diào)制CPS-SPWM（Carrier phase shifted SPWM，以下簡稱CPS-SPWM）、錯時采樣空間矢量調(diào)制 （Sample Time Staggered SVM,以下簡稱STS-SVM）等。 2. 階梯波脈寬調(diào)制 階梯波脈寬調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波[1]。這種策略的優(yōu)點(diǎn)是實現(xiàn)簡單、開關(guān)頻率低（等于基波頻率），主要缺點(diǎn)是輸出電壓的調(diào)節(jié)依靠于直流總線電壓或移相角。在階梯波調(diào)制中，可以通過選擇每一電平持續(xù)時間的長短，來實現(xiàn)低次諧波的消除和抑制。文獻(xiàn)[2]中提出優(yōu)化調(diào)制波寬度技術(shù)，將本來應(yīng)用于普通二電平變頻器的定次諧波消除PWM[3]（Selected Harmonic Elimination PWM）引入級聯(lián)型多電平變頻器，通過優(yōu)化算法計算出開關(guān)角度，可以消除選定的諧波分量。但這種調(diào)制方法中，需要采用優(yōu)化算法（比如Newton-Raphson法等）求解高階非線性方程組，即使使用DSP等高速運(yùn)算芯片也難以達(dá)成實時控制；一般要通過離線查表法完成控制。因此這種調(diào)制策略主要應(yīng)用在一些對輸出電壓調(diào)節(jié)要求不高的場合，如靜止無功補(bǔ)償器等。 3.多載波PWM法 N電平變頻器中，N-1個具有相同的頻率和相同的幅值的三角載波并排放置，形成載波組，以載波組的水平中線作為參考零線，共同的調(diào)制波與其相交[4]。根據(jù)三角載波的相位，PWM控制可有圖1所示的三種形式： 各個三角載波相位一致，如圖1（a）所示，記為A型。 參考零線以上，三角載波相位一致；參考零線以下，三角載波相位與前者相反，如圖11（b）所示，記為B型。 各個三角載波從上至下依次相反，如圖11（c）所示，記為C型。 當(dāng)頻率調(diào)制比較低時，三種PWM調(diào)制的輸出有所區(qū)別。A型PWM調(diào)制在載波諧波處，諧波幅值較大，而邊帶諧波幅值明顯小于后兩種。對于奇數(shù)電平變頻器，B型、C型PWM輸出不含載波諧波。不考慮載波諧波時，A型PWM調(diào)制的輸出的THD較小。在單相系統(tǒng)中，C型調(diào)制方案最優(yōu)；而在三相平衡無中線系統(tǒng)中，A型方案較為合適。單就低次主導(dǎo)諧波的分布和含量而言，不論電平數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)，方案C都是最好的。從調(diào)制原理上，方案C與載波CPS-SPWM技術(shù)[4]、5]的調(diào)制效果完全一致。在對低次諧波特性要求比較高的場合，比如單位功率因數(shù)校正裝置（Unity Power Factor Correction）等，方案C更為適用。 4.基于載波組的PWM技術(shù) 這種控制方式適用于二極管鉗位型多電平變頻器?；驹硎?；在N電平變頻器中，N-1個具有相同頻率和相同幅值的三角載波并排放置，形成載波組；以載波組的水平中線做為參考零線，共同的調(diào)制波與其相交，得到相應(yīng)的開關(guān)信號。根據(jù)三角載波的相位，這種控制方式可以有三種不同的形式。這種控制方式下，變頻器的輸出特性良好，器件的開關(guān)頻率較低而等效開關(guān)頻率較高，輸入輸出成線性關(guān)系，能夠輸出一定的帶寬；但器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致，尤其在深調(diào)制的情況下，處于變頻器外圍的功率器件幾乎不導(dǎo)通，而內(nèi)部的功率器件開關(guān)頻率較高。為了解決在深調(diào)制下出現(xiàn)的這種情況，也出現(xiàn)了一些改進(jìn)的控制方式。至于調(diào)制波，可以采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波，也可以采用諧波注入正弦波。 5. 多電平電壓空間矢量調(diào)制 ⑴這是常規(guī)的二電平電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM）在多電平變頻器上的擴(kuò)展應(yīng)用。常規(guī)的二電平SVM技術(shù)是根據(jù)不同的開關(guān)組合方式，生成八個電壓空間矢量，其中六個非零矢量，兩個為零矢量；在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對于任意時刻的矢量由相鄰的兩個非零矢量合成，通過在一個調(diào)制周期內(nèi)對兩個非零矢量和零矢量的作用時間進(jìn)行優(yōu)化安排，得到PWM輸出波形。對于多電平SVM技術(shù)，其基本原理與二電平SVM技術(shù)相似，只是開關(guān)組合的方式隨著電平數(shù)的增加而有所增加；其規(guī)律是對于m電平變頻器，其電壓空間矢量的數(shù)目為m3個，當(dāng)然這些電平中有些在空間上是重合的。比如對于三電平變頻器，其電壓空間矢量的數(shù)目為27個，其中獨(dú)立的電壓空間矢量為19個，一個零矢量，18個非零矢量；同樣的，在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，對于任意時刻的矢量由相鄰的三個非零矢量合成，在一個開關(guān)調(diào)制周期內(nèi)對三個非零矢量與零矢量的作用時間進(jìn)行優(yōu)化安排，得到PWM輸出波形[4-6]。由于隨著電平數(shù)與電壓空間矢量的數(shù)目之間是立方關(guān)系，所以多電平SVM技術(shù)在電平數(shù)較高時受到很大限制[7]；因此目前多電平SVM技術(shù)的研究一般只限于五電平以下。 ⑵MSL-SVM的相電壓調(diào)制波也可以按照以上的辦法得到相電壓調(diào)制波的顯式函數(shù)。根據(jù)調(diào)制波的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以繪出SVM的相電壓調(diào)制波波形。方法一至方法四的調(diào)制波波形如圖2所示（幅度調(diào)制比為1）。其中細(xì)實線為A相, 虛線為B相, 點(diǎn)劃線為C相, 粗實線為線電壓。 從圖2可知，盡管四種方法的調(diào)制算法互不相同，其相電壓波形也各不相同，但線電壓波形卻完全一致，是同相同幅的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 從各種方法的相電壓調(diào)制波波形和調(diào)制原理來看，可以定性地得到以下兩點(diǎn)結(jié)論： ⑶從形狀上看，方法一和方法二的相電壓調(diào)制波波形完全是相反的。將方法二的相電壓調(diào)制波形垂直翻轉(zhuǎn)180°，得到的波形在形狀上與方法一的相電壓調(diào)制波完全相同；當(dāng)然相位上有差。從傅立葉變換的性質(zhì)可知，波形的翻轉(zhuǎn)和相位移動對只影響各次諧波的相位，不影響它們的幅值。也就是說，在相同的調(diào)制比下，在輸出電壓的諧波分布和諧波幅值上，采用方法一和方法二的效果完全一致。 ⑷調(diào)制波波形上看，交替零矢量調(diào)制方式的調(diào)制波具有正負(fù)半周反對稱性質(zhì)，屬于對稱調(diào)制；而單一零矢量調(diào)制方式的調(diào)制波沒有正負(fù)半周反對稱性質(zhì)，屬于非對稱調(diào)制。對稱調(diào)制的諧波特性顯然比非對稱調(diào)制好，也就是說交替零矢量調(diào)制方式的諧波特性比單一零矢量調(diào)制方式好。方法四的調(diào)制波形在四種方法中對稱性最好，因此其諧波特性也是最好的。 為了驗證以上兩點(diǎn)結(jié)論，通過Matlab構(gòu)造了電壓型三相六開關(guān)逆變器，分別采用上述四種方法調(diào)制，進(jìn)行了仿真研究。圖3所示的是分別采用四種方法調(diào)制，輸出線電壓的頻譜圖（幅度調(diào)制比為0.9，頻率調(diào)制比為27）；輸出線電壓的THD（總諧波損失）分別為：61.66%、61.66%、61.04%和59.52%。比較四種調(diào)制方法，從THD和頻譜分布上看，方法四最好；而方法一和方法二的THD和頻譜完全相同。這表明前面得到的結(jié)論是正確的。 6. CPS-SPWM CPS-SPWM技術(shù)由于能在大功率場合實現(xiàn)SPWM技術(shù)，可以極大地改善輸出波形，減小輸出諧波，從而相應(yīng)減小濾波器的容量，降低成本。同時因其等效開關(guān)頻率高、傳輸帶寬寬，可以引入各種先進(jìn)的控制策略，優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)[10]。從這個角度上來說，這也是控制手段在特大功率場合的一個突破。在實現(xiàn)CPS-SPWM技術(shù)時，功率主電路的復(fù)雜性并沒有增加。 CPS-SPWM是適用于大功率電力電子裝置的開關(guān)調(diào)制策略，可以應(yīng)用于組合變頻器，也可以應(yīng)用于多電平變頻器。，CPS-SPWM技術(shù)的基本思想是：在變頻器單元數(shù)為 的電壓型組合變頻器中，各變頻器單元采用共同的調(diào)制波信號M（t） ，其頻率為 。各變頻器單元的三角載波頻率為 ，將各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的 ，即： ，如圖4（a）所示（變頻器單元數(shù) ，頻率調(diào)制比kc/ km =5，幅度調(diào)制比m=0.8）。 圖4 （b）所示的 個波形分別為 個變頻器單元的輸出， 個變頻器單元交流輸出疊加形成整個組合變頻器裝置的輸出波形如圖4 （c）所示。從圖中可以看出，組合變頻器總的輸出波形比變頻器單元的輸出波形更接近正弦波形，或者說，諧波分量較小，波形較好。 除了SPWM技術(shù)以外，載波相移PWM技術(shù)還采用以下幾種調(diào)制策略。 ⑴相移式SHEPWM技術(shù)（Phase-shifted Selected Harmonic Elimination PWM）[42] 這種控制方式以傳統(tǒng)的定次諧波消除法PWM為基礎(chǔ)，在開關(guān)角計算中加入預(yù)置的相移量，將計算得到的不同相移量的開關(guān)角分別用于不同的變頻器單元，使得疊加得到的交流側(cè)電壓、電流達(dá)到諧波最優(yōu)。 ⑵ 錯時采樣SVM技術(shù)（Sample Time Staggered SVM，下簡稱STS-SVM）[6][7] 組合變頻器STS-SVM技術(shù)的調(diào)制方法，簡而言之就是將各變頻器單元的采樣時間錯開。具體地講，在組合變頻器中，N個變頻器單元在相同頻率調(diào)制比k、幅度調(diào)制比mr下，進(jìn)行SVM調(diào)制；各變頻器單元采樣時間依次相位差為2π/（N•k）。STS-SVM技術(shù)比較于載波相移SPWM技術(shù)，有電壓利用率高，開關(guān)頻率小，易于數(shù)字實現(xiàn)等特點(diǎn)。 除此之外，將其它的一些調(diào)制策略，如滯環(huán)電流控制[43][44]、單周控制[45][46][47]等等，應(yīng)用在載波相移PWM技術(shù)中，具有一定的研究前景。 載波相移PWM技術(shù)具有以下特點(diǎn)： ⑴各變頻器單元的開關(guān)頻率低，可采用特大功率電力電子器件GTO等組成大功率變流裝置，并降低器件開關(guān)損耗。 ⑵輸出諧波小，可大大減小濾波器的體積、尺寸。 ⑶等效開關(guān)頻率高，傳輸頻帶寬；傳輸線性好，容易引入一些優(yōu)秀的控制方法。 ⑷各變頻器單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，易于模塊化實現(xiàn)。 7. STS-SVM 電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVM技術(shù)）是建立在交流異步電機(jī)磁場理論基礎(chǔ)上的一種調(diào)制策略，但現(xiàn)在其使用范圍已經(jīng)不再僅僅局限于電機(jī)應(yīng)用場合，而是一種能夠普遍應(yīng)用的PWM技術(shù)。相對于SPWM技術(shù)，SVM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）直流電壓的利用率比SPWM提高15%；（2）采用最小開關(guān)損耗方式調(diào)制時，開關(guān)器件的開關(guān)損耗降低1/3；（3）調(diào)制方法便于數(shù)字實現(xiàn)。 STS-SVM是受CPS-SPWM技術(shù)啟發(fā)，融合SVM調(diào)制方法而得到一種適合多電平變頻器的空間矢量調(diào)制方法[33]。簡而言之就是將各變頻器單元的采樣時間錯開。具體地講，在組合變頻器中， 個變頻器單元在相同頻率調(diào)制比 、幅度調(diào)制比m下，進(jìn)行SVM調(diào)制；各變頻器單元采樣時間依次相位差為 。STS-SVM技術(shù)比較于載波CPS-SPWM技術(shù)，有電壓利用率高，開關(guān)頻率小，易于數(shù)字實現(xiàn)等特點(diǎn)。 靈活多樣的調(diào)制技術(shù)與豐富的電路拓?fù)湎嘟Y(jié)合形成各具特色的變流裝置[11-20]。目前已進(jìn)入研究階段的有基于多電平SVM的二極管鉗位型變頻器、本文提出的CPS-SPWM級聯(lián)H型變頻器等。另外，還有一些具有研究前景的方向，如相移單周控制組合變頻器等。 8.仿真和實驗驗證 為了驗證上述結(jié)論，本文通過Matlab構(gòu)造了一個三相電壓型六開關(guān)逆變器，頻率調(diào)制比取為27，幅度調(diào)制比取為0.9。采用調(diào)制方法四，線電壓輸出如圖5（a）所示理論頻譜，如圖5（b）所示?？梢姸呋鞠嗤?，表1列出了兩組頻譜中主要諧波的相對幅值（以基波幅值為單位幅值）；經(jīng)計算，得到兩組頻譜數(shù)據(jù)的均方差為0.71%。 本文構(gòu)造了一臺三相AC/DC/AC變頻器，拖動異步電機(jī)進(jìn)行了調(diào)速實驗。逆變部分采用電壓型三相六開關(guān)電路，采用方法一作為開關(guān)調(diào)制策略，采樣頻率定為1050Hz。主開關(guān)器件使用IR公司的IRFP460，控制電路采用ADI的電機(jī)專用DSP芯片ADMCF328。在達(dá)到額定頻率（50Hz）時，根據(jù)控制原理計算其幅度調(diào)制比為0.8，變頻器的輸出線電壓波形如圖2.21（a）所示。通過Tektronix的TDS240示波器將實驗波形的數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)中，通過FFT可計算出圖2.21（a）的頻譜如圖2.21（b）所示；而根據(jù)式（2-25）可以計算其理論頻譜如圖2.21（c）所示。比較圖2.21（b）和圖2.21（c），可見二者很接近，但存在一定誤差；經(jīng)計算，得到兩組頻譜數(shù)據(jù)的均方差為1.73%。實驗頻譜與理論頻譜出現(xiàn)誤差的主要原因有：（1）示波器采集數(shù)據(jù)的精度不夠高，（2）為防止橋臂短路而設(shè)置了死區(qū)時間，造成波形畸變。 9.結(jié)論 本文在閱讀和分析了國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，比較了多電平變流器幾種典型調(diào)制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。CPS-SPWM技術(shù)可以在較低的開關(guān)頻率下有效地抑制和消除低次諧波，并且具有較寬的傳輸帶寬，是一種適用于大功率電力電子裝置的優(yōu)秀的開關(guān)調(diào)制策略。級聯(lián)H橋多電平變流器在各種多電平變流器中所需用的元器件數(shù)目最少；由于采用獨(dú)立直流結(jié)構(gòu)，因此直流側(cè)的均壓問題相對容易解決；每個基本單元的電路結(jié)構(gòu)完全一致，更有利于模塊化設(shè)計。在并聯(lián)有源濾波器系統(tǒng)中，由于直流側(cè)不需要提供有功功率，級聯(lián)H橋多電平變流器的優(yōu)勢可以得到充分的發(fā)揮； CPS-SPWM技術(shù)良好的諧波傳輸特性也可以得到良好的利用。 參考文獻(xiàn) [1]H. 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