多電平逆變器載波PWM控制方法的仿真研究
摘要:討論了多電平逆變器的載波PWM控制方法,介紹了它們的原理,為了比較它們的控制效果,采用Matlab軟件進(jìn)行了仿真研究,最后根據(jù)仿真結(jié)果和分析,得出結(jié)論,并對今后的研究提出了建議。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179470.htm1 引言
近年來,多電平變換器在高壓大功率方面成為研究的熱點,主要是因為它可以用低耐壓的器件實現(xiàn)高壓大功率輸出,無需動態(tài)均壓電路,無需變壓器;電平數(shù)的增加,改善了輸出電壓波形。目前多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種:二極管箝位型逆變器(Diode-clamped inverter),飛跨電容型逆變器(Flying-capacitor inverter)和具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器 (Cascaded-inverters with separate DC sources)。在這三種電路結(jié)構(gòu)中,二極管箝位型應(yīng)用最為廣泛,二極管箝位型五電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要討論二極管箝位型多電平逆變器的PWM控制方法。
圖1 二極管箝位型五電平逆變器主電路
多電平逆變器的PWM控制技術(shù)是多電平逆變器研究中一個相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù),它與多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出是共生的,因為它不僅決定多電平逆變的實現(xiàn)與否,而且,對多電平逆變器的電壓輸出波形質(zhì)量,電路中有源和無源器件的應(yīng)力,系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高都有直接的影響。到目前為止,人們已經(jīng)提出了大量的多電平變換器PWM控制方法[1][2],載波的PWM控制方法和空間電壓矢量法(SVPWM),它們都是兩電平PWM方法在多電平中的擴展。SVPWM方法因其高電壓利用率,低諧波含量以及硬件電路簡單等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,但當(dāng)該方法應(yīng)用于五電平以上的電路時,它的控制算法會變得非常復(fù)雜,因此對于五電平以上的多電平電路,采用三角載波PWM的控制方法是一種較為可行的方案。
2 消諧波PWM法(Subharmonics PWM——SHPWM)
多電平逆變器基于載波的PWM控制方法是兩電平PWM方法在多電平中的擴展,它們的原理都是電路的每相使用一個正弦調(diào)制波與幾個三角載波進(jìn)行比較。
2.1 SHPWM法的原理[4]
對于一個N電平的變換器,每相采用N-1個具有相同頻率fc和相同峰卜逯Ac的三角載波與一個頻率為fm,幅值為Am的正弦波相比較,為了使N-1個三角載波所占的區(qū)域是連續(xù)的,它們在空間上是緊密相連且整個載波集對稱分布于零參考的正負(fù)兩側(cè)。在正弦波與三角波相交的時刻,如果調(diào)制波的幅值大于某個三角波的幅值,則開通相應(yīng)的開關(guān)器件,反之,如果調(diào)制波的幅值小于某個三角波的幅值則關(guān)斷該器件。該方法的原理如圖2所示。對于一個N電平的變換器,調(diào)制度ma和載波比mf定義如下:
ma=(1)
mf=(2)
圖2 SHPWM原理
2.2 SHPWM法仿真結(jié)果和分析
根據(jù)三角載波的相位的不同,SHPWM可分為三種典型的情況:
1)所有載波具有相同相位(PD型);
2)所有位于零基準(zhǔn)以上的載波同相位,所有位于零基準(zhǔn)以下的載波具有相反相位(POD型);
3)所有載波自上而下,交替反相和同相(APOD型)。
針對這三種多電平PWM方法,利用Matlab仿真軟件進(jìn)行了仿真研究,建立了一個五電平二極管箝位型逆變器,圖3、圖4、圖5分別為調(diào)制度為0.8,載波比為21,輸出電壓基波頻率為50Hz時,所得到的仿真波形。
(a) 載波和調(diào)制波波形
(b) 相電壓波形
(c) 相電壓頻譜
(d) 線電壓波形
(e) 線電壓頻譜
圖3 PD型SHPWM法仿真波形
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