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。

關(guān)鍵詞：載波PWM；多電平逆變器；仿真

1 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(diǎn)，主要是因?yàn)樗梢杂玫湍蛪旱钠骷?shí)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(dú)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(gè)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?yàn)樗粌H決定多電平逆變的實(shí)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(kuò)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(diǎn)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(shí)，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(kuò)展，它們的原理都是電路的每相使用一個(gè)正弦調(diào)制波與幾個(gè)三角載波進(jìn)行比較。

2.1 SHPWM法的原理^[4]

對于一個(gè)N電平的變換器，每相采用N－1個(gè)具有相同頻率f_c和相同峰卜逯A_c的三角載波與一個(gè)頻率為f_m，幅值為A_m的正弦波相比較，為了使N－1個(gè)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(gè)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(shí)刻，如果調(diào)制波的幅值大于某個(gè)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(gè)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(gè)N電平的變換器，調(diào)制度m_a和載波比m_f定義如下：

m_a=（1）

m_f=（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(gè)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(shí)，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