（电力电子与电力传动专业论文）多电平变流器的开关调制技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，h i g hp o w e r e l e c t r o n i cc o n v e r t e r sa r en e e d e di nm o r ea n dm o r eo c c a s i o n s t oe x a kt h e p o w e rt h em o s tf a m i l i a rm e t h o di st op u ts o m ep o w e rd e v i c e st o g e t h e ri n s e r f e s l ：l a r a l l e la so n ed e v i c e ，e a c ho fw h i c hi s c o n t r o l l e di nt h es a r l l ew a y , w h i c hw i l l b r i n g o u td y n a m i cv o r a g e ( c u r r e n t ) u n b a l a n c e ，d e s t r o y i n gt h e d e v i c eo r l o s i n g c o n t r o lo fi t i na d d i t i o n , p u r i n gs o m ec o n v e r t e r si n s e r i e s p a r a l l e lw h i c ha r es o - c a l l e dm u l t i p l e xs t r u c t u r ec a na l s oe x a l tt h ep o w e r i nm u l t i p l e xs t r u c t u r et r a n s f o r m e r so rr e a c t o r sa r en e c e s s a r yt ol i n km u l t i p l e x c o n v e r t e r si ns e r i e s p a r a l l e lo na cs i d e t h eb u l k ，p r i c ea n de f f i c i e n c yo ft h e t r a n s f o r m e ra n dr e a c t o rb e c o m ea no b s t a c l et of u r t h e re x a l tu p g r a d eo ft h e m u l t i p l e xc o n v e r t e rp o w e r t os o l v et h et w op r o b l e m sa b o v e - m e n t i o n e dt h e m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sa p p e a r s f o rt h em u l t i l e v e lc o n v e n e rt h ec h o i c eo ft h es w i t c h i n gs t r a t e g i e si sv e r y i m p o r t a n t t h e r ea r es e v e r a ls w i t c h i n gm o d u l a t i o ns t r a t e g i e sa tt h ep r e s e n tt i m e s t a i r c a s ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 、c a r r i e r s - b a s e dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 、 m u l t i l e v e lv o l t a g es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 、c a r r i e rp h a s e s h i f t e dp u b ew i d t h m o d u l a t i o na n ds oo n c a r r i e r s b a s e dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o na n dc a r r i e r p h a s e s h i f t e dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o na r ep o p u l a ra n de x c e l l e n tm o d u l a t e d t e c h n i q u ea tp r e s e n t b a s e do nt h et e c h n i q u eo ft h eg e n e r mp w m ，t h eo u t p u t h a r m o n i cf e a t u r eo ft h em u l t i - m o d u l a rc o n v e r t e r sw i t ht h e s et w om o d u l a t i o n s t r a t e g i e si sr e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta n d d r a w sac o n c l u s i o n , w h i c hp r o v e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo nh a r m o n i cf e a t u r e o fm u l t i l e v e lc o n v e r t e ro u t p u tw a v e f o r mu n d e rc a r r i e r s b a s e dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o na n dc a r r i e rp h a s e s h i f t e dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , s ot h e s et w o m o d u l a t i o ns t r a t e g i e sr r em o r ea d a p tt oe n g i n e e ra p p l i c a t i o n a s p e e d - l o o p - o p e n , c o n s t a n tr a t i oo fv o l t a g ea n dc o n t r o l l e de m p t y b a d e x p e r i m e n to fa na c m o t o ri sf u l f i l l e db a s e do nt h r e ep h a s e3 - l e v e lc o n v e r t e r h al o o p o p e nm o d u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e dt o ob a s e do i ls i n g l ep h a s e7 - l e v e l d i o d e c l a m p c o n v e r t e ea l lt h ee x p e r i m e n t sa r ec o n t r o l l e db yd s pi c o f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa sc o n t r o lc o r e t h ee x p e r i m e m a lr e s u l tp r o v e s t h e c o r r e c t n e s so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h i sw o r kw a ss u p p o s e db yag r a n t 仕o mt h ek e yp r o g r a m sn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) k e y w o r d sm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ；l a r g ep o w e r ；c a r r i e r s b a s e dp w m ；c a r r i e r p h a s e s h i f t e dp w m t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yag r a n tf r o mt h ek e yp r o g r a m so f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a ( n o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) a n dag r a l l tf r o mt h ep r o g r a m so fd o c t o rs c i n c ef o u n d a t i o no fy a hs h a h u n i v c r s i t y i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多电平变流器的开关调 制技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字捌日期：明年牟彪，日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 多电平变流器的开关调制技术研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：鹾鞘 导师签名： 郓怖 1 日期：墨狰争月2 日 日期：卿年钞赫 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义和应用前景 随着国民经济和人民生活需要的迅猛发展，越来越多的场合需要大功 率电力电子交流装置。全控型器件和高速微处理器的逐渐普及，在基础工 业领域，采用高频全控型电力电子设备取代传统的相控变流设备己成为了 必然趋势：大功率电力电子设备传统上采用多重化结构，多重化变流器的 交流侧需通过变压器或电抗器进行串、并联，变压器和电抗器的作用是很大 的，而由于变压器和电抗器的体积、价格和效率问题成为阻碍鸯重化变流 器进一步提升功率的瓶颈。多电平变流器【1 , 2 】的出现为解决这个问题提供了 新的思路。多电平流器可以直接输出高电压( 大电流) ，而无需变压器和电 抗器。 开关调制策略的选择对多电平变流器而言是很重要的。衡量一种开关 调制策略的优劣一般从几方面评价：变流器谐波特性、器件的开关频率、 动态输出特性和传输带宽等。p w m 技术在抑制和消除谐波，控制和传输信 号方面有很大优势，因而p w m 技术的应用越来越广泛。它对功率器件的开 关频率要求很高，而一般大功率器件难以适应它的要求，从而限制了p w m 技术应用在大功率器件上。多电平变流器由于自身特殊拓扑结构使系统等 效开关频率提升很高，单个功率器件开关频率可以相对很低，因而可应用 p w m 技术。p w m 技术的引入，使得多电平变流器的应用更加广泛。 多电平变流器主要应用在以下几个方面： ( 1 ) 多电平变流器应用在中高压变频调速场合，例如采用双p w m 的高 压变频器尤其采用双p w m 的中点钳位式的变频器已有基本产品出现，还 有美国罗宾康公司的专利产品，此专利产品在整流侧采用多脉波整流，在 逆变侧采用级联载波相移变流器【3 】。另外多电平变流器还可应用在大功率 串级调速中。 ( 2 ) 由于多电平变流器可以使用小容量器件实现大容量输出，因此在大 燕山大学工学硕士学位论文 容量电力传输系统中如交流柔性传输( f a c t s ) 和高压直流输电( h v d c ) 有着比较广泛应用前景。 ( 3 ) 由于多电平变流器对有功功率控制比较复杂，因而在需要提供有功 功率场合，其应用有一定局限性，但在不需要提供有功率场合控制相对简 单，因此多电平变流器在大容量静止无功发生器和混合型有源电力滤波器 中有重要理论意义和应用前景【4 l 。 虽然多电平变流器是在大功率场合中提出的，但在小功率场合目前也 有进展，例如在d c - - d c 变换器中也得到应用，其性能价格等也有一定优 势5 】【6 1 p 】。此外，在a c a c 场合，多电平变流器拓扑还有应用在交交矩阵 变换器中的例子。因此多电平变流器应用前景非常广泛。 1 2 国内外研究现状分析 目前多电平变流器的研究主要集中在多电平变流器拓扑学研究，开关 调制策略研究和工程应用研究。 。 1 2 1多电平变流器拓扑发展 。 早在上个世纪7 0 年代，德国学者h o l t z 首先提出了多电平交流器，之 后a n a b a c 在8 0 年代提出了中点钳位式【l 】电路，对多电平的拓扑结构发展 奠定了基础。以中点钳位变流器为基础，又相继出现了二极管钳位多电平 变流器、电容钳位多电平变流器f z p e n g 在1 9 9 5 年提出了级联型多电 平变流器。这就是多电平变流器的三种基本拓扑。在这些基础之上，又相 继出现了通用混合型多电平变流器 s a l o , 1 1 1 。为了解决多电平交流器直流侧 均压问题，又出现了具有自均压功能的多电平变流器拓扑【1 2 1 。以上是电压 型多电平交流器，随着超导储能元器件的成熟和应用，电流型多电平变流 器 1 3 , 1 4 , 1 5 1 有非常广泛应用前景，因此，目前电流型多电平变流器是一个研 究热点1 1 e , 1 7 。随着对多电平交流器深入研究，将会有更多拓扑出现。 1 2 1 1多电平变流器三种基本拓扑三种基本拓扑包含二极管钳位型多 电平变流器、电容钳位型多电平交流器和级联型多电平变流器。 ( 1 ) - - 极管钳位型多电平交流器一个m 电平的二极管钳位变流器【1 8 】 在直流侧由( 胁1 ) 个电容串联产生m 电平的相电压。图i - 1 为五电平二极管 2 第l 章绪论 钳位电路。电路中每个桥臂有四对开关管，每对开关驱动脉冲互补，而且每 个桥臂还有3 x 4 个钳位二极管每个电容电压为1 “玩，并且通过钳位二极管 使每个控制器件上的电压应力限制在一个电容电压电平。此变流器的特点 为1 ) - - 极管需高反相耐压。开关器件被钳在玩( m 1 ) 电压上，但钳位二极 管需不同倍数的电容电压，若钳位二极管反向电压与开关管相同，那么各支 路二极管数目是( 胁1 ) x ( m 2 ) 。2 ) 开关器件需不同的额定电流。不等的导通 负荷使开关器件有不同的电流额定值。3 ) 电容电压不平衡。当功率因数为 1 时，每个电容充电时间不同，形成不同电平之间不平衡电压。但是当功 率因数为0 时，电容电压在半周期内有相同充放电来平衡电容电压。 图1 - l 五电平二极管钳位变沉器结构图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f t h ef i v e l e v e ld i o d ec l a m p l e dc o n v e r t e r ( 2 ) 电容钳位型多电平变流器图1 2 显示了五电平电容钳位交流器拓 扑【1 9 , 2 0 1 ，开关器件个数与五电平二极管钳位变流器相同，只是钳位二极管 被钳位电容代替。 电平数定义与二极管钳位变换器相类似。m 电平变换器产生( 2 m 1 ) 电 平线电压，直流总线需要伽1 ) 个电容。它的电压合成比二极管钳位变换器 更灵活，有的电平可以由不同开关组合合成。此变换器的特点为：除了有功 功率变换时平衡电压困难外，这种变换器的主要问题是需要大量的存储电 容器。为了平衡电容的充电和放电，不同电平可采取不同的开关组合。这 样它便可以用于有功功率变换。 3 燕山大学工学硕士学位论文 图1 - 2 五电平电容钳位变流器结构 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo f t h ef i v e - l e v e lf l y i n gc a p a c i t o rc l a m p l e dc o n v e r t e r ( 3 ) 级联型多电平变流器级联型多电平变流器口1 矧采用若干个低 电压p w m 变流单元直接级联的方式实现高压输出。图1 3 显示了带有独 立直流源的单相级联型多电平变流器的基本结构相对于二极管钳位型多 电平交流器、电容钳位型多电平变流器，这种结构避免了大量钳位二极管 或电压平衡电容的使用。每个独立直流源与单相全桥交流器连接。交流侧 的端电压通过串联方式叠加，形成多平变流器的输出电压。每单相全桥变 流器可以产生三电平的输出电压。由m 个变流器单元级联而成的多电平交 流器的电平数为( 2 冲1 ) 。由三个单相c a s c a d e 变流器，通过y 型或型连 接，可构成三相c a s c a d e 交流器，如图1 _ 4 所示。 e e e 图1 3 单相级联型多电平变流器的结构 f i g 1 - 3s i n g l ep h a s es t r u c t u r eo f t h ec a s c a d ec , o n v e r t e i 4 第1 章绪论 ( 1 ) y 型连接图( 2 ) 型连接图 图1 - 4 三相级联型变流器结构 。 f i g i - 4t h r e ep h a s es t r u c t eo f t h ec a s c a d ec o n v e r t e r 1 2 1 2 具有自均压能力的通用多电平变流器以前的多电平变流器都存 在动态均压问题。彭方正2 0 0 0 年提出了具有自均压功能的多电平变流器， 其五电平形式如图1 5 所示。其中处于最外层的开关管，用于形成输出电压， 内层的开关器件用于自均压。通过除去电路中的电容、简化电路中的开关 管为二极管等措施，这种变流器能简化为其它一些多电平变流器结构，例 如二极管钳位多电平变流器，电容钳位多电平交流器等等。除此之外，这 种变流器还能简化成一些新颖的多电平变流器拓扑。除上述特点外，这种 变流器由于在拓扑上可以看成多个三电平单元的组合，所以还具有易集成 化的特点。这种多电平变流器将有很高的研究价值和广阔的应用前景。 图1 - 5 具有自均压功能的多电平变流器 f 培1 - 5s t r u c t u r eo f t h em u l t u e v e lc o n v e r t e rw i t hs e l f v o l t a g eb a l a n c i n g 萝型陆圆圈 霾磅一 圜盛一 陆圆匿 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 1 3电流型多电平变流器以上介绍的是电压型变流器结构，相对于 电压源型变流器结构，电流型变流器【2 4 】结构有以下优点： ( 1 ) 由于存在大的平波电抗器，因而过电流保护比较容易。 ( 2 ) 由于交流测采用由电容和电感组成的二阶滤波器，能够在高频衰减 增益与系统动态响应之间作出较好选择。 ( 3 ) 适用于中高功率场合。 图1 - 6 显示了一种电流源型多电平变流器拓扑。这是一五电平的基本 单元，可扩充为更高电平结构。它有四对互补的开关相关联，可以看出如果 希望每个桥臂上的电流均匀分配，所有的开关工作在相同占空比下，各开 关导通电阻必须相等。选择适当的开关调制策略，可以减少分流电感的尺 寸，在较小的频率下改善输出电流波形，消除和抑制一定的谐波成分。 图1 - 6 五电平电流型变流器 ? i g 1 6s a u c f u r eo f t h ef i v e - l e v e lc i r r e n t - s o o r c ec o n v e r t e r ) j 一高 、 图1 7 另一种电流型五电平变流器 f i g 1 7a n o t h e rs 仃u c t u r eo f t h ef i v e - l e v e lc t l r l e t l t - s o t l r c ec o n v e r t e r 该电路的缺点在于对开关器件要求比较苛刻，所有开关的导通内阻必 须相等，分流电感必须是无损电感。图1 7 所示的是另一种多电平变流器 6 第1 章绪论 结构，与前一结构相比，该电路少了一个电感，而且当电平数更高时电感数 量更小。随着对电流型多电平变流器深入研究，将会有更多拓扑出现，而 且会有很好的发展前景瞄】。 1 2 2 多电平变流器开关调制策略 p w m 技术在抑制和消除谐波，控制和传输信号方面有很大优势，因而 p w m 技术的应用越来越广泛阢2 7 1 。它对功率器件的开关频率要求很高，而 一般大功率器件难以适应它的要求，从而限制了p w m 技术应用在大功率 器件上。由于多电平变流器自身拓扑特殊结构使系统等效开关频率提升很 高，单个器件功率等级可以相对很低，因而可应用p w m 开关调制技术。目 前，普遍用在多电平交流器当中的调制策略是载波层叠p w m 技术和载波 相移p w m 技术，同时也是本文主要研究的两种开关调制策略。而阶梯波 脉宽调制和多电平电压空间矢量调制由于自身的一些缺点而不能被广泛应 用，接下来分别介绍各种调制策略及其优缺点。 。 1 2 2 1 阶梯波脉宽调制阶梯波脉宽调制是在多电平变流器领域中应用 相当广泛的一种控制方法，输出波形如图1 8 所示，其基本原理是将几个 电平台阶合成阶梯波，通过调节各电平台阶的宽度，逼近正弦波；以达到 消除和抑制谐波的目的。这种调制方法可以使器件的开关频率达到最低， 即基波频率，因而开关损耗最小；但此时器件的主导损耗应该是通态损耗。 具体地应用在级联型多电平变流器中时，每个由单相全桥电路构成的变流 器单元都采用桥内移相方波控制。调节各电平台阶的方法，目前主要采用 定次谐波消除法【2 s ( s e l e c t e dh a r m o n i c se l i m i n a t i o n ) ( 以下简称为s h e ) 基于s h e 的阶梯波脉宽调制技术能够直接消除系统中指定次数的谐 波分量，效果直观、原理清晰。随着电平数的增加，输出电压波形的谐波 畸变将更小，使得逆变器输出不接滤波装置和变压器而直接接负载成为可 能。这种调制技术也存在以下缺点g ( 1 ) 消除谐波的自由度受到输出电平数的限制，r 电平变流器能够控制 的谐波数目为( n - 3 ) 2 。例如，对于三相无中线系统，要达到消除1 9 次以下 谐波的要求，输出相电压的电平数就得达到1 5 ；所需变流器单元数就得达 到2 1 个。 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 开关角方程组是一个高阶非线性超越方程组【2 9 】。求解这个方程组需 要大量的浮点数运算，即使是转化为高次代数方程组实现实时运算，但是 动态响应很差。这显然不能适应一些需要快速动态响应的应用场合，比如 a p f 、高动态性能交流电机变频调速( 如矢量控制系统) 等领域。 ( 3 ) r h 于每一级电平都采用与基波频率相同的方波控制，因而这种调制 策略下的传输带宽较低，不适用于对信号传输性能要求较高的场合如a p f 等。 ，h + 3 e 图1 - 8 级联七电平逆变器波形图 f i g 1 - 8w a v e f o r mo f t h es e v e n - l e v e lc a s d a d ei n v e r t e r 1 2 2 2 多电平电压空间矢量调制 它是二电平电压空间矢量技术( s v m ) 在多电平交流器上的扩展应用。对于多电平s v m 技术d o j l j 2 j 3 1 ，其基本原 理与二电平的相似，只是开关组合的方式随着电平数的增加而有所增加； 对于m 电平变流器，电压空间矢量为m 3 个，这些电平有的在空间上是重 合的。例如对于三电平变流器，其电压空间矢量的个数为2 7 个，其独立的 电压空间矢量为1 9 个，一个零矢量，1 8 个非零矢量( 如图1 - 9 所示) ；同样 在空间旋转坐标系下，对于任意时刻的矢量由相邻的三个非零矢量合成， 在一个开关调制周期内对三个非零矢量和零矢量的作用时间进行优化安 排，得到p w m 输出波形。由于电平数与空间矢量数之间是立方关系，目 前此技术一般用在五电平以下【3 4 】。 多电平s v m 技术的着眼点是基本开关矢量的数目，随着电平数的增 加，基本开关矢量的数目也就增加，使得其组合方式更加丰富，通过基本 电压空间矢量的不同组合方式，达到消除和抑制谐波的目的这种调制技 第l 章绪论 术存在的不足在于： ( 1 ) 空间电压矢量的数目随着电平数的增加而以立方级数迅速扩展，其 算法也就越来越复杂；有见于此，目前对多电平s v m 技术的研究一般在 五电平以下。 ( 2 ) 多电平s v m 下器件的开关负荷不均衡成为一个严重的问题。，在正 常调制区域，可以采用一些优化方法或者新的调制策略改善这一问题，但 往往会增加系统控制的复杂性。在深调制区，则必须采取新的调制策略， 否则不可能实现开关负荷均衡。 ( 3 ) 在等效开关频率相同的情况下，多电平s v m 技术的谐波特性不如 基于载波组的p w m 技术黎波相l 骛p w m 嬷 n nl vv 0 0 21 0 22 0 2 图1 - 9 三电平变流器的基本空间电压矢量图 f i g i - 9w a v e f o r mo f t h et h r e e - l e v e li n v e r t e rb a s i cs p a c ev o l t a g e v e c t o r 1 2 2 3 载波层叠p w m 这种控制方法适用于二极管钳位型多电平变流 器【3 5 1 。其基本原理是：在n 电平变流器0 e , n - 1 个具有相同频率和相同幅值 的三角波并排放置，完全分布在逆变器的线性调制区形成载波组；多个载波 是以0 参考轴为中心的，共同的调制波与其相交得到相应的开关信号。这 种调制技术的具体思想就是：- 在调制波的正半周，调制波与0 参考轴上的 所有载波进行比较，当调制波每大于二个载波时，便输出一个正的台阶电 压，否则输出0 电平；在调制波的负半周j 调制波与0 参考轴下的所有载 波进行比较，当调制波每小于一个载波时，便输出一个负的台阶电压，否 则输出0 电平。根据三角载波的相位，这种控制方式分为同相载波层叠法、 9 燕山大学工学硕士学位论文 正负反相载波层叠法和交替反相载波层叠法( 如图1 1 0 所示) 。同相载波层 叠法的所有载波的相位相同。正负反相载波层叠法，在0 参考轴上的载波 同相，在0 参考轴下的载波同相，但0 参考轴上与0 参考轴下的载波互差 1 8 0 度。交替反相载波层叠法所有载波自上向下依次相位相反。在载波层 叠p w m 控制方式下，变流器的输出特性良好，器件的开关频率较低而等效 开关频率较高，输入输出呈线性关系，能够输出一定带宽；但器件的导通负荷 不一致，尤其在深调制的情况下，处在变流器外围的器件几乎不导通，而内部 的开关器件开关频率较高。为了解决在深度调制下出现的这种情况，也出 现了一些改进的控制方式p 6 j 7 j 虮。 徽徽徽 ( a ) 同相载波层叠法( b ) 正负反相载波层叠法( c ) 交替反相载波层叠法 图1 1 0 载波层叠调制策略三种方法 f i g 1 - 1 0w a v e f o r mo f t h et h r e em e t h o d so f t h em u l t i l - c a r r i e rm o d u l a t i o n 1 2 2 4 载波相移p w m 载波相移p w m 技术是基于组合变流器提出的开 关调制策略，也可以应用在级联型多电平变流器上。以载波相移s p w m 3 9 , 4 0 1 技术为例，载波移相s p w m 通过将载波均匀平移一定的相位来对多电平变 流器进行调制，利用s p w m 技术中的波形生成方式和多重化技术中的波 形叠加结构产生载波相移s p w m 波形。该方法能在较低的器件开关频率下 获得较高等效开关频率。基本思想是：n 个变流器单元均采用低开关频率 的s p w m ，并具有相同的频率调制比k ，幅度调制比m 和共同的正弦调制 信号，当各变流器单元的三角载波的相位依次差2 r j ( n k ) 时称为整周期移 相( 如图1 1 l 所示) ，而当相位依次差r j ( n k ) 时称为半周期移相，这两种调 制方式输出的s p w m 波形差异较大因此需要在设计输出滤波器时充分考 虑不同调制方法的频谱分布特征除了s p w m 技术以外，载波相移p w m 1 0 ， 第1 章绪论 技术还包括相移式s h e p w m 和错时采样s v m 技术【4 l 】。 ( 1 ) 相移式s h e p w m 技术( p h a s e s h i f t e ds e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o n p w m ) 这种控制方式以传统的定次谐波消除法p w m 为基础，在开关角 计算中加入预置的相移量，将计算得到的不同相移量的开关角分别用于不 同的交流器单元，使得叠加得到的交流侧电压、电流达到谐波最优。 ( 2 ) 错时采样s v m 技术( s a m p l et i m es t a g g e r e ds v m ，下简称s t s s v m ) 组合变流器s t s s v m 技术的调制方法，简而言之就是将各交流器单元的 采样时间错开。具体地讲，在组合交流器中，n 个变流器单元在相同频率 调制比l c 、幅度调制比m f 下，进行s v m 调制；各变流器单元采样时间依 次相位差为2 ( n k c ) 。s t s s v m 技术比较于载波相移s p w m 技术，有 电压利用率高，开关频率小，易于数字实现等特点。 y ，v 1 0 5 0 - 0 5 幽以 图1 1 l 载波相移s p w m 七电平调制波形图 f i g 1 - 1 1 w a v e f o r mo f t h en i n e - l e v e lc p s - s p w mm o d u l a t i o n 除此之外，将其它一些调制策略，如滞环电流控制、单周控制等等， 应用在载波相移p w m 技术中，具有一定的研究前景。 l - 3 本课题研究的主要内容 结合查阅国内外的文献的基础上，本文通过做大量的仿真和实验，对 载波相移s p w m 和载波层叠s p w m 两种调制技术在各种调制环境下的输 出波形进行了仔细的谐波分析，得到了不同多电平变流器拓扑应用上述两 种优秀的调制策略显示出的特点。并且本文将上述两种多电平变流器开关 调制策略在级联型和二极管钳位型逆变器上使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号的 燕山大学工学硕士学位论文 d s p 控制板实现了开环数字控制实验，使多电平开关调制技术在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上得到了最大的开发。通过实验验证了仿真谐波分析的 正确性，使交流侧在滤波器设计上有一定的依据。 第2 章理论分析 2 1 引言 第2 章理论分析 多电平变流器的开关调制策略传统上采用基波频率调制【4 2 1 ( 也称阶梯 波调制) 。基波频率调制最显著的优点是开关频率最小( 等于基波频率) ，可 以通过优化选择每一电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除和抑制。 但这种调制方法中，需要采用优化算法( 比如n e w t o n - r a p h s o n 法，单纯型 法等) 求解高阶非线性方程组，即使使用数字信号处理器等高速运算芯片也 难以达成实时控制；一般要通过离线查表法完成控制。因此这种调制策略 主要应用在一些对输出电压调节要求不高的场合如静止无功补偿器等等。 在一些控制性能要求较高的场合，往往采用脉宽调制( 即p w m ) 策略。 多电平变流器的p w m 策略，主要有：载波层叠p w m 技术、载波相 移s p w m 技术、多电平空间矢量调制技术及错时采样空间矢量调制技术等 等。多载波p w m 技术( 载波层叠s p w m 、载波相移s p w m ) 原理简单、实 现方便而且普遍适用于各种多电平变流器，因而在目前是比较常用的多电 平变流器开关调制策略h 3 彤4 5 】。 多载波p w m 技术是从传统的p w m 技术( 包含s v m 技术) 发展而来的。 载波自身有空间垂直排列位置、幅值、相位三种自由度晰】，每个自由度的 变化都会生成新的调制方法，：多载波p w m 技术就是由这三个自由度的组 合衍生出来的。下面先从传统p w m 技术来分析。 2 2 传统p w m 技术 传统单相s p w m 技术【4 7 】有单极性s p w m 、双极性s p w m 、倍频$ p w m 三种方案。根据不同对象，以上三种方案在应用方面都有各自的特点。本 节将对以上三种开关调制策略技术从变流器的总开关频率、变流器的开关 负荷、变流器输出的谐波特性三方面详细分析各种方案的优劣，给出了定 量分析的结果，得到了一些结论。这些结论对分析多载波p w m 开关调制 燕山大学工学硕士学位论文 策略有一定的指导意义。下面来分别分析这三种方案。 2 2 1 双极性s p w m 技术 所谓双极性是指在整个基波周期，s p w m 波形只有+ v d c 和v d 。两个电 平。双极性s p w m 调制波形如图2 1 所示。载波与正弦波比较生成的驱动 信号同时给t l 和t 3 ，同一桥臂两个开关管驱动信号互补。电路输出波形 如图2 - 2 ( k c = 1 5 ，m = 0 8 5 时) 所示。 y v 图2 - 1 双极性调制波形 f i g 2 - 1w a v e f o r mo f t h ea n o t h e rs i n g l eb i p o l a r i t ym o d u l a t i o n 毒圃以 图2 - 2 双极性s p w m 波形和频谱 f i g 2 - 2s p w m w a v e f o r ma n dh a r m o n i co r d e ro f t h es i n g l eb i p o l a r i t ym o d u l a t i o n 由图2 1 、图2 2 可以看出，当为偶数时，s p w m 波形不满足公式 f ( x ) = - ( t 2 + x ) ( t 为基波周期) ，但是满足半周期前后1 4 周期对称，所以输 出波形含有偶次谐波，但是谐波不含有余弦相。当为奇数时，s p w m 波 1 4 第2 章理论分析 形满足f ( x ) = - c t 2 + x ) ，所以输出波形不含偶次谐波，但是谐波中含有余弦 相。无论为何值，s p w m 波形中都含有载波谐波，最低次谐波群以载波 谐波为中心两边幅值递减，形成边频带。在低频区域，( 疋2 ) 次以下次数谐 波基本被消除。 2 2 2 单极性s p w m 技术 所谓单极性是指在正弦波正半周期输出波形为0 和v d c 两个电平，而 在正弦波负半周期输出波形为0 和v d 。两个电平“主电路如图2 3 所示， 调制波形如图2 4 所示。传统单极性s p w m 的两个载波频率和幅值大小相 同，相位完全相反。，零线以上的三角波与正弦波比较生成的驱动信号供给 t l 、t 4 与t l 的驱动波形互补零线以下的三角波与正弦波比较生成的驱动 信号供给t 3 ，t 3 与t 2 驱动信号互补。由图2 - 4 可以看出，在正弦波的正 半周期，t l 与t 4 组成斩波臂，而t 2 与t 3 则处于常开或常通状态；在正弦 波的负半周期，t 2 与t 3 变为斩波臂，而t l 与t 4 则处于常开或常通状态。 设频率调制比为k 幅度调制比为m 。当k = 2 4 ，m = 0 8 5 时，电路输出p w m 波形和频谱如图2 5 所示。由图2 - 5 ( k = 2 4 ，m = 0 8 5 时) 可知，当疋为偶数 时，每半个基波周期含有整数个三角波，p w m 波形是1 4 周期对称波形， 输出波形只含有奇次谐波且不含余弦相，并且不含载波谐波，最低次谐波 群分布在以载波谐波为中心附近，并含有较少的低次谐波；而当为奇数 时，输出波形不满足半周期镜像对称原则，输出波形含有偶次谐波，且含 有微量载波谐波。综合来说，当为偶数时输出波形的谐波品质好。 从载波的空间垂直位置自由度上来讲，单极性s p w m 技术还有另一种 调制方法，这种调制方法的零线上下两个载波相位完全相同。调制波形图 如图2 - 6 所示。调制原理与前面单极性调制方法相同设频率调制比为k 幅度调制比为1 1 1 。当k = 2 1 ，m = 0 9 时，电路输出p w m 波形和频谱如图 2 7 所示。p w m 波形近似是1 4 周期对称波形，由频谱图很清楚看到含有 奇次谐波和载波谐波，并含有微量的偶次谐波( 可以忽略不计) 。当为偶 数时，输出波形不满足半周期镜像对称原则，输出波形含有大量偶次谐波， 且含有载波谐波。综合来说，当为奇数时输出波形谐波品质好。 燕山大学工学硕士学位论文 y v1 0 5 0 - 0 5 1 v d c 、嘶 图2 - 3 单相全桥电路 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f t h es i n g l ep h a s eb r i d g ec o n v e r t e r 图2 - 4 单极性调制波形 f i g 2 - 4w a v e f o r mo f t h es i n g l ep o l a r i t ym o d u l a t i o n 00 0 20 0 4 图2 - 5 单极性s p w m 波形和频谱 f i g 2 - 5s p w m w a v e f o r ma n dh a r m o n i co r d e ro f t h es i n g l ep o l a r i t ym o d u l a t i o n 1 6 第2 章理论分析 图2 - 6 另一种单极性调制波形图 f i g 2 - 6w a v e f o r mo f t h ea n o t h e rs i n g l ep o l a r i t ym o d u l a t i o n 碥以 图2 7 另一种单极性s p w m 波形和频谱 f i g 2 - 7s p w m w a v e f o r ma n dh a r m o n i co r d e ro f t h ea n o t h e rs i n g l ep o l a r i t ym o d u l a t i o n 比较上述两种单极性s p w m 调制方法的谐波分析结果，在三相系统 中，第二种单极性调制方法比较适用( 为奇数) ，因为载波谐波可以在线 电压中消除，从而大大降低t h d 值。在单相系统中，第一种单极性调制 方法( 岛为偶数) 比较适用，因为频谱中不含载波谐波，而且不含偶次谐波。 上述两种单极性调制方法是通过改变载波的空间垂直位置自由度而产生 的，从中便可以看到载波层叠p w m 调制的雏形。 2 2 3 倍频s p w m 技术 在普通p w m 逆变电路中，器件开关频率与输出电压载波频率相等。 所谓倍频s p w m 是指输出电压载波频率是逆变桥器件开关频率的两倍。倍 频s p w m 技术含有两个频率和幅值大小相同、相位相反的双极性三角载波 如图2 - 8 所示。从图2 - 8 中可以看出s p w m 技术实际上就是载波相移s p w i v l 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 技术。倍频s p w m 技术的两个三角载波与正弦波比较生成两路驱动信号， 控制方式与单极性s p w m 完全一样。倍频s p w m 调制波形、输出波形和 频谱图如图2 - 9 ( = 1 5 ，m = o 8 5 时) 所示。 y v 0 5 0 0 5 图2 - 8 倍频s p w m 调制波形 f i g 2 - 8s p w m w a v e f o r mo f t h es i n g l ed o u b l ef i e q u e n c ym o d u l a t i o n 00 0 20 0 4 图2 - 9 倍频s p w m 波形和频谱 f i g 2 - 9s p w mw a v e f o r ma n dh a r m o n i co r d e ro f t h es i n g l ed o u b l ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n 与单极性s p w m 输出波形相比，其频率比无论为奇数还是偶数，输出 波形都不含偶次谐波，原因是倍频电路的载波频率是单相s p w m 电路