摘 要： 針對單相五電平級聯逆變器，對不同的多載波" title="多載波">多載波PWM方法進行了分析和研究。通過對載波移相PWM法和載波垂直分布PWM法進行分析，提出了一種混合多載波PWM方法。通過對典型的五電平PWM單相逆變電路的MATLAB仿真分析，證明了多載波PWM方法所產生的諧波污染小、輸出波形更好等優點。
關鍵詞： 高壓 單元串聯 變頻器 諧波 五電平
近年來，由于新型多電平" title="多電平">多電平逆變器具有輸出容量大、適用于高電壓和輸出電壓電流諧波含量小等優點，在中高壓調速領域、交流柔性供電系統中得到了廣泛的應用，成為中高壓環境下能量處理的首選方案。對于多電平逆變器" title="電平逆變器">電平逆變器技術的研究,主要集中在兩個方面：一方面對多電平逆變器的拓撲結構進行研究, 從簡化結構、模塊化的角度出發, 在現有的多" title="的多">的多電平拓撲結構的基礎上，構造新的多電平拓撲結構；另一方面對多電平逆變器的調制策略" title="調制策略">調制策略進行研究, 考慮的重點是在權衡輸出波形的諧波含量、開關損耗、電壓利用率等因素的前提下,對相應的調制策略進行優化。與傳統的二電平逆變器相比較, 多電平逆變器利用其獨特的結構, 對不同的電平進行綜合, 得到階梯狀的輸出電壓以提高輸出電壓范圍, 減少輸出電壓諧波。最常用的多電平調制方法都是基于多載波的PWM 調制。但是, 對于具體的多電平結構, 面臨的問題就是如何選用適合的調制策略, 以獲得較好的性能[1]。
本文通過對常用的載波移相PWM法和載波垂直分布PWM法進行研究，進而提出一種混合的多載波調制策略，并以單相五電平逆變器為例，對各種多載波PWM調制策略進行仿真研究。仿真結果表明，采用混合多載波調制策略的逆變器輸出波形更好，諧波污染更小。
1 多電平逆變器的拓撲結構
常用多電平逆變器主要有三種拓撲結構：(1)二極管箝位型逆變器。(2)電容箝位型逆變器。(3)具有獨立直流電源的級聯型逆變器。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器適用于高輸入電壓的大功率逆變場合；而具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變器適用于低輸入電壓、高輸出電壓的大功率逆變場合。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器拓撲是以半橋電路為基礎的；而具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變器是以全橋電路為基礎的，將具有移相或不同導通角的多個全橋逆變器的交流側串聯起來，從而得到多電平的輸出合成電壓。
本文所討論的五電平逆變器屬于具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變器。其一相電路的拓撲結構如圖1所示。每個全橋式逆變器可產生三電平的輸出電壓：當a1、b2導通時，u1=U；當b1、a2導通時，u1=-U；其余開關狀態下，u1=0。逆變器的合成輸出電壓u0=u1+u2，共包含五種電平。通過控制每個逆變橋的導通角可以使合成輸出電壓u0的THD最小。
2 多載波PWM調制策略
逆變器的調制策略對輸出電壓諧波、開關損耗、電容電壓的平衡等方面產生很大的影響。不同調制策略所綜合出的波形也不一樣，因此諧波分布特性也有差別。對于多電平逆變器，基于多載波的PWM調制策略是用于多電平拓撲結構最常用的方法。多載波PWM策略與兩電平PWM技術相比，前者在開關利用、狀態冗余、等效開關頻率等方面，提供了額外的自由度和更多的可能性。
多載波調制技術的原理是利用一個調制信號波(通常為正弦波)與多個載波信號(一般為三角波)相交，來產生開關器件的驅動波形。多載波PWM調制技術可分為載波移相PWM和載波垂直分布PWM兩類。
2.1 載波移相PWM
載波移相(PS)PWM方法采用了4個幅值和頻率都相同的載波信號。將載波信號與參考正弦波信號進行比較，若參考信號大于三角載波，則相應與該載波信號的開關器件導通；反之若參考信號小于三角載波，則相應于該載波信號的開關器件關斷。置于各開關器件的載波信號的初始相位依次移動90°。圖2(a)～(f)顯示了載波信號與參考波信號進行比較所產生的開關器件的門電壓信號，以及逆變器的輸出五電平波形。圖3(a)所示為PS PWM調制方式下的諧波分析圖。從圖中可以看出，PS調制方式下，低次諧波含量比較小，但是高次諧波總含量較大，因此諧波畸變率較高，為36.33%。
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2.2 載波垂直分布PWM
當采用載波垂直分布(CD)技術時，對于一個N電平的逆變器，需要N-1個載波信號，且這些載波具有相同的幅值與頻率。按照連續的帶寬對這些載波進行排列，使其完全分布在逆變器的線性調制區。參考正弦波的初始相位為0，且以0參考軸為中心。即在參考正弦波的正半周，參考波與0參考軸上的所有載波信號進行比較，每當參考波大于一個載波時，便輸出一個正的電壓，否則輸出0電平；在參考波的負半周，參考波與0參考軸以下的所有載波進行比較，每當參考波小于一個載波時，便輸出一個負的電壓，否則輸出0電平[3-4]。
載波垂直分布PWM可分為以下兩種情況：
(1)所有載波相位相同(PD)。載波和參考波分布以及逆變器輸出波形如圖4所示。圖3(b)所示為PD PWM調制方式下的諧波分析圖。從圖中可以看出，相對于PS調制方式，PD調制方式下的輸出波形的高次諧波總含量較小，但是低次諧波含量較大，其諧波畸變率為36.08%。
(2)對稱軸上下載波反相(POD)。在0參考軸上與0參考軸下的載波互差180°。載波和參考波分布以及逆變器輸出波形如圖5所示。圖3(c)所示為POD PWM調制方式下的諧波分析圖。從圖中可以看出，相對于PD調制方式，POD調制方式下的輸出波形的低次諧波含量有所減少，但是高次諧波含量有所增加，其諧波畸變率為36.20%。
對于本小節所討論的每一種調制技術，都包括三種自由度：(1)調制比ma，各調制技術的ma如表1所示，其中AO為參考信號波的幅值，Acpp為載波信號的峰-峰值。(2)載波比mf=fc/f0，其中fc為載波信號的頻率，fo為參考信號波的頻率。(3)參考信號波與載波信號之間的相角差Φ，在本文的仿真過程中，Φ=0。
3 基于MATLAB/SIMULINK的混合多載波PWM調制技術仿真
由于采用PSP WM方法所產生的輸出波形具有低次諧波含量較低的優點，采用CD PWM方法所產生的輸出波形具有高次諧波含量較低的優點，因此結合這兩種方法，本文提出一種混合PWM調制方法。圖6所示為各門控信號發生器模型。脈沖控制模塊包括參考正弦波發生電路(sin)和載波三角波發生電路(A、B、C、D)，它的主要工作原理是在同步時鐘的控制下產生一個正弦波和一個三角波，然后將兩者進行比較從而產生所需的控制脈沖。模型輸出四路脈沖，根據控制需要，通過IGBT驅動電路，提供控制IGBT導通與關斷的脈沖信號。
混合PWM調制技術的原理是將一個三角載波信號分成等帶寬的四個載波信號，然后各載波信號依次移相90°。將移相后產生的新載波信號進行疊加后同參考波信號進行比較，產生的脈沖信號依次作為一個開關器件的門控信號。實現此功能的關鍵在于對載波信號發生器的設計，如圖6中的A、B、C、D四個經過封裝的模塊。其內部結構如圖7所示。各載波的移相通過模塊LUT來實現。載波和參考波分布、電路產生的脈沖信號以及逆變器的輸出波形如圖8所示。圖3(d)所示為混合調制方式下的諧波分析圖。從圖中可以看出，混合調制方式下輸出波形的低次諧波含量相對于CD PWM調制方式有所降低，而高次諧波含量相對于PS PWM調制方式同樣有所降低，其總的諧波畸變率為35.55%。
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4 仿真結果諧波分析比較
針對五電平逆變器，對基于三種多載波的PWM調制策略進行了仿真研究，并在此基礎上提出了一種新的混合調制策略。采用未濾波前的波形進行分析，擺脫了因濾波器設計不一致而造成的影響，更能夠抓住多電平調制方法的本質，有利于直接對多電平調制方法進行比較。線性調制區仿真結果的諧波分析圖見圖3。
通過觀察各種調制技術情況下所產生的諧波狀況可以知道，采用PS PWM調制方式時，其輸出波形中含有幅值較大的高次諧波；而采用CD PWM調制方式和混合調制方式時則不存在這些問題。考察各種方案下低次諧波的分量，發現CD PWM調制方式的低次諧波分量最大，PS PWM調制方式的低次諧波分量最小，混合調制方式的低次諧波分量介于兩者之間。各調制方法下的輸出波形的總諧波畸變率(PHD)相差不大，但混合調制方法相對最小。綜合考慮上述結論，對于單相的五電平逆變器而言，混合調制方式為最優。
本文研究了用于五電平逆變器的多載波PWM調制方式，分析了多載波PWM調制方式所產生的諧波的特性，結合PS PWM調制方式和CD PWM調制方式，提出了一種新的混合多載波調制方式，并獲得了較好的輸出波形。
通過對諧波進行仿真分析、比較，基于載波垂直分布的調制方式略適用于五電平逆變器，其中又以混合調制方式為最優。在五電平以上的逆變器，應采用基于載波移相的調制方式。
參考文獻
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