第三章级联多电平变频调制算法研究

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基于 DSP 的单元串联多电平变频技术的研究
(b) 载波水平移相(移位)PWM 调制 (b) Carrier wave vertical shift PWM modulation 图 3.3 移相(移位)PWM 调制驱动和输出波形图 Figure 3.3 Carrier wave shift PWM modulation 通过图 3.3(b)可以看出，载波水平移相 PWM 调制的本质是，对每个功率单元进行 SPWM 调制， 通过载波的移相，使得每个功率单元输出的 SPWM 脉冲相互错开(其基波相位相同)，这样在叠加后， 可以得到多电平输出，并使得等效开关频率大大提高，改善了输出波形。采用移相 PWM 调制之所以能 够得到这样好的效果，是因为在结构上多重化的结果。可以预见，如果在对每个功率单元进行 SPWM 调制时，各载波不移相，那么每个功率单元的输出 SPWM 波将是相同的，在叠加之后仅仅是 PWM 脉 冲的幅值增大了，电平数和等效开关频率都不会增加。因此，载波移相是水平移相 PWM 调制的根本所
在理想情况下，M 值可在 0～1 之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。实际上，M 总是小于 1 的，在 k c 较大时，一般取最大值的 M=0.8～0.9 。
§3-2 单元串联中压变频器移相 PWM 调制
单元串联的中压变频器通过功率单元串联的形式输出中压， 单元的串联(多重化)既使得改善输出波 形成为可能， 同时也带来了如何分配各功率单元输出功率的问题。 这就需要一种合理的 PWM 调制方法， 既使得输出波形谐波最小，同时又可以为各功率单元均匀分配输出功率。于是，单元串联中压变频器移 相 PWM 调制得以提出。 载波水平相移 SPWM 技术可以在较低的开关频率下实现较高开关频率的效果， 使 SPWM 技术应用 于大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减少输出谐波，提高整个装置的信号传输 带宽。
上式中的分母实际上就是 SPWM 变压变频器的最高输出频率。 另外，为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制， 以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间 t on ，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间 t off 。在脉宽 调制时，为了保证最小间歇时间大于器件的关断时间 t off ，必须使 u rm 低于三角载波的峰值 u Tm 。为此 定义 u rm 与 u Tm 之比为调制度 M，即
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第三章 级联多电平变频器调制算法研究
脉宽调制((PWM)控制是多电平逆变器研究领域的核心问题之一。它几乎与多电平逆变器拓扑结构 的提出是共生的， 因为它不仅决定多电平功率变换的实现与否， 而且对多电平逆变器的电压输出波形质 量，电路中有源和无源器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。 单元串联变频器通过功率单元串联的形式输出电压， 单元的串联多电平逆变技术既使得改善输出波 形成为可能，同时也带来了如何分配功率单元出力的问题。这就需要一种合理的 PWM 调制方法，既使 得输出波形谐波最小，同时又可以平均分配各单元的出力。 多电平逆变器的性能受 PWM 控制策略的影响十分大。在目前的研究和应用中存在着多种多电平 的 PWM 控制策略，其中空间矢量调制和载波调制是目前研究和应用最为普遍的两种方法。这两种方法 经常被认为具有不同的控制效果，例如在谐波含量、直流电压利用率等性能上。 由于空间矢量 PWM 方法具有直流母线电压利用率高、纹波电流小的优点，它在三相逆变器中的实 现简单，而且能够更灵活的组合开关模式，目前被广泛使用。对于传统的三相 VSI 来说，存在 8 个空 间电压矢量。多电平电路的开关状态数量为电平数的三次方 m 。对于三单元七电平电路，存在 343 个 开关状态。随着电平数的增多，空间电压矢量数量呈几何指数增加，空间矢量控制将及其困难。因此， SVPWM 虽然在两电平通用变频器中获得广泛应用，却难以向多电平扩展，目前只有二极管嵌位型三电 平电路中获得了实际应用。目前，单元串联多电平变频器通常采用的调制方法是移相式 SPWM 方法， 该方法又分为水平移相式和垂直移相式两种。 注意到载波型的 SPWM 技术在多电平逆变器上实现起来比较容易，算法复杂程度受逆变器电平数 的影响小。那么，如果能够用载波调制的方法实现 SVPWM 技术，就为多电平逆变器的控制找到了一 种既易于实现又同时兼有 SVPWM 特性的 PWM 方法。 本章首先介绍了两电平的 PWM 调制，着重介绍了三相载波型 SPWM，并阐述了这种方法的有效 性。
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基于 DSP 的单元串联多电平变频技术的研究
到宽度正比于信号波幅值的脉冲。当调制信号为正弦波时，就得到 SPWM 波形。改变正弦调制波的频 率和幅值，也就改变了输出基波电压的大小和频率。 载波型 PWM 控制根据载波的不同可分为单极性 PWM 控制方式和双极性 PWM 控制方式，如图 3-2 所示。在调制波的半个周期内载波只在正极性或负极性的一种极性范围内变化，得到的 PWM 波形 也只在单个极性范围变化的控制方法称为单极性控制方式。 而双极性控制方式在半个周期内载波在两个 极性范围内变化，所得 PWM 波形也在两个极性范围变化。
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波比 k c 不变的同步调制，输出电压谐波将会增加。为了避免这个缺点，可使载波比分段有级地加大， 以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，在每 个频段内都维持载波比 k c 恒定，而对不同的频段取不同的 k c 值，频率低时，k c 值取大些，一般大致 按等比级数安排。 不论是同步调制还是异步调制，为了使逆变器输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若 从电力电子开关器件本身的允许开关频率来看，载波比又不能太大。k c 值应受到下列条件的制约：
图 3.2 两个功率单元串联示意图 Figure 3.2 Principle of both unites in series 图 3.3(a)给出了载波垂直移位 PWM 调制的波形图，对于 n 个功率单元串联的变频器，通常，载波 垂直移位 PWM 调制需要有 2n 个载波对信号波进行调制，得到 2n 个波形分别去驱动 n 个功率单元的 2n 个桥臂；这 2n 个载波均匀的分布在信号波的峰峰值之间，调制的方法跟通常的调制法相同，即当信 号波大于三角载波时，给出导通控制信号;相反则给出关断控制信号。图 3.3(a)给出的是 2 串的波形图， 在垂直方向上均匀对称分布 4 个载波，它们的频率和幅值都相同，从上到下得到的信号依次去驱动图 3.1 中的 A1+ 、A2+ 、B2-、B1-，同一桥臂的两个功率器件互锁，以防止桥臂直通而烧坏器件。 从图 3.3(a)中可以明显看出，采用载波垂直移位 PWM 调制，功率单元 1 调制输出的是信号波的正 负两个峰值部分的波形， 而功率单元 2 调制输出的是信号波的中间部分波形， 这也体现了垂直移位一调 制的直观性。但是这也带来一个弊端，当信号波幅值较小时，就会出现只有功率单元 2 调制，功率单元 1 不调制的情况，也就是只有功率单元 2 输出功率的不利情况。因此，采用载波垂直移相 PWM 调制还 需要动态分配各功率单元的输出功率，使得负载功率由每个功率单元共同均匀分担。 图 3.3(b)给出了载波水平移相 PWM 调制的波形图，图中 4 个载波调制同一信号波，调制方法同样 是，当信号波大于三角载波时，给出导通控制信号；相反则给出关断信号。4 个载波中，用于驱动 A1+ 的载波和用于驱动 A2+的载波分别是功率单元 1 和 2 的主载波，其中用于驱动 A2+的载波滞后用于驱 动 A1+的载波一定电角度(水平载波移相)；用于驱动 B1-的载波是 A1+载波的反相载波，同样，用于驱 动 B2-的载波是 A2+载波的反相载波。这样，可以在功率单元 1 和 2 的输出端，A1B1 与 A2B2 产生三 电平的 SPWM 波，如图 3.3(b)所示。也可以只使用 A1+载波和 A2+载波进行调制，A1+、A2+的驱动同 上，但这时需要同时将信号波反相被 A1+载波和 A2+调制，得到的驱动信号分别驱动 B1+与 B2+，这种
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§3-1 两电平逆变器的 PWM 调制方法
采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效 果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，而效果基本相同，是指输出响应波形基本相同。该理论也可称之 为面积等效原理。 载波型 PWM 控制方法，是把期望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过调 制得到所期望的 PWM 波形。通常采用三角波或锯齿波作为载波，本文所用载波均为等腰三角波。当它 与任何一个平缓变化的调制信号波相交时， 如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制， 就可得
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(a) 载波垂直移相(移位)PWM 调制 (a) Carrier wave vertical shift PWM modulation 调制方法也可以在 A1B1 与 A2B2 上得到相同的三电平 SPWM 波。 将 A1B1 与 A2B2 上输出波形相加就 可以得到 2 单元串联变频器一相的输出波形 A1B2，如图 3.3(b)所示，这是一个 5 电平的 SPWM 波。随 着串联单元数的增加，输出电平数也相应增加，等效开关频率增加，输出波形会越接近正弦波。以上讨 论的是相电压的情况， 对于中压变频器， 输出通常是三相线电压， 线电压输出的电平数比相电压更高( 3 倍取整)，输出波形更好。实际上，为了提高直流电压利用率，信号波可以采用其他非严格的正弦波， 比如叠加了 3 次谐波的马鞍形波，虽然经过调制后的输出相电压 PWM 波中含有 3 次谐波，但三相的 3 次谐波相位相同，合成线电压时，各相电压的 3 次谐波相互抵消，线电压也为正弦波。
(a)单极性 PWM 控制方式 (a) Unipolar PWM mode 图 3.1 PWM 控制 Figure 3.1 PWM mode