多电平逆变器主要控制策略综述

多电平逆变器主要控制策略综述

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1 引言

多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点，近十年得到广泛的研究[1]。研究主要集中在拓扑结构、控制策略两方面。图1是多电平逆变器的主要研究内容。

图1 多电平逆变器主要研究内容

由于多电平逆变器拓扑结构的多样性，且涉及到直流电压的均衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，使得对多电平逆变器的控制具有一定的挑战性。

2 载波调制方法(Carrier-based Modulation)

载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。载波调制按其采样方法可分为:自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。规则采样又分对称和不对称采样。在载波调制中，对于m电平逆变器，常定义幅度调制比ma和频率调制比mf分别为:

其中Ac为载波峰峰值，fc为载波频率，Am为调制波峰值，fm为调制波频率。多电平载波调制由于载

波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度。

2.1 子谐波脉宽调制SHPWM(SubHarmonic PWM)

由Carrara[2]提出的SHPWM的基本原理是:对m电平逆变器，将m-1个具有相同频率fc和峰峰值Ac的三角载波集连续分布。频率为fm、幅值为Am的正弦调制波置于载波集的中间。将调制波与各载波信号进行比较，得到逆变器的开关状态。在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案:

(1) PD—所有载波具有相同相位;

(2) POD—正、负载波间相位相反;

(3) APOD—相邻载波间相位相反。

图2是SHPWM采用PD配置的波形图。SHPWM的最大线性幅度调制比ma为1。对SHPWM的研究有如下一些重要结论[3]:

·对于三相系统，频率比mf应为取3的倍数;

·单相逆变器，APOD配置电压谐波最小;

·三相逆变器，PD配置线电压谐波最小。

图2 5电平SHPWM-PD波形(ma=0.9，mf=21)

2.2 开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switching Frequency Optimal PWM)

由Steinke[4]提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)。设三相均衡参考电压分别为va，vb，vc，叠加零序电压vn，后三相参考电压分别为varef，vbrdf，vcref，具体叠加方法为:

图3是采用SFOPWM的波形图，其中包括零序电压vn的波形。SFOPWM只适用于三相逆变器，其优点是可以提高线性调制范围，其最大线性幅度调制比ma可以达到1.15，比SHPWM提高15%。

图3 5电平SFOPWM波形(ma=0.9，mf=21)

2.3 载波相移脉宽调制CPSPWM(Carrier Phase Shifting PWM)

CPSPWM[5]的基本原理是:多电平逆变器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比、频率调制比，但各单元模块的载波间存在一定的相位差θc，逆变器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，使其等效开关频率提高。各单元模块调制方法可以采用单极性、双极性、单极倍频SPWM调制，研究表明[6]，单元模块采用单极倍频SPWM调制时，可获得最小谐波输出电压，这时单元模块两臂的调制信号相位相反，且载波间相位差θc=π/n(n为级联单元数)。

图4为单元模块采用单极倍频SPWM调制时CPSPWM的波形。理论分析和实验结果表明[3]，在总开关频率相同的条件下，CPSPWM与SHPWM的APOD配置方案具有相似的性能。

图4 5电平单极倍频CPSPWM波形(ma=0.9，mf=6)

2.4 其它载波调制方法

在SHPWM中，不同载波对应单元的开关频率不等，且随幅度调制比的改变而不同。在考虑载波间相位关系时，Carrara只考虑了三种典型的配置方案。Tolbert[7]对载波间相位关系对各单元开关频率的影响进行了全面的研究，并提出了一种使各单元开关频率相等、不同载波的频率不等且随幅度调制比ma而变化的载波调制方法。

载波调制可得到谐波含量较小的输出电压, 但不能消除共模电压。Zhang[8]提出了一种利用中间变量消除共模电压的载波调制方法, 但其最大线性幅度调制比ma只能达到0.87。

从控制自由度[9]的角度来看，多电平载波调制方法的变化很多。在载波方面，存在载波类型、幅值、频率、相位、偏移量以及载波间相位关系等自由度;在调制波方面，也存在调制波类型、幅值、频率、是否叠加零序分量以及多相系统中调制波间的相位关系等自由度;还有载波和调制波相互间的相位等自由度。通过这些自由度的选择可以产生各种适合于特定拓扑结构、实现特定控制目标的载波调制方法。例如，Hammond[10]采用故障单元旁路和中性点平移技术，可以采用不对称三相载波调制实现。

3 空间矢量调制SVM(Space Vector Modulation)

空间矢量调制具有线性调制范围宽，直流电压利用率高，无须大量的存储空间，结构简单，控制方便，易于数字实现等优点，所以得到广泛的研究和应用。

多电平SVM和两电平SVM一样，是一种基于矢量合成调制方法。如图5所示，在V1，V2，V3三角形中的

任意矢量V0均可由矢量V1，V2，V3根据电压伏秒等效原则合成。即:

图5 空间矢量合成基础

SVM算法一般由:(1)将参考矢量在选定坐标系中投影;(2)投影分量的取整处理;(3)邻近矢量识别及开通比计算;(4)开关状态映射等四步构成。m电平逆变器，共有m3个开关状态，3m(m-1)+1个基本矢量，随电平数m的增加，常规SVM算法的计算量会急剧增加，因此，快速算法是多电平SVM的研究重点之一。目前，已经提出一些有效的快速算法[11]～[14]，这些算法的关键在于选择一个特殊坐标系，使得SVM的上述四步在该坐标系得到简化。SVM算法中常用的坐标系统有如下几种。

3.1 线电压坐标系

分析图5所示的矢量合成，可以得到如下关系[11]:

式(5)中，Aijk为ViVjVk三角形的面积，di→jk为Vi到VjVk直线距离。上式最后一步说明，如果三个矢量V1V2V3为等边三角形，且边长为，则合成矢量V0时每个矢量的开通比就等于V0到另外两个矢量连线