摘要：多載波PWM技術是目前在多電平變流器中常用的開關調制技術，具有原理簡單、實現方便而且普遍適用于各種多電平變流器等特點。按照各三角載波的相位，多載波PWM技術可分為三種具體調制方案。本文從諧波品質角度比較了各種方案的優劣，確定了在不同場合下最佳的調制方案。CPS-SPWM技術是多重化技術和SPWM技術的有機結合。該技術能夠在較低的器件開關頻率下實現較高等效開關頻率的效果，通過低次諧波的相互抵消提高等效開關頻率而不是簡單地將諧波向高次推移，因而具有良好的諧波特性。錯時采樣空間矢量調制是一種新型的開關調制策略，能夠在較低的器件開關頻率下實現較高等效開關頻率的效果，具有良好的諧波特性。從而在理論上證明該技術能夠大大提高裝置的等效開關頻率，同時沒有基波損失；這個結論普遍適用于各種載波脈寬調制技術。 關鍵詞：多載波PWM，多電平變頻器，載波相移SPWM，空間矢量調制，錯時采樣SVM MODULATION TECHNIQUE FOR HIGH POWER CONVERTET Li jianlin Xuhongfei Panlei Wangliqiao Zhangzhongchao [1]Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences [2]Institute of hydraulic sciences [3] Yanshan University [4]Zhejiang University Abstracts: Multi-carrier PWM technique is a kind of switch modulation strategy for multi-level converters in common use, which is of such advantages as explicit principle, easy realization and suitability for any multi-level converters. According to the phases of each triangle carrier, there are three modulated methods. the relative merits of each method are analyzed and compared from the viewpoint of harmonic quality. The operation principal of carrier phase-shifted SPWM （abbreviated as CPS-SPWM） has been analyzed in this paper. The key idea of this approach is the combination of multi-modular technique and SPWM technique. The high equivalent switching frequency can be obtained with low switching frequency devices. This technique improves the equivalent switching frequency through the counteract of lower order harmonics but not simply through processing the harmonic from lower order to higher order, so that it is with a perfect performance on harmonic feature. Time Staggered Space Vector Modulation is deduced. Therefore, the advantages of this technique are demonstrated in theory such that this technique can largely improve the equivalent switching frequency with no fundamental frequency losses. Keywords: Multi-carrier PWM, Multi-level converters, carrier phase shifted SPWM，SVM，STS-SVM 1.引言 開關調制策略的選擇對于變頻器而言，是至關重要的。對于上一節談到的大功率電力電子裝置來說，目前有以下幾種開關調制策略：階梯波脈寬調制、基于載波組的PWM技術、多電平電壓空間矢量調制、載波相移正弦波脈寬調制CPS-SPWM（Carrier phase shifted SPWM，以下簡稱CPS-SPWM）、錯時采樣空間矢量調制 （Sample Time Staggered SVM,以下簡稱STS-SVM）等。 2. 階梯波脈寬調制 階梯波脈寬調制就是用階梯波來逼近正弦波[1]。這種策略的優點是實現簡單、開關頻率低（等于基波頻率），主要缺點是輸出電壓的調節依靠于直流總線電壓或移相角。在階梯波調制中，可以通過選擇每一電平持續時間的長短，來實現低次諧波的消除和抑制。文獻[2]中提出優化調制波寬度技術，將本來應用于普通二電平變頻器的定次諧波消除PWM[3]（Selected Harmonic Elimination PWM）引入級聯型多電平變頻器，通過優化算法計算出開關角度，可以消除選定的諧波分量。但這種調制方法中，需要采用優化算法（比如Newton-Raphson法等）求解高階非線性方程組，即使使用DSP等高速運算芯片也難以達成實時控制；一般要通過離線查表法完成控制。因此這種調制策略主要應用在一些對輸出電壓調節要求不高的場合，如靜止無功補償器等。 3.多載波PWM法 N電平變頻器中，N-1個具有相同的頻率和相同的幅值的三角載波并排放置，形成載波組，以載波組的水平中線作為參考零線，共同的調制波與其相交[4]。根據三角載波的相位，PWM控制可有圖1所示的三種形式： 各個三角載波相位一致，如圖1（a）所示，記為A型。 參考零線以上，三角載波相位一致；參考零線以下，三角載波相位與前者相反，如圖11（b）所示，記為B型。 各個三角載波從上至下依次相反，如圖11（c）所示，記為C型。 當頻率調制比較低時，三種PWM調制的輸出有所區別。A型PWM調制在載波諧波處，諧波幅值較大，而邊帶諧波幅值明顯小于后兩種。對于奇數電平變頻器，B型、C型PWM輸出不含載波諧波。不考慮載波諧波時，A型PWM調制的輸出的THD較小。在單相系統中，C型調制方案最優；而在三相平衡無中線系統中，A型方案較為合適。單就低次主導諧波的分布和含量而言，不論電平數為奇數或偶數，方案C都是最好的。從調制原理上，方案C與載波CPS-SPWM技術[4]、5]的調制效果完全一致。在對低次諧波特性要求比較高的場合，比如單位功率因數校正裝置（Unity Power Factor Correction）等，方案C更為適用。 4.基于載波組的PWM技術 這種控制方式適用于二極管鉗位型多電平變頻器。基本原理是；在N電平變頻器中，N-1個具有相同頻率和相同幅值的三角載波并排放置，形成載波組；以載波組的水平中線做為參考零線，共同的調制波與其相交，得到相應的開關信號。根據三角載波的相位，這種控制方式可以有三種不同的形式。這種控制方式下，變頻器的輸出特性良好，器件的開關頻率較低而等效開關頻率較高，輸入輸出成線性關系，能夠輸出一定的帶寬；但器件的導通負荷不一致，尤其在深調制的情況下，處于變頻器外圍的功率器件幾乎不導通，而內部的功率器件開關頻率較高。為了解決在深調制下出現的這種情況，也出現了一些改進的控制方式。至于調制波，可以采用標準正弦波，也可以采用諧波注入正弦波。 5. 多電平電壓空間矢量調制 ⑴這是常規的二電平電壓空間矢量調制技術（SVM）在多電平變頻器上的擴展應用。常規的二電平SVM技術是根據不同的開關組合方式，生成八個電壓空間矢量，其中六個非零矢量，兩個為零矢量；在空間旋轉坐標系下，對于任意時刻的矢量由相鄰的兩個非零矢量合成，通過在一個調制周期內對兩個非零矢量和零矢量的作用時間進行優化安排，得到PWM輸出波形。對于多電平SVM技術，其基本原理與二電平SVM技術相似，只是開關組合的方式隨著電平數的增加而有所增加；其規律是對于m電平變頻器，其電壓空間矢量的數目為m3個，當然這些電平中有些在空間上是重合的。比如對于三電平變頻器，其電壓空間矢量的數目為27個，其中獨立的電壓空間矢量為19個，一個零矢量，18個非零矢量；同樣的，在空間旋轉坐標下，對于任意時刻的矢量由相鄰的三個非零矢量合成，在一個開關調制周期內對三個非零矢量與零矢量的作用時間進行優化安排，得到PWM輸出波形[4-6]。由于隨著電平數與電壓空間矢量的數目之間是立方關系，所以多電平SVM技術在電平數較高時受到很大限制[7]；因此目前多電平SVM技術的研究一般只限于五電平以下。 ⑵MSL-SVM的相電壓調制波也可以按照以上的辦法得到相電壓調制波的顯式函數。根據調制波的數學表達式，可以繪出SVM的相電壓調制波波形。方法一至方法四的調制波波形如圖2所示（幅度調制比為1）。其中細實線為A相, 虛線為B相, 點劃線為C相, 粗實線為線電壓。 從圖2可知，盡管四種方法的調制算法互不相同，其相電壓波形也各不相同，但線電壓波形卻完全一致，是同相同幅的標準正弦波。 從各種方法的相電壓調制波波形和調制原理來看，可以定性地得到以下兩點結論： ⑶從形狀上看，方法一和方法二的相電壓調制波波形完全是相反的。將方法二的相電壓調制波形垂直翻轉180°，得到的波形在形狀上與方法一的相電壓調制波完全相同；當然相位上有差。從傅立葉變換的性質可知，波形的翻轉和相位移動對只影響各次諧波的相位，不影響它們的幅值。也就是說，在相同的調制比下，在輸出電壓的諧波分布和諧波幅值上，采用方法一和方法二的效果完全一致。 ⑷調制波波形上看，交替零矢量調制方式的調制波具有正負半周反對稱性質，屬于對稱調制；而單一零矢量調制方式的調制波沒有正負半周反對稱性質，屬于非對稱調制。對稱調制的諧波特性顯然比非對稱調制好，也就是說交替零矢量調制方式的諧波特性比單一零矢量調制方式好。方法四的調制波形在四種方法中對稱性最好，因此其諧波特性也是最好的。 為了驗證以上兩點結論，通過Matlab構造了電壓型三相六開關逆變器，分別采用上述四種方法調制，進行了仿真研究。圖3所示的是分別采用四種方法調制，輸出線電壓的頻譜圖（幅度調制比為0.9，頻率調制比為27）；輸出線電壓的THD（總諧波損失）分別為：61.66%、61.66%、61.04%和59.52%。比較四種調制方法，從THD和頻譜分布上看，方法四最好；而方法一和方法二的THD和頻譜完全相同。這表明前面得到的結論是正確的。 6. CPS-SPWM CPS-SPWM技術由于能在大功率場合實現SPWM技術，可以極大地改善輸出波形，減小輸出諧波，從而相應減小濾波器的容量，降低成本。同時因其等效開關頻率高、傳輸帶寬寬，可以引入各種先進的控制策略，優化整個系統的性能指標[10]。從這個角度上來說，這也是控制手段在特大功率場合的一個突破。在實現CPS-SPWM技術時，功率主電路的復雜性并沒有增加。 CPS-SPWM是適用于大功率電力電子裝置的開關調制策略，可以應用于組合變頻器，也可以應用于多電平變頻器。，CPS-SPWM技術的基本思想是：在變頻器單元數為 的電壓型組合變頻器中，各變頻器單元采用共同的調制波信號M（t） ，其頻率為 。各變頻器單元的三角載波頻率為 ，將各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的 ，即： ，如圖4（a）所示（變頻器單元數 ，頻率調制比kc/ km =5，幅度調制比m=0.8）。 圖4 （b）所示的 個波形分別為 個變頻器單元的輸出， 個變頻器單元交流輸出疊加形成整個組合變頻器裝置的輸出波形如圖4 （c）所示。從圖中可以看出，組合變頻器總的輸出波形比變頻器單元的輸出波形更接近正弦波形，或者說，諧波分量較小，波形較好。 除了SPWM技術以外，載波相移PWM技術還采用以下幾種調制策略。 ⑴相移式SHEPWM技術（Phase-shifted Selected Harmonic Elimination PWM）[42] 這種控制方式以傳統的定次諧波消除法PWM為基礎，在開關角計算中加入預置的相移量，將計算得到的不同相移量的開關角分別用于不同的變頻器單元，使得疊加得到的交流側電壓、電流達到諧波最優。 ⑵ 錯時采樣SVM技術（Sample Time Staggered SVM，下簡稱STS-SVM）[6][7] 組合變頻器STS-SVM技術的調制方法，簡而言之就是將各變頻器單元的采樣時間錯開。具體地講，在組合變頻器中，N個變頻器單元在相同頻率調制比k、幅度調制比mr下，進行SVM調制；各變頻器單元采樣時間依次相位差為2π/（N•k）。STS-SVM技術比較于載波相移SPWM技術，有電壓利用率高，開關頻率小，易于數字實現等特點。 除此之外，將其它的一些調制策略，如滯環電流控制[43][44]、單周控制[45][46][47]等等，應用在載波相移PWM技術中，具有一定的研究前景。 載波相移PWM技術具有以下特點： ⑴各變頻器單元的開關頻率低，可采用特大功率電力電子器件GTO等組成大功率變流裝置，并降低器件開關損耗。 ⑵輸出諧波小，可大大減小濾波器的體積、尺寸。 ⑶等效開關頻率高，傳輸頻帶寬；傳輸線性好，容易引入一些優秀的控制方法。 ⑷各變頻器單元的電路結構完全相同，易于模塊化實現。 7. STS-SVM 電壓空間矢量調制技術（SVM技術）是建立在交流異步電機磁場理論基礎上的一種調制策略，但現在其使用范圍已經不再僅僅局限于電機應用場合，而是一種能夠普遍應用的PWM技術。相對于SPWM技術，SVM技術具有以下優點：（1）直流電壓的利用率比SPWM提高15%；（2）采用最小開關損耗方式調制時，開關器件的開關損耗降低1/3；（3）調制方法便于數字實現。 STS-SVM是受CPS-SPWM技術啟發，融合SVM調制方法而得到一種適合多電平變頻器的空間矢量調制方法[33]。簡而言之就是將各變頻器單元的采樣時間錯開。具體地講，在組合變頻器中， 個變頻器單元在相同頻率調制比 、幅度調制比m下，進行SVM調制；各變頻器單元采樣時間依次相位差為 。STS-SVM技術比較于載波CPS-SPWM技術，有電壓利用率高，開關頻率小，易于數字實現等特點。 靈活多樣的調制技術與豐富的電路拓撲相結合形成各具特色的變流裝置[11-20]。目前已進入研究階段的有基于多電平SVM的二極管鉗位型變頻器、本文提出的CPS-SPWM級聯H型變頻器等。另外，還有一些具有研究前景的方向，如相移單周控制組合變頻器等。 8.仿真和實驗驗證 為了驗證上述結論，本文通過Matlab構造了一個三相電壓型六開關逆變器，頻率調制比取為27，幅度調制比取為0.9。采用調制方法四，線電壓輸出如圖5（a）所示理論頻譜，如圖5（b）所示。可見二者基本相同，表1列出了兩組頻譜中主要諧波的相對幅值（以基波幅值為單位幅值）；經計算，得到兩組頻譜數據的均方差為0.71%。 本文構造了一臺三相AC/DC/AC變頻器，拖動異步電機進行了調速實驗。逆變部分采用電壓型三相六開關電路，采用方法一作為開關調制策略，采樣頻率定為1050Hz。主開關器件使用IR公司的IRFP460，控制電路采用ADI的電機專用DSP芯片ADMCF328。在達到額定頻率（50Hz）時，根據控制原理計算其幅度調制比為0.8，變頻器的輸出線電壓波形如圖2.21（a）所示。通過Tektronix的TDS240示波器將實驗波形的數據采集到計算機中，通過FFT可計算出圖2.21（a）的頻譜如圖2.21（b）所示；而根據式（2-25）可以計算其理論頻譜如圖2.21（c）所示。比較圖2.21（b）和圖2.21（c），可見二者很接近，但存在一定誤差；經計算，得到兩組頻譜數據的均方差為1.73%。實驗頻譜與理論頻譜出現誤差的主要原因有：（1）示波器采集數據的精度不夠高，（2）為防止橋臂短路而設置了死區時間，造成波形畸變。 9.結論 本文在閱讀和分析了國內外文獻的基礎上，比較了多電平變流器幾種典型調制策略的優缺點。CPS-SPWM技術可以在較低的開關頻率下有效地抑制和消除低次諧波，并且具有較寬的傳輸帶寬，是一種適用于大功率電力電子裝置的優秀的開關調制策略。級聯H橋多電平變流器在各種多電平變流器中所需用的元器件數目最少；由于采用獨立直流結構，因此直流側的均壓問題相對容易解決；每個基本單元的電路結構完全一致，更有利于模塊化設計。在并聯有源濾波器系統中，由于直流側不需要提供有功功率，級聯H橋多電平變流器的優勢可以得到充分的發揮； CPS-SPWM技術良好的諧波傳輸特性也可以得到良好的利用。 參考文獻 [1]H. 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