畢洪大 ， 劉艷輝 ， 劉金晶 ， 許明夏

（1．中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連116052；2．長春中車軌道車輛有限公司，吉林長春130113；3．動車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116052）

隨著軌道交通領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對大功率逆變器的輸出電能質(zhì)量、系統(tǒng)可靠性和結(jié)構(gòu)體積重量等要求也越來越高。相比于經(jīng)典的兩電平逆變器，三電平逆變器具有輸出諧波低、控制系統(tǒng)簡單、功率器件電壓應(yīng)力小、電磁兼容能力強(qiáng)和有利于逆變器的高頻化等諸多優(yōu)勢，已在大功率工業(yè)場合得到廣泛應(yīng)用。

大功率三電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是關(guān)于其PWM調(diào)制控制策略的研究。目前，最為常用的調(diào)制方式為正弦載波SPWM和電壓空間矢量SVPWM。與SPWM相比，SVPWM具有更高的直流電壓利用率，輸出波形的諧波抑制效果明顯，但是由于常規(guī)的SVPWM調(diào)制策略數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí)計(jì)算量大，在對實(shí)時(shí)控制精度要求高的場合會產(chǎn)生計(jì)算誤差，特別是推廣到多電平時(shí)，控制算法的復(fù)雜性以立方速率上升。

本文通過大功率三電平逆變器電路的研究，對SPWM與SVPWM兩種調(diào)制思想進(jìn)行了分析比較，通過在三相正弦波調(diào)制波中注入零序分量的調(diào)制波的方法，將SPWM與SVPWM進(jìn)行了等效，并給出了具體的等效實(shí)現(xiàn)方法，此方法可使調(diào)制控制軟件和硬件的復(fù)雜性大大降低。此外，本文對SPWM調(diào)制波引入零序電壓基礎(chǔ)上也進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型載波交疊的PWM調(diào)制策略，即同時(shí)充分利用了調(diào)制波注入零序電壓分量、載波幅值變化量和同相載波的垂直方向偏移量三個(gè)控制自由度。

1 傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制方法及存在問題

本文主要針對中點(diǎn)鉗位型（NPC）三電平逆變電路進(jìn)行分析，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路主要由三個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂有四個(gè)IGBT、兩個(gè)鉗位二極管及四個(gè)續(xù)流二極管。此外，兩個(gè)直流支撐電壓串聯(lián)連接，其中點(diǎn)與兩個(gè)鉗位二極管相連接。

圖1 NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的三電平SPWM調(diào)制控制是根據(jù)兩電平SPWM調(diào)制拓展而來，其不同之處在于三電平需要用一個(gè)基準(zhǔn)正弦調(diào)制波同時(shí)與兩組三角載波進(jìn)行相互交接，得到PWM脈沖信號來控制功率開關(guān)管的通斷。兩組三角載波的頻率、幅值相同，其在空間上分為上下兩層進(jìn)行層疊，如圖2所示，以圖中U相橋臂為例。

圖2 三電平同相載波層疊SPWM調(diào)制原理

從圖2可知，傳統(tǒng)的SPWM脈沖調(diào)制控制方法實(shí)際上是一種相控的控制方式，當(dāng)將其擴(kuò)展到m多電平時(shí)，僅需要增加至（m-1）個(gè)載波，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整即可。與SVPWM算法相比傳統(tǒng)SPWM控制算法在多電平逆變器中的復(fù)雜程度變化很小，同時(shí)保證了算法良好的通用性，因此具有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢。但是，采用傳統(tǒng)的SPWM控制算法存在直流電壓利用率不高等問題，所以如何能對其算法進(jìn)行改進(jìn)來提升各方面的性能指標(biāo)是我們亟待解決的問題。

2 SVPWM調(diào)制方法的等效實(shí)現(xiàn)方法

為了能夠揭示三電平逆變器SPWM和SVPWM內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，我們以電壓矢量V在第I扇區(qū)為例進(jìn)行討論，圖3所示為三電平載波SPWM調(diào)制與空間矢量SVPWM開關(guān)序列關(guān)系。

圖3 三電平SPWM調(diào)制與SVPWM開關(guān)序列關(guān)系

當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，圖3中相鄰開關(guān)周期的三角載波PWM調(diào)制信號uga、ugb、ugc可近似為直線。UCR為三相角載波的峰值，電壓矢量V矢量合成中的零矢量時(shí)間為：

由圖3可以得到關(guān)系式如下：

考慮半周期Ts/2上的脈寬調(diào)制則有：

式（1）中T0、T1、T2分別為電壓矢量V0、V1、V2的矢量合成時(shí)間；式（2）中vdc為直流母線電壓；ugab＝ua－uc、ugbc＝ub－uc，且ua、ub、uc為正弦相調(diào)制信號。

為了求得SVPWM與SPWM等效下的三角載波制調(diào)制信號uga、ugb、ugc，如圖3所示，分析三角載波SPWM波形有:

式中：ucr為三角形的載波瞬時(shí)值；UCR為三角形載波的峰值，其滿足0≤t≤Ts／2；

現(xiàn)將式（1）代入式（3），并且將上式（2）進(jìn)行標(biāo)幺化處理，取標(biāo)幺值的基底為UCR＝vdc／2，得到如下關(guān)系式：

式中：

同理可得，合成矢量V在任意一個(gè)扇區(qū)時(shí)，調(diào)制信號的標(biāo)幺值一般表達(dá)式為如下：

由式（7）、（8）、式（9）分析可知，通過向在三相無中線平衡系統(tǒng)中注入零序電壓分量的方式，三電平SPWM輸出電壓波形與SVPWM的波形完全一致，可以達(dá)到一模一樣的調(diào)制效果，可見SVPWM調(diào)制和SPWM調(diào)制在本質(zhì)上統(tǒng)一。如圖4所示，零電壓分量作為兩者的聯(lián)系紐帶，可將SVPWM調(diào)制用傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制方式進(jìn)行等效。圖4給出了等效實(shí)現(xiàn)的方法，其擴(kuò)展到多電平逆變電路依然成立。

圖4 三電平SVPWM等效實(shí)現(xiàn)框圖

這種引入零電壓的SPWM調(diào)制控制方法，注入的零序電壓分量是三相正弦波瞬時(shí)值的最大值與最小值的平均值，致使系統(tǒng)輸出相電壓的波形不再為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同時(shí)可將其調(diào)制最大系數(shù)m從1增加至1.1547，提高了直流電壓利用率，其載波信號與調(diào)制波示意圖如圖5所示。

圖5 引入零序分量的SPWM載波信號與調(diào)制波示意圖

圖5中Ug1為傳統(tǒng)SPWM控制調(diào)制波信號；Ug0為引入零序電壓分量的SPWM控制調(diào)制波信號；Uc為同相疊層載波信號。從波形圖看，本方法雖然通過零電壓分量的引入改變了相電壓調(diào)制波的波形，可是在三相無中線平衡系統(tǒng)中零序電壓分量無法構(gòu)成零序電流，即線電壓中沒有零序電壓成分，所以輸出線電壓的波形仍然為正弦波形，引入零序電壓分量的SPWM調(diào)制方法對應(yīng)簡化SVPWM控制算法具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 載波交疊的新型SPWM調(diào)制方法

本文在SPWM脈沖調(diào)制波中引入零序電壓分量的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的優(yōu)化，提出了一種引入零電壓分量的載波交疊的新型SPWM調(diào)制方法，其針對三電平逆變器控制電路的控制原理框圖如圖6所示。

圖6 載波交疊控制原理框圖

PWM載波和調(diào)制波的控制方法如圖7所示，通過改變同相三角載波垂直方向上的偏移量，使兩載波產(chǎn)生交疊，即可以同時(shí)充分利用調(diào)制波注入零序電壓分量、載波的幅值和垂直偏移量三個(gè)控制方向的自由度。

圖7 載波和調(diào)制波示意圖

Ug0為調(diào)制波信號；Uc1、Uc2為同相疊層載波信號，λ為同相疊層載波的幅值，k＊λ為兩載波交疊的距離，k與λ存在如下關(guān)系：

利用本文提出的新型載波交疊SPWM調(diào)制控制方法與引入零序電壓分量的載波SPWM調(diào)制方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)對比分析，調(diào)制度m的數(shù)值從0.2～1進(jìn)行變化，分別記錄對比系統(tǒng)從低調(diào)制度到高調(diào)制度下，輸出線電壓諧波含量數(shù)值（THD）差異曲線如圖8所示。

圖8 不同調(diào)制度下輸出線電壓THD對比

在較高的調(diào)制度m時(shí)，采用引入零電壓的三電平SPWM調(diào)制控制方法與本文提出的新型載波交疊SPWM調(diào)制控制方法的電壓總諧波含量數(shù)值區(qū)別不大，但是在低調(diào)制度m下，采用新型載波交疊SPWM調(diào)制控制方法對電壓諧波的抑制作用的效果十分明顯，系統(tǒng)輸出線電壓的THD顯著降低。即從試驗(yàn)結(jié)果看，新型載波交疊SPWM調(diào)制控制方法在同樣具有提供直流電壓利用率的同時(shí)，還能有效改善系統(tǒng)在低調(diào)制度下的電壓諧波。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文理論分析的正確性，利用MATLAB軟件的Smiulink搭建了三電平NPC逆變器仿真平臺，對上述結(jié)論進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)為:直流母線總電壓Udc=1500V，直流母線電容的容值Cin1（Cin2）=1100uF，開關(guān)頻率fs=1.5KHz，額定功率240kVA。

4.1 注入零序電壓分量的三電平SPWM調(diào)制試驗(yàn)

首先我們采用向正弦調(diào)制波中注入零序電壓分量且載波為同相疊層的SPWM進(jìn)行仿真，其調(diào)制波與載波的仿真波形如圖9所示。

圖9 注入零序電壓分量的SPWM調(diào)制信號和載波信號

從波形上看，調(diào)制波信號中注入零電壓分量后與SVPWM的調(diào)制波形完全一致，其直流電壓利用率明顯提高。另分別對其在調(diào)制度為m=0.9、m=0.3的情況進(jìn)行仿真分析，其仿真波形如圖10和圖11所示。

圖10 調(diào)制度m=0.9時(shí)的仿真波形

圖11 調(diào)制度m=0.3時(shí)的仿真波形

4.2 引入載波交疊的新型SPWM調(diào)制試驗(yàn)

同時(shí)引入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調(diào)制方法的調(diào)制波與載波的仿真波形如圖12所示，本文采用50%載波幅值的交疊量進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖12 新型SPWM調(diào)制信號和載波信號仿真波形

從仿真波形上看新型SPWM調(diào)制方法，同樣具有提供直流電壓利用率的特點(diǎn)，本文分別對調(diào)制度為m=0.9、m=0.3，即在高、低調(diào)制度情況下進(jìn)行仿真分析，其輸出線電壓Uab的FFT分析如圖13所示。

圖13 采用新型SPWM調(diào)制在不同調(diào)制度下的線電壓Uab的FFT分析

與4.1節(jié)仿真結(jié)果進(jìn)行對比可知，在較高的調(diào)制度m時(shí)，采用兩種SPWM調(diào)制控制方法的輸出線電壓總諧波差異不大，但是在低調(diào)制度m下，采用新型載波交疊PWM調(diào)制控制方法與傳統(tǒng)SPWM方法相比電壓諧波顯著降低。仿真結(jié)果表明電壓諧波抑制作用的效果十分明顯，新型SPWM調(diào)制方法可以有效地改善系統(tǒng)在低調(diào)制度的輸出特性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的新型三電平NPC逆變器控制策略的正確性，搭建了應(yīng)用于地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)的三電平NPC逆變器，其電氣參數(shù)與上述仿真參數(shù)一致,DSP控制器采用TMS320F28335，樣機(jī)及三電平功率模塊如圖14所示。

圖14 三電平地鐵輔助電源系統(tǒng)

三電平逆變器在帶載運(yùn)行時(shí)，采用注入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調(diào)制方法，其濾波電感前后線電壓Ubc波形如圖15所示。從圖中可以看出濾波電感前線電壓為三電平階梯波，經(jīng)過濾波后變?yōu)檎译妷骸?/p>

為進(jìn)一步驗(yàn)證采用不同調(diào)制方法和不同的調(diào)制度下的控制效果，利用樣機(jī)平臺對其輸出線電壓的50次諧波以內(nèi)的THD數(shù)值進(jìn)行分析，如表1所示。

圖15 濾波器前后輸出線電壓波形

表1 不同調(diào)制和不同調(diào)制度下諧波對比

通過樣機(jī)試驗(yàn)分析可知，采用兩種不同PWM調(diào)制方法的諧波特性在高調(diào)制度下差異不大，但在低調(diào)制度下，采用本文提出的載波交疊新型SPWM調(diào)制方法輸出線電壓的諧波含量顯著降低，其抑制調(diào)制度下諧波能力更優(yōu)。

6 結(jié)論

針對大功率三電平NPC逆變器，首先指出了傳統(tǒng)的三電平SPWM控制算法實(shí)現(xiàn)的方法和亟待解決的問題，對三電平SPWM與SVPWM兩種調(diào)制思想進(jìn)行了詳細(xì)的對比研究，并通過在三相正弦波調(diào)制波中注入零序分量的調(diào)制方法，將SPWM與SVPWM進(jìn)行了等效，通過改進(jìn)此算法有效地提高了直流電壓利用率。此外，為了改善系統(tǒng)在低調(diào)制度下的輸出電壓波形的諧波特性，本文還提出了一種利用調(diào)制波注入零序電壓分量、載波幅值變化量和同相載波的垂直方向偏移量三個(gè)控制自由度的調(diào)制方法，即引入零電壓分量和載波交疊的新型SPWM調(diào)制控制方式，最后通過搭建三電平逆變器軟件仿真平臺和樣機(jī)試驗(yàn)平臺充分驗(yàn)證了控制方法的正確性和有效性。