級聯(lián)H橋逆變器調(diào)制方法的研究

級聯(lián)H橋逆變器調(diào)制方法的研究【關(guān)鍵詞】級聯(lián)h橋；ps-spwm調(diào)試；逆變器

0引言

近年來，多電平逆變器在高壓、大功率的領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。多電平逆變器作為一種新型的高壓大功率逆變器，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時，克服了兩電平逆變器的諸多缺點，無須輸出變壓器和動態(tài)均壓電路，開關(guān)頻率低，并有開關(guān)器件應(yīng)力小，系統(tǒng)效率高等一系列優(yōu)點。

本文首先對屬于基頻開關(guān)動作的多電平階梯波pwm方法進(jìn)行原理分析和仿真，并采用了輸出特性更好的ps-pwm將其與級聯(lián)多電平逆變器結(jié)合進(jìn)行分析。

1多電平階梯波特定消諧pwm方法

多電平階梯波pwm就是用階梯波來逼近正弦波。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，開關(guān)頻率低。在多電平階梯波調(diào)制中，可以通過選擇每一電平持續(xù)時間長短（或者說開關(guān)角度），來控制合成的電壓波形。參考圖l為7電平的逆變器產(chǎn)生的波形。

特定消諧pwm開關(guān)角計算方法：

為了使輸出波形諧波少，在圖1輸出波形中，每個h橋產(chǎn)生的電壓在[0，2π]內(nèi)以π奇對稱，[0，π]內(nèi)以π/2偶對稱。通過傅立葉變換，波形偶次諧波為0，奇次諧波幅值為

這里是第m個h橋模塊的直流電壓，一般來說為了控制簡單，直流側(cè)電壓都相等設(shè)為vdc，α是第m個h橋模塊的的開關(guān)角度，取值范圍是[0，π/2]。如式（1）的3個h橋級聯(lián)的逆變器，有3個開關(guān)角度，可以用3個方程求出來。第1個方程用來得到可調(diào)基波分量的幅值，根據(jù)需要的電壓vo（out），求出調(diào)制比m。調(diào)制比這樣定義

其他2個方程用來消除諧波分量。輸出波形本身不含偶次諧波，在三相系統(tǒng)中線電壓不含3的倍數(shù)次諧波。這樣，如果消除5，7次諧波，即使相電壓含有3的倍數(shù)次諧波，但線電壓的最低次諧波是11。

2基于ps-spwm技術(shù)的級聯(lián)型逆變器

級聯(lián)逆變器主電路由n個單相全橋模塊在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成一相橋臂對，直流側(cè)相互獨立。相對于二極管箝位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，它還具有自己獨到的優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)上易于模塊化和擴展。級聯(lián)型逆變器的每個h橋臂結(jié)構(gòu)相同，易于模塊化生產(chǎn)。

（2）級聯(lián)型逆變器除具有多電平逆變器共同的線電壓冗余特性外，還具有相電壓冗余特性。對于每相某一輸出電壓，存在多種級聯(lián)單元的狀態(tài)組合。

（3）便于實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)。通過對全橋單元加入諧振電感、電容，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗员容^容易實現(xiàn)軟開關(guān)，從而可以去除緩沖電路，減少散熱裝置的體積。

2.1工作原理

兩列三角載波c1（t），c2（t）頻率相等、幅值相等、相位互差π/2，分別與正弦調(diào)制波us（t）及反相正弦調(diào)制波-us（t）進(jìn)行調(diào)制。采用單極倍頻ps-spwm技術(shù)的級聯(lián)逆變器相應(yīng)的工作時序如圖4所示，具體調(diào)制方法為：

（1）初始相位為0的三角載波c1（t）與調(diào)制波us（t）相比較所得的驅(qū)動信號t1來驅(qū)動單元模塊1的左半橋上開關(guān)管s1，與t1互補的驅(qū)動信號t2來驅(qū)動左半橋下開關(guān)管s2；

（2）初始相位為0的三角載波c1（t）與反相調(diào)制波-us（t）相比較所得的驅(qū)動信號t3來驅(qū)動單元模塊1的右半橋上開關(guān)管s3，與t3互補的驅(qū)動信號t4來驅(qū)動右半橋下開關(guān)管s4；

（3）初始相位為π/2的三角載波c2（t）與調(diào)制波us（t）相比較所得的驅(qū)動信號t1’來驅(qū)動單元模塊2的左半橋上開關(guān)管s1’，與t1’互補的驅(qū)動信號t2’來驅(qū)動左半橋下開關(guān)管s2’；

（4）初始相位為π/2的三角載波c2（t）與反相調(diào)制波-us（t）相比較所得的驅(qū)動信號t3’來驅(qū)動單元模塊2的右半橋上開關(guān)管s3’，與t3’互補的驅(qū)動信號t4’來驅(qū)動右半橋下開關(guān)管s4’。

2.2仿真驗證

為了驗證單極倍頻ps-spwm技術(shù)在級聯(lián)逆變器中的具體應(yīng)用，對圖2所示的級聯(lián)逆變器用matlab仿真分析，仿真時調(diào)制比取m=0.8，載波比取k=9，直流側(cè)電壓vdc的值e=100v，仿真結(jié)果如圖所示，圖3（a）、（b）為單元模塊1的輸出及頻譜，圖3（c）、（d）為單元模塊2的輸出及頻譜，它們都是3電平波形，從它們地頻譜可以看出，除基波分量外，最低次諧波群出現(xiàn)在900hz附近，其余諧波則主要分布在900hz的倍數(shù)附近。

仿真表明，級聯(lián)逆變器采用ps-spwm技術(shù)調(diào)制后，具備有ps-spwm技術(shù)所固有的優(yōu)點：在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果；通過低次諧波相互抵消提高等效開關(guān)頻率，而不是簡單地將諧波往高次推移。

2.3技術(shù)評價

在各種多電平逆變器拓?fù)渲校谳敵鐾瑯訑?shù)量電平情況下，級聯(lián)型多電平逆變器所需的元器件數(shù)目較少；每個基本單元的電路結(jié)構(gòu)完全一致，更有利于模塊化設(shè)計。

ps-spwm技術(shù)能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高開關(guān)頻率的效果，通過低次諧波的相互抵消提高等效開關(guān)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，在提高裝置容量的同時，有效地減小輸出諧波。

3總結(jié)

本文對多電平階梯波pwm方法以及ps-pwm進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真，得出如下結(jié)論：ps-spwm技術(shù)能抵消較低次開關(guān)諧波，提高等效開關(guān)頻率。具有更好的諧波特性，低次諧波消除得更“干凈”。基于ps-spwm技術(shù)的級聯(lián)多電平逆變器非常適于svg等要求較高調(diào)節(jié)性能的大功率場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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