大功率三电平逆变器SPWM载波调制策略研究

毕洪大 ， 刘艳辉 ， 刘金晶 ， 许明夏

（1．中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连116052；2．长春中车轨道车辆有限公司，吉林长春130113；3．动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，辽宁大连116052）

随着轨道交通领域的迅速发展，对大功率逆变器的输出电能质量、系统可靠性和结构体积重量等要求也越来越高。相比于经典的两电平逆变器，三电平逆变器具有输出谐波低、控制系统简单、功率器件电压应力小、电磁兼容能力强和有利于逆变器的高频化等诸多优势，已在大功率工业场合得到广泛应用。

大功率三电平逆变器的关键技术之一就是关于其PWM调制控制策略的研究。目前，最为常用的调制方式为正弦载波SPWM和电压空间矢量SVPWM。与SPWM相比，SVPWM具有更高的直流电压利用率，输出波形的谐波抑制效果明显，但是由于常规的SVPWM调制策略数字化实现时计算量大，在对实时控制精度要求高的场合会产生计算误差，特别是推广到多电平时，控制算法的复杂性以立方速率上升。

本文通过大功率三电平逆变器电路的研究，对SPWM与SVPWM两种调制思想进行了分析比较，通过在三相正弦波调制波中注入零序分量的调制波的方法，将SPWM与SVPWM进行了等效，并给出了具体的等效实现方法，此方法可使调制控制软件和硬件的复杂性大大降低。此外，本文对SPWM调制波引入零序电压基础上也进行了改进，提出了一种新型载波交叠的PWM调制策略，即同时充分利用了调制波注入零序电压分量、载波幅值变化量和同相载波的垂直方向偏移量三个控制自由度。

1 传统的SPWM调制方法及存在问题

本文主要针对中点钳位型（NPC）三电平逆变电路进行分析，拓扑结构如图1所示，该电路主要由三个桥臂构成，每个桥臂有四个IGBT、两个钳位二极管及四个续流二极管。此外，两个直流支撑电压串联连接，其中点与两个钳位二极管相连接。

图1 NPC三电平拓扑结构

传统的三电平SPWM调制控制是根据两电平SPWM调制拓展而来，其不同之处在于三电平需要用一个基准正弦调制波同时与两组三角载波进行相互交接，得到PWM脉冲信号来控制功率开关管的通断。两组三角载波的频率、幅值相同，其在空间上分为上下两层进行层叠，如图2所示，以图中U相桥臂为例。

图2 三电平同相载波层叠SPWM调制原理

从图2可知，传统的SPWM脉冲调制控制方法实际上是一种相控的控制方式，当将其扩展到m多电平时，仅需要增加至（m-1）个载波，并进行适当的调整即可。与SVPWM算法相比传统SPWM控制算法在多电平逆变器中的复杂程度变化很小，同时保证了算法良好的通用性，因此具有非常大的应用优势。但是，采用传统的SPWM控制算法存在直流电压利用率不高等问题，所以如何能对其算法进行改进来提升各方面的性能指标是我们亟待解决的问题。

2 SVPWM调制方法的等效实现方法

为了能够揭示三电平逆变器SPWM和SVPWM内在的本质联系，我们以电压矢量V在第I扇区为例进行讨论，图3所示为三电平载波SPWM调制与空间矢量SVPWM开关序列关系。

图3 三电平SPWM调制与SVPWM开关序列关系

当调制频率很高时，图3中相邻开关周期的三角载波PWM调制信号uga、ugb、ugc可近似为直线。UCR为三相角载波的峰值，电压矢量V矢量合成中的零矢量时间为：

由图3可以得到关系式如下：

考虑半周期Ts/2上的脉宽调制则有：

式（1）中T0、T1、T2分别为电压矢量V0、V1、V2的矢量合成时间；式（2）中vdc为直流母线电压；ugab＝ua－uc、ugbc＝ub－uc，且ua、ub、uc为正弦相调制信号。

为了求得SVPWM与SPWM等效下的三角载波制调制信号uga、ugb、ugc，如图3所示，分析三角载波SPWM波形有:

式中：ucr为三角形的载波瞬时值；UCR为三角形载波的峰值，其满足0≤t≤Ts／2；

现将式（1）代入式（3），并且将上式（2）进行标幺化处理，取标幺值的基底为UCR＝vdc／2，得到如下关系式：

式中：

同理可得，合成矢量V在任意一个扇区时，调制信号的标幺值一般表达式为如下：

由式（7）、（8）、式（9）分析可知，通过向在三相无中线平衡系统中注入零序电压分量的方式，三电平SPWM输出电压波形与SVPWM的波形完全一致，可以达到一模一样的调制效果，可见SVPWM调制和SPWM调制在本质上统一。如图4所示，零电压分量作为两者的联系纽带，可将SVPWM调制用传统的SPWM调制方式进行等效。图4给出了等效实现的方法，其扩展到多电平逆变电路依然成立。

图4 三电平SVPWM等效实现框图

这种引入零电压的SPWM调制控制方法，注入的零序电压分量是三相正弦波瞬时值的最大值与最小值的平均值，致使系统输出相电压的波形不再为标准正弦波，同时可将其调制最大系数m从1增加至1.1547，提高了直流电压利用率，其载波信号与调制波示意图如图5所示。

图5 引入零序分量的SPWM载波信号与调制波示意图

图5中Ug1为传统SPWM控制调制波信号；Ug0为引入零序电压分量的SPWM控制调制波信号；Uc为同相叠层载波信号。从波形图看，本方法虽然通过零电压分量的引入改变了相电压调制波的波形，可是在三相无中线平衡系统中零序电压分量无法构成零序电流，即线电压中没有零序电压成分，所以输出线电压的波形仍然为正弦波形，引入零序电压分量的SPWM调制方法对应简化SVPWM控制算法具有非常大的现实意义。

3 载波交叠的新型SPWM调制方法

本文在SPWM脉冲调制波中引入零序电压分量的基础上做了进一步的优化，提出了一种引入零电压分量的载波交叠的新型SPWM调制方法，其针对三电平逆变器控制电路的控制原理框图如图6所示。

图6 载波交叠控制原理框图

PWM载波和调制波的控制方法如图7所示，通过改变同相三角载波垂直方向上的偏移量，使两载波产生交叠，即可以同时充分利用调制波注入零序电压分量、载波的幅值和垂直偏移量三个控制方向的自由度。

图7 载波和调制波示意图

Ug0为调制波信号；Uc1、Uc2为同相叠层载波信号，λ为同相叠层载波的幅值，k＊λ为两载波交叠的距离，k与λ存在如下关系：

利用本文提出的新型载波交叠SPWM调制控制方法与引入零序电压分量的载波SPWM调制方法进行仿真试验对比分析，调制度m的数值从0.2～1进行变化，分别记录对比系统从低调制度到高调制度下，输出线电压谐波含量数值（THD）差异曲线如图8所示。

图8 不同调制度下输出线电压THD对比

在较高的调制度m时，采用引入零电压的三电平SPWM调制控制方法与本文提出的新型载波交叠SPWM调制控制方法的电压总谐波含量数值区别不大，但是在低调制度m下，采用新型载波交叠SPWM调制控制方法对电压谐波的抑制作用的效果十分明显，系统输出线电压的THD显著降低。即从试验结果看，新型载波交叠SPWM调制控制方法在同样具有提供直流电压利用率的同时，还能有效改善系统在低调制度下的电压谐波。

4 仿真验证

为验证本文理论分析的正确性，利用MATLAB软件的Smiulink搭建了三电平NPC逆变器仿真平台，对上述结论进行了仿真验证。仿真参数为:直流母线总电压Udc=1500V，直流母线电容的容值Cin1（Cin2）=1100uF，开关频率fs=1.5KHz，额定功率240kVA。

4.1 注入零序电压分量的三电平SPWM调制试验

首先我们采用向正弦调制波中注入零序电压分量且载波为同相叠层的SPWM进行仿真，其调制波与载波的仿真波形如图9所示。

图9 注入零序电压分量的SPWM调制信号和载波信号

从波形上看，调制波信号中注入零电压分量后与SVPWM的调制波形完全一致，其直流电压利用率明显提高。另分别对其在调制度为m=0.9、m=0.3的情况进行仿真分析，其仿真波形如图10和图11所示。

图10 调制度m=0.9时的仿真波形

图11 调制度m=0.3时的仿真波形

4.2 引入载波交叠的新型SPWM调制试验

同时引入零电压分量和载波交叠的新型SPWM调制方法的调制波与载波的仿真波形如图12所示，本文采用50%载波幅值的交叠量进行仿真验证。

图12 新型SPWM调制信号和载波信号仿真波形

从仿真波形上看新型SPWM调制方法，同样具有提供直流电压利用率的特点，本文分别对调制度为m=0.9、m=0.3，即在高、低调制度情况下进行仿真分析，其输出线电压Uab的FFT分析如图13所示。

图13 采用新型SPWM调制在不同调制度下的线电压Uab的FFT分析

与4.1节仿真结果进行对比可知，在较高的调制度m时，采用两种SPWM调制控制方法的输出线电压总谐波差异不大，但是在低调制度m下，采用新型载波交叠PWM调制控制方法与传统SPWM方法相比电压谐波显著降低。仿真结果表明电压谐波抑制作用的效果十分明显，新型SPWM调制方法可以有效地改善系统在低调制度的输出特性。

5 试验验证

为了进一步验证本文提出的新型三电平NPC逆变器控制策略的正确性，搭建了应用于地铁车辆辅助电源系统的三电平NPC逆变器，其电气参数与上述仿真参数一致,DSP控制器采用TMS320F28335，样机及三电平功率模块如图14所示。

图14 三电平地铁辅助电源系统

三电平逆变器在带载运行时，采用注入零电压分量和载波交叠的新型SPWM调制方法，其滤波电感前后线电压Ubc波形如图15所示。从图中可以看出滤波电感前线电压为三电平阶梯波，经过滤波后变为正弦电压。

为进一步验证采用不同调制方法和不同的调制度下的控制效果，利用样机平台对其输出线电压的50次谐波以内的THD数值进行分析，如表1所示。

图15 滤波器前后输出线电压波形

表1 不同调制和不同调制度下谐波对比

通过样机试验分析可知，采用两种不同PWM调制方法的谐波特性在高调制度下差异不大，但在低调制度下，采用本文提出的载波交叠新型SPWM调制方法输出线电压的谐波含量显著降低，其抑制调制度下谐波能力更优。

6 结论

针对大功率三电平NPC逆变器，首先指出了传统的三电平SPWM控制算法实现的方法和亟待解决的问题，对三电平SPWM与SVPWM两种调制思想进行了详细的对比研究，并通过在三相正弦波调制波中注入零序分量的调制方法，将SPWM与SVPWM进行了等效，通过改进此算法有效地提高了直流电压利用率。此外，为了改善系统在低调制度下的输出电压波形的谐波特性，本文还提出了一种利用调制波注入零序电压分量、载波幅值变化量和同相载波的垂直方向偏移量三个控制自由度的调制方法，即引入零电压分量和载波交叠的新型SPWM调制控制方式，最后通过搭建三电平逆变器软件仿真平台和样机试验平台充分验证了控制方法的正确性和有效性。