研究与开发 一种三电平ＮＰＣ逆变器相邻 载波重叠量的选择方法 邱世广许春雨 ０３００２４） （太原理工大学电气与动力工程学院，太原摘要 三电平ＮＰＣ逆变器的载波交叠ＰＷＭ在实时控制、减小谐波等方面具有较大的优势。 本文仿真研究了相邻载波的重叠量、调制波的调制度、死区时间等自由度对ＴＨＤ的影响，从而 得到了一种新的相邻载波重叠量的选择方法，该方法能有效降低ＴＨＤ。 关键词：三电平逆变器；ＰＷＭ；死区时间；谐波 Ａ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｖｅｒｌａｐ ｏｆ Ａｄｊ ａｃｅｎｔ Ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ ＮＰＣ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＱｉｕＳｈｉｇｕａｎｇ Ｘｕ Ｃｈｕｎｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ ＮＰＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｃａｒｒｉｅｒ－ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ＰＷＭ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌａｐ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ，ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｄｅａｄ ｔｉｍｅ ｏｎ ＴＨＤ，ｔｈｕｓ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌａｐ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ＴＨＤ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＷＭ．ｄｅａｄ ｔｉｍｅ；ｈａｒｍｏｎｉｃ １ 引言 日本学者Ａ．Ｎａｂａｅ于１９８０年提出了中点箝位 五电平逆变器进行了仿真和谐波分析，指出 ＣＯＰＷＭ．Ａ的谐波含量最低，具有明显的优势， ＣＯＰＷＭ—Ａ调制方法即为载波同相层叠ＰＷＭ方法。 （Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ，简称ＮＰＣ）式三电平结 构，由于其在高压电机控制、谐波抑制、ＵＰＳ电源 等应用中具有很大的优势，三电平逆变器很快得到 了广泛应用。三电平载波ＰＷＭ具有易于实现实时 控制、在大范围的调制比内有很好的性能等优点， 故本文采用载波同相层叠ＰＷＭ方法对三电平逆变 器的双载波ＳＰＷＭ进行了仿真和谐波分析，并研究 了死区时间对ＴＨＤ的影响，从而得到一种低ＴＨＤ 的双载波ＰＷＭ的相邻载波重叠量的选择方法，该 方法可应用于三电平ＵＰＳ电源。具体方法为：每相 采用一个正弦调制波和两个频率、幅值、相位相同 的三角载波相比较，控制该相的四个功率开关，通 在正弦调制波中增加直流量或零序电压后，其控制 性能可与ＳＶＰＷＭ相媲美，若将调制波经过适当的 方法分解为两个，即为双调制波载波ＰＷＭ方法， 则能有效抑制三电平逆变器的中点电位低频波动， 因此三电平载波ＰＷＭ必然会随着控制理论的进 步、功率开关器件技术的提高而不断得到发展，具 有很高的研究价值。 过改变两个载波在垂直方向的重叠量、调制波的调 制度、死区时间这三个自由度进行仿真分析，研究 其对电压谐波总畸变率（ Ｄ）的影响。 ２三电平载波同相层叠ＳＰＷＭ的原理 ２．１ 三电平ＮＰＣ逆变器的结构 文献［１】提出了多电平逆变器的三类载波交叠 ＰＷＭ（Ｃａｒｒｉｅｒ．Ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ＰＷＭ，简称ＣＯＰＷＭ）调 制方法ＣＯＰＷＭ—Ａ、ＣＯＰＷＭ—Ｂ、ＣＯＰＷＭ—Ｃ，并对 图１为三电平ＮＰＣ逆变器的电路结构，其中 Ｓ１～Ｓｘ４（其中ｘ＝ａ，ｂ，Ｃ）为相ｘ的功率开关，ＶＤ小 ２０１１年第４期电皇暑ｉ技术ｌ ２７ 研究与开发 ＶＤ ２为相Ｘ的筘位二极管，Ｃ１、 为逆变器的母线 均压电容。０点为母线电压的中点。 ２．３载波同相层叠ＰＷＭ的载波重叠量 双载波同相层叠ＰＷＭ的两个载波在垂直方向 图１三电平ＮＰＣ逆变器主电路拓扑 ２．２三电平逆变器双载波ＳＰＷＭ的原理 图２是三电平逆变器双载波ＳＰＷＭ的原理图。 Ｏ Ｓａ１ Ｓａ２ Ｓａ４ Ｕａｏ 图２三电平逆变器ＳＰＷＭ原理 图２中，以逆变器的ａ相为例， 为调制波， １ 为上载波，“ ２为下载波。功率开关ｓ ｌ和ｓ ３、Ｓ ２和 Ｓ。 的开关状态是互补的。若 ＞ ｌ，则Ｓ。ｌ开通（Ｓ ３ 关断），反之Ｓ １关断（Ｓ ３开通）；若／２ｒ＞“ ２，则Ｓａ２ 开通（Ｓ。４关断），反之Ｓ。２关断（ｓ。４开通）。 当Ｓ ｌ和Ｓ ２同时开通时，输出相电压为（／ｄ／２； 当ｓ ２和ｓ ３同时开通时，输出相电压为０；当Ｓ。３ 和Ｓ ４同时开通时，输出相电压为． ／２。可见，功 率开关Ｓ ２、Ｓ ３的开通时间大于功率开关Ｓ 。、Ｓ ４ 的开通时间，三电平逆变器的散热设计要重点考虑 功率开关Ｓ ２、Ｓ ３。 ２８ Ｊ电暑詈ｉ技７ｆｔ ２０１ １年第４期 上的重叠量见图３。 ＿１ 八 Ｌ一ｏ１ Ｖ Ｖ＼ 图３相邻载波重叠量 图３中，设载波的波峰一波谷值为 ，相邻载波 交叠部分占每个载波波峰．波谷值的比例为Ｙ，设 ｍ＝ｌ时的Ⅳ电平逆变器调制波的波峰一波谷值为 （Ｎ－１） ，则相邻载波重叠量为 ，那么 ＋Ｖ（１－ ）（Ⅳ－２）＝（Ⅳ－１） （１） （Ｎ－１）（Ｖ－Ｖ￣） （２）— Ｌ Ｊ ’ Ｙ：—＝一ｒⅣ一２）Ｖ 若Ｎ＝３，即为三电平逆变器，则 ｙ一２（ｖ －ｗ） （３） ，使 ＝１，即调制波的波峰．波谷值为２，则 －Ｖ＝一２（ｖＯ ｖ：— （４）—‘｜ Ｖ 三电平载波同相层叠ＰＷＭ调制波的表达式为 ＝ｍｓｉｎｔｏｔ （５） 式中，ｍ为调制度。 由（４）式知，载波的波峰．波谷值 改变，相 当于Ｙ的值改变。此时上载波的峰值纵坐标固定为 １，下载波的谷值纵坐标固定为．１，不受Ｙ值（或 值）的影响。 因０≤ ＜ｌ，故ｌ≤Ｖ＜２。Ｖ＝Ｉ时，ｙ＝Ｏ，相邻 载波不重叠，即为图２。若Ｙ改变，则各功率开关 的开通时间改变，对应不同的ＰＷＭ调制方法。本 文仿真研究了当载波重叠量取不同值时的ＰＷＭ调 制方法对谐波的影响。 ２．４三电平ＮＰＣ逆变器中点电压波动 图ｌ中，对母线中点Ｄ点列ＫＣＬ，得 ／ｏ＝‘一 （６） 由于Ｃ１＝Ｃ２，故若ｆ。；０，母线中点电压就没有 波动。 引入开关函数 ｈ ｓ ｛ ａ，ｂ’ｃ ’ 式中，ｌ表示Ｘ相负载接入。点；０表示 相负载 不接入Ｏ点。 由式（６）一式（７）得 ＝ｓＡ＋ ＋ｓＡ （８） 可见，只要任意一相的负载接入０点（即任意 一相输出０电平），则中点电流ｉｏ＃０，母线中点电压 就会有波动。 ３载波同相层叠ＳＰＷＭ的谐波分析 ３．１三电平载波同相层叠ＳＰＷＭ的相输出电压 ＵＡｏ＝Ｕ∞＋ ｋｎ】 ＋Ｕｋｔ％＋ｎ （９） ．“ ＝ｍ－－ ｓｉ。ｎ ｆ （１０） “ 畔 萎 耐２Ｅ ｚ （ｋｍＴｒ）ｃｏｓ ｑｆ 砉蠢 刚 ２ 式（１１）、（１２）中载波比 。相电压“Ａｏ 中不含直流量，第一项是基波，第二项是载波谐波， 第三项是载波边频带谐波。可见，三电平载波同相 层叠ＳＰＷＭ的谐波主要出现在载波频率附近，提高 载波频率可以有效的减小低次谐波。本式是在不考 虑三电平ＮＰＣ逆变器母线电压、母线中点电压波动 的条件下得到的，考虑电压波动后，“ 。中会含有 直流量，而且谐波增大，本文研究过程中，母线电 压波动、母线中点电压波动不超过母线电压的１％， 因此母线电压波动对谐波的影响可以忽略。 ３．２死区对ＳＰＷＭ谐波的影响 电压谐波总畸变率ＴＨＤ的定义为 ■一 、ＴＨＤ：！！＝ ／ｚｕ： （１３） ｌ 式中， 为第 次谐波电压有效值； 为基波电压 有效值。 在两电平逆变器中，由于功率开关的关断需要 一段时问，故为防止母线短路，开关状态互补的功 率开关切换时要有死区时间，即要有一段时问两管 同时关断；三电平逆变器广泛应用于高压功率变换 器，在控制时必须保证每相的四个功率开关中至少 两个是关断的，以分担母线电压，所以三电平逆变 器的功率开关在切换时也需要死区时间。 理想的ＳＰＷＭ波形除含有载波频率及其边频带 中的高次谐波外，低次谐波几乎不存在。然而死区的 引入使得低次谐波不能完全被消除，故死区时间会对 研究与开发 系统的ＴＨＤ产生较大的影响。本文研究了在不同载 波重叠量时，死区时间ＴＨＤ随乃变化的规律。 ４三电平逆变器载波同相层叠ＳＰＷＭ仿真 ４．１逆变器的仿真 本文仿真研究了当载波的波峰．波谷值 、调制 度ｍ、死区时间 这三个自由度变化时，对三电平 同相层叠双载波ＳＰＷＭ电压谐波总畸变率ＴＨＤ的 影响。载波频率 为３１５０Ｈｚ，调制波频率 为５０Ｈｚ， 对仿真结果进行谐波分析，计算５０次以内谐波的 ＴＨＤ。其中 在ｌ～２问取了２６组值，ｍ在０～１问 取了１０组值， 取了４ｐｓ、６ｐｓ、９Ｂｓ共３组值。图 ４是 １，ｍ＝Ｏ．８时逆变器的输出线电压波形。 “ ４５ｍｓ ｓ 图４三电平ＮＰＣ逆变器的线电压输出波形 ４．２仿真结果分析 （１）调制度ｍ取不同值时的Ｖ－ＴＨＤ曲线分析 图５ ｍ取不同值时的Ｖ－ＴＨＤ曲线 由上面的曲线可知： １）Ｖ相同时，调制度ｍ越大，ＴＨＤ越小。因 为，当ｍ值增大时，输出电压的基波幅值相应增大， ２０１ １年第４期电罨技术Ｉ ２９ 研究与开发 而谐波幅值变化不大，故ＴＨＤ变小。 ２）当ｍ≤Ｏ．５时，ＴＨＤ最低点从Ｖ＝Ｉ．１左右逐 渐增大到１．４左右，当ｍ＞０．５后，ＴＨＤ最低点出现 而增大。也就是说Ｖ越大，即相邻载波的重叠量越 大，ＴＨＤ受死区时间 的影响越大，这也说明前文 得到的使 ≤１．４的Ｖ值选择方法产生的ＴＨＤ受死 在Ｖ＝Ｉ左右。据此可以得到一种选择Ｖ值的方法（即 为选择载波重叠量的方法）：综合考虑ｍ取不同值 时的Ｖ－ＴＨＤ曲线，若三电平ＮＰＣ逆变器经常运行 在某个调制度范围内，那么可以选用在该调制度范 围内使ＴＨＤ最小的 值，整个过程中 ≤１．４；若 三电平逆变器在所有的调制度范围内运行时间比较 平均，则可以根据调制度选用使ＴＨＤ最小的 值， 也可以选用折中的方法，如取Ｖ＝Ｉ。 （２）死区时间死取不同值时的 ．ＴＨＤ曲线分 析 图６ Ｖ取不同值时的Ｊ，１．ＴＨＤ曲线 由上面的曲线可知： １）Ｖ不变的情况下，调制度ｍ越低，死区时间 对ＴＨＤ的影响越大； ２）对比Ｖ在１０个不同取值情况下的ｍ—ＴＨＤ 曲线，每条曲线都有一个临界ｍ点ｍ ． ，当 ≤ ｉ 时，ＴＨＤ受死区时间 的影响较大，Ｖ越大，ｍ ｉ 越大，且当 ≤ ｉ 时ＴＨＤ随死区时间死的增大 ３０ ｌ电耋｜ｉ技７Ｉｔ ２０１１年第４期 区时间 的影响较小。 综上，前文得到的相邻载波重叠量的选择方法， 不但ＴＨＤ ，而且ＴＨＤ受死区时间的影响也小，具 有较高的实用价值，可应用于三电平ＵＰＳ电源。 ５ 结论 本文对三电平同相层叠ＳＰＷＭ在不同的 值、 不同的调制度ｍ下的总谐波畸变率ＴＨＤ进行了仿 真，从而得到了一种低ＴＨＤ的载波 值的选择方法 （即相邻载波重叠量的选择方法），并对死区时间乃 对ＴＨＤ的影响进行了仿真，说明这种相邻载波重叠 量的选择方法受死区时间死的影响较小，效果较好。 参考文献 【１】 何湘宁，陈阿莲．多电平变换器的理论和应用技术［Ｍ】． 北京：机械工业出版社，２００６：４．７． ［２】 陈国呈．ＰＷＭ逆变技术及应用［Ｍ】．北京：中国电力 出版社，２００７：２０—３８． 【３］ 许春雨，陈国呈，孙承波，屈克庆．ＺＶＴ软开关三相 ＰＷＭ逆变器控制策略研究【Ｊ］．电工技术学报，２００４， １９（１１１：３６－４１． 【４］ 田凯，王明彦，刘松斌．新颖的双调制波三电平载波 脉宽调制方法【Ｊ］．中国电机工程学报，２００９，２９（３３）： ５４．５９． ［５】冯纪归，胡存刚，李国丽，利新琴．三电平ＮＰＣ逆变器 载波层叠ＰＷＭ控制方法的研究［Ｊ］．电力电子技术， ２００８．４２（１１１：１－５． 作者简介 邱世广（１９８ｌ一），男，太原理工大学在读硕士研究生，从事电力电 子变换技术及其电机驱动的研究。 许春雨（１９７０．），男，太原理工大学副教授，硕士生导师，从事电 力电子变换技术及其电机驱动的研究。
