多電平逆變器載波PWM控制方法的仿真研究

摘要：討論了多電平逆變器的載波PWM控制方法，介紹了它們的原理，為了比較它們的控制效果，采用Matlab軟件進行了仿真研究，最后根據仿真結果和分析，得出結論，并對今后的研究提出了建議。

關鍵詞：載波PWM；多電平逆變器；仿真

1 引言

近年來，多電平變換器在高壓大功率方面成為研究的熱點，主要是因為它可以用低耐壓的器件實現高壓大功率輸出，無需動態均壓電路，無需變壓器；電平數的增加，改善了輸出電壓波形。目前多電平逆變器的拓撲結構有三種：二極管箝位型逆變器（Diode-clamped inverter），飛跨電容型逆變器(Flying-capacitor inverter)和具有獨立直流電源的級聯型逆變器 (Cascaded-inverters with separate DC sources)。在這三種電路結構中，二極管箝位型應用最為廣泛，二極管箝位型五電平逆變器電路拓撲結構如圖1所示。本文主要討論二極管箝位型多電平逆變器的PWM控制方法。

圖1 二極管箝位型五電平逆變器主電路

多電平逆變器的PWM控制技術是多電平逆變器研究中一個相當關鍵的技術，它與多電平逆變器拓撲結構的提出是共生的，因為它不僅決定多電平逆變的實現與否，而且，對多電平逆變器的電壓輸出波形質量，電路中有源和無源器件的應力，系統損耗的減少與效率的提高都有直接的影響。到目前為止，人們已經提出了大量的多電平變換器PWM控制方法^[1][2]，載波的PWM控制方法和空間電壓矢量法（SVPWM），它們都是兩電平PWM方法在多電平中的擴展。SVPWM方法因其高電壓利用率，低諧波含量以及硬件電路簡單等優點受到了廣泛的關注和應用，但當該方法應用于五電平以上的電路時，它的控制算法會變得非常復雜，因此對于五電平以上的多電平電路，采用三角載波PWM的控制方法是一種較為可行的方案。

2 消諧波PWM法（Subharmonics PWM——SHPWM）

多電平逆變器基于載波的PWM控制方法是兩電平PWM方法在多電平中的擴展，它們的原理都是電路的每相使用一個正弦調制波與幾個三角載波進行比較。

2.1 SHPWM法的原理^[4]

對于一個N電平的變換器，每相采用N－1個具有相同頻率f_c和相同峰卜逯A_c的三角載波與一個頻率為f_m，幅值為A_m的正弦波相比較，為了使N－1個三角載波所占的區域是連續的，它們在空間上是緊密相連且整個載波集對稱分布于零參考的正負兩側。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應的開關器件，反之，如果調制波的幅值小于某個三角波的幅值則關斷該器件。該方法的原理如圖2所示。對于一個N電平的變換器，調制度m_a和載波比m_f定義如下：

m_a=（1）

m_f=（2）

圖2 SHPWM原理

2.2 SHPWM法仿真結果和分析

根據三角載波的相位的不同，SHPWM可分為三種典型的情況：

1）所有載波具有相同相位（PD型）；

2）所有位于零基準以上的載波同相位，所有位于零基準以下的載波具有相反相位（POD型）；

3）所有載波自上而下，交替反相和同相(APOD型)。

針對這三種多電平PWM方法，利用Matlab仿真軟件進行了仿真研究，建立了一個五電平二極管箝位型逆變器，圖3、圖4、圖5分別為調制度為0.8，載波比為21，輸出電壓基波頻率為50Hz時，所得到的仿真波形。

(a) 載波和調制波波形

（b） 相電壓波形

（c） 相電壓頻譜

（d） 線電壓波形

（e） 線電壓頻譜

圖3 PD型SHPWM法仿真波形