三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略的研究
三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略的研究
摘要
本文以中点钳位型三电平逆变器为模型，介绍了载波反向SPWM、载波同向SPWM和基于注入三次谐波SPWM三种控制策略。用MATLAB/Simulink仿真软件对三电平逆变器SPWM 进行了仿真研究；并构建了三电平NPC逆变器实验平台进行了实验研究。仿真和实验结果证实了SPWM方法的有效性。
关键词: 三电平逆变器、脉冲宽度调制、仿真
Abstract: This paper introduces SPWM technology applied to three-level Neutral-point-clamped inverter, presents emphatically the thought and model. Pulse width modulation methods are frequently used in adjusting the output voltage of the three-level Neutral-point-clamped inverter. Several PWM methods are introduced. Simulation and experiment results show that the SPWM method is satisfied and effective.
Key words: Three-level Inverter, Pulse width modulation, Simulation
1绪论
三电平中点箝位（Neutral Point Clamped, NPC）逆变器如图1，自从A.Nabale1980年在IAS年会上提出以来[1]，由于解决了在中高压场合功率元件耐压低的问题，降低了开关过程中的，改善了变换器的输出波形等优点，已经成为当今电力电子和电力传动技术的研究热点。三电平变换器的PWM 控制方法，是三电平变换器研究中的关键技术，国内外专家学者已经提出了许多的PWM方法[2-4]，例如SPWM、准正弦波PWM、特定谐波消除PWM（SHEPWM）、谐波效应最小PWM和空间矢量PWM等。其中SPWM是最简单和成熟的方法，得到了国内外学者的广泛关注。
本文首先简单总结了目前三电平变换器中的拓扑结构，分析和比较了各种拓扑结构的特点。然后介绍了三电平变换器中的各种控制策略，比较了各种控制方法的特点,并详细介绍了载波反向SPWM和载波同向SPWM以及基于注入三次谐波SPWM三种控制策略来实现对二极管箝位型三电平逆变器的控制,最后用仿真工具分别对以上三种控制方式下建立模型进行仿真,并比较仿真结果与实验结果。
2 三电平NPC逆变器SPWM方法
在基于正弦载波的PWM方法中，根据三角载波之间相位关系的排列不同，可以有三种载波层叠PWM方式：
同相层叠方式（Phase Disposition），即所有载波以相同的相位上下排列叠加；
正负反相层叠式（Phase Opposition Disposition），这种方法是使零值以上的载波相位和零值以下的载波相位相反；
交替反向层叠式（Alternative Phase Opposition Disposition），这种方式是指所有相邻载波的相位都相反。载波移相法(PS)和交替反相层叠的方式非常类似。
图3 (a)，（b），（c），（d）所示为四种调制方式的五电平载波PWM示意图。
(a)同相层叠方式 (b) 正负反相层叠方式 (c)交替反向层叠方式 (d) 载波移相方式
图2各种载波调制示意图
这四种载波PWM方法在输出谐波方面有所不同。利用双边傅立叶分析，可以得出这四种载波方法的各次谐波的值，从而得出他们在谐波消除方面的优劣。
（1）载波同相层叠方式（PD）的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能。交替反向层叠式（APOD）次之，正负反相层叠式（POD）效果最差。
（2）APOD和PS有相同的谐波性能，前提是在一个基波周期内总的开关次数相同。
（3）在PS方式下，通过不连续的控制波与移相载波的比较，可以得到类似PD方式的谐波性能。
3 基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真
3.1仿真系统整体框图
如图4所示是三电平NPC逆变器的SPWM控制系统的总体仿真框图，其中Subsystem是由三角载波和三相正弦波比较得到的三相SPWM波发生器；Three－Level Bridge是有二极管箝位型逆变器的拓扑结构，开关器件是IGBT；DC Voltage Source 是直流电源；Series RLC Branch是直流侧箝位电容， Multimeter 是测量电压模块，Powergui是进行频谱分析模块，还有电机负载模型。
图3三电平NPC逆变器的SPWM控制系统的总体仿真框图
3.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块
3.2.1 SPWM开关信号的发生模块
图4 载波反向的SPWM开关信号发生电路
图4是载波反向的SPWM开关信号发生电路。以SPWM开关信号发生器一相为例来说明开关信号是如何形成的， 由三角载波发生器生成的三角波形，首先和正弦波发生器输出的正弦波经过Relational Operator(比较运算模块)这样，在正弦波的正半周形成PWM波；其次三角载波发生器生成的三角波形经过值为－1的增益模块，其波形反向，这个反向的三角波再和正弦波经过Relational Operator(比较运算模块)比较之后，在正弦波的负半周形成PWM波。正、负半周的PWM波经过SUM（信号综合）模块合成这一相完整的PWM波。同理，其他两相的分析相同，这三相的PWM波经过MUX(信号合成)模块后，就合成三电平NPC逆变器的各主控开关的SPWM开关信号。
图5 载波反向图 图6单相PWM波形图
图5是SPWM开关信号发生器显示的三角载波发生器和其经过值为-1的增益后合成的波形，从图中可以看出此PWM调制方式为载波反向调制方式。
图6是SPWM开关信号发生器内，三角载波和正弦波经过比较操作符之后得到的各相波形。
3.2.2仿真结果与分析
仿真参数:直流侧电压Ed=300v，直流侧分压电容C1=C2= 4700e-6；基波频率
，载波频率fs=2000Hz。电机参数： Pn=2238VA,，,Rs=0.435Ω ,,，M=69.31mH, J=0.089kg.m2。
在载波PWM调试和电机负载下，得到仿真波形如图7。
(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图
（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图
图7 基于载波反向SPWM的NPC逆变器输出仿真波形
3.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块
3.3.1 SPWM开关信号的发生模块
图8是载波同向的SPWM开关信号发生电路。其原理与载波反向的SPWM开关信号发生电路类似，限于篇幅，这里就不在赘述。图9是载波同相波形。
图8 载波同向的SPWM开关信号发生电路 图9 载波同相波形
3.3.2仿真结果与分析
仿真参数与上述相同。
在载波PWM调试和电机负载下，得到仿真波形如图10。
(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图
（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图
图10 基于载波同向SPWM的NPC逆变器输出仿真波形
3.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块
3.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块
在正弦调制波中注入三次谐波，能够有效提高调制度，该调制方法称为SFOPWM。图11是SFOPWM开关信号发生电路。图12是正弦波叠加三次谐波之后形成的鞍形波。
图11 SOFPWM开关信号发生器框图 图12 正弦波叠加三次谐波之后形成的鞍形波
3.4.2仿真结果与分析
(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图
（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图
图13 SFOPWM输出仿真波形
相电压正弦波调制信号中叠加三次谐波，则经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含三次谐波且三相的三次谐波相位相同，从上面图13(b)相电压频谱图中可以看出包含三次谐波。但在线电压时，各相电压的三次谐波相互抵消。从线电压频谱分析图可以看出不含三次谐波。
利用双边傅立叶分析，可以得出这三种载波方法的各次谐波的值，从而得出他们在谐波消除方面的优劣载波同相层叠方式（PD）的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能，载波反相层叠方式（POD）的谐波性能次之，三次谐波的SPWM调制方式的谐波性能最差。载波同相的相、线电压THD分别为52.72%、51.09%
载波反相的相、线电压THD分别为16.78%、16.33%。基于注入三次谐波的SPWM调制方式相、线电压THD分别为73.83%、64.96%。
4 三电平NPC逆变器SPWM的实验结果
为进一步证实三电平逆变器SPWM的实际效果，实验室以MOSFET为主开关器件，TMS320LF2407A DSP为核心控制芯片，采用EPM7128E1C8420 FPGA作为驱动信号的外部逻辑分配，构建了三电平NPC逆变器实验平台。负载拖动0.75KW风机，运行频率为50Hz进行了实验研究。本文仅对基于载波同向SPWM调制方式带电机负载的情况进行了实验，实验波形如图14。
(a)相电压波形 (b)线电压波形
图25 三电平NPC逆变器输出波形
由仿真波形和实验波形比较可知：实验结果和仿真结果是基本一致的，说明三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略在输出频率较低良好的波形质量。
5 总结
近年来发展起来的多电平逆变技术与传统的两电平逆变器相比，在理论上可实现不增加开关频率的情况下增加系统的容量、耐压，减少逆变器中功率开关动作时候的dv/dt、di/dt，降低输出端THD等优点，已经成为大容量逆变器的主要拓扑方式。
本文首先简单总结了目前三电平变换器中的拓扑结构，分析和比较了各种拓扑结构的特点。然后介绍了三电平变换器中的各种控制策略，分析和比较了各种控制方法的特点,并详细介绍了载波反向SPWM和载波同向SPWM以及基于注入三次谐波SPWM三种控制策略来实现对二极管箝位型三电平逆变器的控制,最后用仿真工具分别对以上三种控制方式下建立模型进行仿真,并在实验平台上进行了部分实验。
参考文献
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三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略的研究
