级联H桥逆变器调制方法的研究

级联H桥逆变器调制方法的研究【关键词】级联h桥；ps-spwm调试；逆变器

0引言

近年来，多电平逆变器在高压、大功率的领域得到越来越多的关注。多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平逆变器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点。

本文首先对属于基频开关动作的多电平阶梯波pwm方法进行原理分析和仿真，并采用了输出特性更好的ps-pwm将其与级联多电平逆变器结合进行分析。

1多电平阶梯波特定消谐pwm方法

多电平阶梯波pwm就是用阶梯波来逼近正弦波。这种方法的优点是实现简单，开关频率低。在多电平阶梯波调制中，可以通过选择每一电平持续时间长短（或者说开关角度），来控制合成的电压波形。参考图l为7电平的逆变器产生的波形。

特定消谐pwm开关角计算方法：

为了使输出波形谐波少，在图1输出波形中，每个h桥产生的电压在[0，2π]内以π奇对称，[0，π]内以π/2偶对称。通过傅立叶变换，波形偶次谐波为0，奇次谐波幅值为

这里是第m个h桥模块的直流电压，一般来说为了控制简单，直流侧电压都相等设为vdc，α是第m个h桥模块的的开关角度，取值范围是[0，π/2]。如式（1）的3个h桥级联的逆变器，有3个开关角度，可以用3个方程求出来。第1个方程用来得到可调基波分量的幅值，根据需要的电压vo（out），求出调制比m。调制比这样定义

其他2个方程用来消除谐波分量。输出波形本身不含偶次谐波，在三相系统中线电压不含3的倍数次谐波。这样，如果消除5，7次谐波，即使相电压含有3的倍数次谐波，但线电压的最低次谐波是11。

2基于ps-spwm技术的级联型逆变器

级联逆变器主电路由n个单相全桥模块在交流侧串联构成一相桥臂对，直流侧相互独立。相对于二极管箝位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，它还具有自己独到的优点：

（1）结构上易于模块化和扩展。级联型逆变器的每个h桥臂结构相同，易于模块化生产。

（2）级联型逆变器除具有多电平逆变器共同的线电压冗余特性外，还具有相电压冗余特性。对于每相某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合。

（3）便于实现软开关技术。通过对全桥单元加入谐振电感、电容，采用适当的控制策略比较容易实现软开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置的体积。

2.1工作原理

两列三角载波c1（t），c2（t）频率相等、幅值相等、相位互差π/2，分别与正弦调制波us（t）及反相正弦调制波-us（t）进行调制。采用单极倍频ps-spwm技术的级联逆变器相应的工作时序如图4所示，具体调制方法为：

（1）初始相位为0的三角载波c1（t）与调制波us（t）相比较所得的驱动信号t1来驱动单元模块1的左半桥上开关管s1，与t1互补的驱动信号t2来驱动左半桥下开关管s2；

（2）初始相位为0的三角载波c1（t）与反相调制波-us（t）相比较所得的驱动信号t3来驱动单元模块1的右半桥上开关管s3，与t3互补的驱动信号t4来驱动右半桥下开关管s4；

（3）初始相位为π/2的三角载波c2（t）与调制波us（t）相比较所得的驱动信号t1’来驱动单元模块2的左半桥上开关管s1’，与t1’互补的驱动信号t2’来驱动左半桥下开关管s2’；

（4）初始相位为π/2的三角载波c2（t）与反相调制波-us（t）相比较所得的驱动信号t3’来驱动单元模块2的右半桥上开关管s3’，与t3’互补的驱动信号t4’来驱动右半桥下开关管s4’。

2.2仿真验证

为了验证单极倍频ps-spwm技术在级联逆变器中的具体应用，对图2所示的级联逆变器用matlab仿真分析，仿真时调制比取m=0.8，载波比取k=9，直流侧电压vdc的值e=100v，仿真结果如图所示，图3（a）、（b）为单元模块1的输出及频谱，图3（c）、（d）为单元模块2的输出及频谱，它们都是3电平波形，从它们地频谱可以看出，除基波分量外，最低次谐波群出现在900hz附近，其余谐波则主要分布在900hz的倍数附近。

仿真表明，级联逆变器采用ps-spwm技术调制后，具备有ps-spwm技术所固有的优点：在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果；通过低次谐波相互抵消提高等效开关频率，而不是简单地将谐波往高次推移。

2.3技术评价

在各种多电平逆变器拓扑中，在输出同样数量电平情况下，级联型多电平逆变器所需的元器件数目较少；每个基本单元的电路结构完全一致，更有利于模块化设计。

ps-spwm技术能够在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，通过低次谐波的相互抵消提高等效开关频率而不是简单地将谐波向高次推移，因而具有良好的谐波特性，在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波。

3总结

本文对多电平阶梯波pwm方法以及ps-pwm进行了详细的分析和仿真，得出如下结论：ps-spwm技术能抵消较低次开关谐波，提高等效开关频率。具有更好的谐波特性，低次谐波消除得更“干净”。基于ps-spwm技术的级联多电平逆变器非常适于svg等要求较高调节性能的大功率场合，具有广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]刘凤君.多电平逆变器技术及其应用[m].北京：机械工业出版社，2007：213-221.

[2]葛照强，黄守道，周凌.级联式多电平变频器优化控制算法的研究[j].电气应用，2007，26（1）：77-80.

[3]单庆晓，李永东，潘孟春.级联型逆变器的新进展[j].电工技术学报，2004，19（2）：1-9.

[4]朱凌，刘涛，鲁志平，王毅.基于dsp的载波移相多电平pwm实现方法[j].华北电力大学学报，200