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

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

1 引言

日本学者 A.Nabae于 1980年提出了中点箝位（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，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。

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。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（THD）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

图1为三电平 NPC逆变器的电路结构，其中Sx1～Sx4（其中x=a，b，c）为相x的功率开关，VDx1、 VDx2为相x的箝位二极管，C1、C2为逆变器的母线均压电容。0点为母线电压的中点。

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 三电平逆变器SPWM原理

图2中，以逆变器的a相为例，ur为调制波，uc1为上载波，uc2为下载波。功率开关Sa1和Sa3、Sa2和Sa4的开关状态是互补的。若ur＞uc1，则Sa1开通（Sa3关断），反之Sa1关断（Sa3开通）；若ur＞uc2，则Sa2开通（Sa4关断），反之Sa2关断（Sa4开通）。

当Sa1和Sa2同时开通时，输出相电压为Ud/2；当 Sa2和 Sa3同时开通时，输出相电压为 0；当 Sa3和 Sa4同时开通时，输出相电压为-Ud/2。可见，功率开关 Sa2、Sa3的开通时间大于功率开关 Sa1、Sa4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Sa2、Sa3。

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上的重叠量见图3。

图3 相邻载波重叠量

图3中，设载波的波峰-波谷值为V，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=1时的N电平逆变器调制波的波峰-波谷值为（N-1）Vs，则相邻载波重叠量为V·y，那么

图2是三电平逆变器双载波SPWM的原理图。

式中，m为调制度。

由（4）式知，载波的波峰-波谷值V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V值）的影响。

因0≤y＜1，故1≤V＜2。V=1时，y=0，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1中，对母线中点O点列KCL，得

由于C1=C2，故若io≡0，母线中点电压就没有波动。

式中，1表示x相负载接入O点；0表示x相负载不接入O点。

可见，只要任意一相的负载接入O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

式（11）、（12）中载波比F=fc/fr。相电压uAO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，uAO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

式中，Un为第n次谐波电压有效值；U1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间，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，即要有一段时间两管同时关断；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Td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V、调制度m、死区时间Td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fc为3150Hz，调制波频率fr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V在1～2间取了26组值，m在0～1间取了10组值，Td取了4µs、6µs、9µs共3组值。图4是V=1，m=0.8时逆变器的输出线电压波形。

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，而谐波幅值变化不大，故THD变小。

2）当m≤0.5时，THD最低点从V=1.1左右逐渐增大到1.4左右，当m＞0.5后，THD最低点出现在V=1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V值，整个过程中V≤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V值，也可以选用折中的方法，如取V=1。

（2）死区时间Td取不同值时的m-THD曲线分析

图6 V取不同值时的m-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mmin，当m≤mmin时，THD受死区时间Td的影响较大，V越大，mmin越大，且当m≤mmin时THD随死区时间Td的增大而增大。也就是说V越大，即相邻载波的重叠量越大，THD受死区时间Td的影响越大，这也说明前文得到的使V≤1.4的V值选择方法产生的THD受死区时间Td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低，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V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V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Td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Td的影响较小，效果较好。

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