功率单元级联型高压变频器的载波移相SPWM算法改进

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功率单元级联型高压变频器的载波移相SPWM算法改进

作者：袁洋波 王湘中

来源：《电子世界》2013年第01期

【摘要】简单介绍了级联型高压变频器的结构及载波移相SPWM控制的工作原理，仿真分析了不同幅值调制比、级联数和移相方式对输出的影响。载波移相SPWM是一种较成熟的高压变频器的控制方式，但是该方法在实现过程中对硬件电路的要求比较高，需占用较多的资源进行计算，本文提出了三角载波幅度调制与正弦调制波幅度调制等效原理，对传统的载波移相技术做了改进，改进后的调制方式在硬件电路中可以大大减小微处理器的计算负担。文章对该方式进行了仿真，验证了其稳定性与可行性。

【关键词】载波移相SPWM；单元级联；高压变频器；仿真分析 1.引言

级联型高压变频器采用多个低压功率单元串联的方式来实现直接高压输出的一种变频器，其不仅具有一般多电平变频器输出电压高，功率器件开关频率低的优势，同时它还具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置的特点[1]。本文首先对载波移相SPWM控制下级联型高压变频系统进行了建模仿真，展示了载波移相控制是一种非常适合于级联型高压变频器的一种SPWM控制方法，它在减小开关频率损耗、抑制低次谐波、提高输出波形质量使之更接近正弦波方面具有独特的优越性[2]，分析了载波移相角以及调制比对输出电压的影响。然后提出了三角载波幅度调制与正弦调制波幅度调制等效原理，基于这个原理在传统的载波移相SPWM基础上做了算法上的改进，并在理论基础上做出了仿真分析。

2.级联型高压变频器的结构及原理

功率单元级联式变频器是将输入高压交流电经过一个隔离变压器变换成为一系列的低压电，再经过交-直-交低压变频后，在逆变侧串联叠加成为高压交流电输出。其基本原理如图1所示（以10KV为例），各功率模块可独立产生0～962V的电压输出，通过适当方式的叠加可在每一相产生0～5772V的电压输出，如采用SPWM的变换方式，可以在线间产生0～10KV的电压。

级联型高压变频器主要包括移相变压器、功率单元、由MCU和FPGA组成的主控电路。网侧电压经过输入变压器给各功率单元供电；每个功率单元的拓扑结构如图2所示，功率单元的电压和级联个数决定了变频器的输出电压，功率单元的电流决定变频器的输出电流；主控电

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路则负责计算产生SPWM脉冲信号。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用功率单元级联的形式，故不存在器件串联引起的电压不均衡的问题[3]。 3.载波移相SPWM控制的模型建立及仿真分析 3.1 载波移相SPWM控制原理

变频器的控制策略对开关损耗、输出电压的谐波等方面有很大的影响。控制策略不同，得到的波形也就会不同，因此谐波特性也会有很大差别，三角载波移相SPWM方法是一种适合于级联型高压变频器的方法。如图3每个功率单元的SPWM脉冲信号由正弦调制波和三角载波比较而产生，每相的各功率单元采用同一个正弦调制波，但相邻模块的三角载波之间存在一定的移相角。这就使各功率单元SPWM脉冲基波的幅值和相位都相同，但是脉冲错开一定的角度。故各功率单元的最终叠加输出电压的等效开关频率大大提高。因此，可以在不提高开关频率的前提下，减少输出的谐波[4]。例如某变频器一相有6个单相逆变桥的两个输出端顺次相连，从而构成串联叠加的方式，控制每个功率单元的输出情况，经叠加后就可以得到一个接近正弦的多阶梯波，如图4所示。 3.2 SPWM脉冲信号的建模

如图5所示为单元SPWM脉冲信号模型，在模型中fm为正弦调制波的频率，m为正弦波的幅值调制度，sinphi为正弦波初始相位，fc为三角载波频率，tphi为三角波的初始相位。 高压变频器的高压是通过每个功率单元叠加输出实现的，每个功率单元都相当于独立的单相输出低压变频器。将上述SPWM脉冲信号模型封装之后与功率单元模型连接，N级联起来，即可得到变频器单相的仿真模型。将单相模块进行复制并移相，可以得到其余两相，可以进行整个高压变频器的仿真。考虑到篇幅，本文只对变频器的某一单相进行仿真分析。 3.3 调制比对输出电压的影响

在载波移相SPWM控制中幅值调制比m是正弦调制波幅值与三角载波幅值之比，它对输出电压有较大的影响。

取级联数N=6，正弦调制波的频率fm=50Hz，三角载波频率载fc=2000Hz，载波移相角为进行仿真。图6左右分别为m=1和m=0.6时相电压波形。表1为幅值调制比m变化对输出电压电平及电流谐波含量影响对比表。

由图7可看出，幅值调制比m=1比m=0.6电压电平数高，波形更接近正弦波。根据表1的仿真数据利用MATLAB的曲线拟合。如图7，可以看出，当调制比小于0.8时THD随着m的减小而增加，输出电压电平数也在逐渐减小。故在设计高压变频器时，综合考虑谐波含量，电压利用率，电平数等因素，应该使调制比较大。一般取0.7