摘要：級聯型中高壓變頻器都是由低壓單元串聯組成，低壓的一些控制方法也可以應用在級聯型中高壓變頻器的場合中。本文主要研究基于載波的SPWM技術在級聯型中高壓變頻器中的應用，其中載波相移SPWM技術、同步相移SPWM技術、消諧波技術和優化的PWM技術是針對傳統級聯型逆變器的控制方法，混合載波頻率調制的SPWM技術是應用在混合級聯型逆變器中。

關鍵詞：中高壓變頻器 逆變器 SPWM 諧波

一、級聯型中高壓變頻器的控制方法

由于級聯型中高壓變頻器都是由低壓單元串聯組成，因此，低壓的一些控制方法可以應用在級聯型中高壓變頻器的場合中。基于載波的SPWM控制方法是最常用的多電平PWM控制方法之一，它是兩電平SPWM技術在多電平中的直接拓展。由于中高壓逆變器電路拓撲的復雜性和多樣性，與兩電平逆變器相比，其控制方法也更加多樣化。本文主要研究基于載波的SPWM技術在級聯型中高壓變頻器中的應用，其中載波相移SPWM技術、同步相移SPWM技術、消諧波技術和優化的PWM技術是針對傳統級聯型逆變器的控制方法，混合載波頻率調制的SPWM技術是應用在混合級聯型逆變器中。

(一)載波相移SPWM技術(CarrierPhaseShiftingSPWM—CPS—SPWM)

級聯型逆變器是以電壓型單相H-橋為基本單元。載波相移SPWM調制方法的基本原理是，對于由個單元H-橋組成的單相逆變器，各個單元H-橋都采用低開關頻率的SPWM的調制方法，每個單元H-橋都采用同一個調制波，用個三角載波分別進行調制，各三角載波具有相同的頻率和幅值，但相位依次相差固定的角度，從而使每個單元H-橋輸出的SPWM脈沖錯開一定的角度，等效開關頻率大大增加，經過疊加后逆變器最終輸出的波形是一個多電平的階梯波，選擇合適的相移角度就能使輸出電壓的諧波含量大幅度減少。利用相移SPWM技術進行調制的三相逆變器，三相正弦波依次相差120°，每相各單元載波的變化如上所述。

每個單元H-橋均采用SPWM調制，載波比為kc，載波頻率為fc，采用不同的調制方法，輸出電壓波形也有差異。本文采用單極性調制，N個載波依次相移π/Nkc角度，N個SPWM脈沖錯開一定的角度，等效載波頻率為2Nfc，輸出的相電壓是2N1個電平的階梯波，星型或三角形連接的三相變流器的輸出線電壓是4N+1個電平的階梯波。載波相移SPWM的原理示意圖如圖1-1所示。由5個單元H-橋組成的逆變器，載波n1用來調制第n個單元模塊的一個橋臂(n=1,2,3,4,5)。

圖1-1載波相移SPWM的原理示意圖

在每個單元模塊中，SPWM的控制方式常用單電壓極性方式。對于單相全橋逆變電路，由于電路中含有兩個橋臂，四只功率開關管，為實現單電壓極性的SPWM切換，方式如下：

圖1-2單電壓極性切換逆變器的輸出波形(N=10)

如圖1-2所示，載波為全波三角波，正弦波大于三角波的部分，晶體管VT1導通，逆變器同一橋臂上下兩個開關器件交替通斷，處于互補的工作方式。UA0=US/2;小于部分，晶體管VT4導通，UA0=-US/2，每半個基波周期內加在負載上的電壓方向不變，極性在“零”和“正”之間跳變。具體輸出波形如圖1-2所示，其中N=10,從圖中可以看到UA0和UB0在一個基波周期內有10個矩形脈沖，UAB在一個基波周期內有20個脈沖,即在輸出端的頻率為開關頻率的2倍，產生了倍頻現象。

與雙電壓極性切換PWM逆變器相比，它能夠在開關頻率不變的情況下，使一個周期內正弦波包含的矩形脈沖數“加倍”，有利于減小諧波。若載波比為偶數，則低次諧波將出現在2ft的邊帶上。這是因為左橋臂的輸出電壓UA0和右橋臂的輸出電壓UB0相位角相差180度;N為偶數時，UA0和UB0在開關頻率處的諧波分量相位相同，于是輸出電壓UAB=UA0-UB0在開關頻率處的諧波可以相互抵消，開關頻率處的邊帶隨之消失。

載波相移SPWM技術是專門針對級聯型變換器提出的，它具有控制方法簡單，電平階數多，等效開關頻率高，諧波含量小，傳輸帶寬寬，控制線形度好的優點，是級聯型變流器普遍采用的方法。

(二)同步相移SPWM技術(SynchronousCarrierPhaseShiftingSPWM–SCPSPWM)

這種方法同載波相移SPWM技術一樣，具有電平階數多，諧波含量小，等效開關頻率提高到單元模塊開關頻率的2N倍，因此，輸出波形也非常接近正弦波。相對于載波相移SPWM技術，同步相移SPWM的主要優點是計算方法非常簡單，節約了大量的時間，且單元模塊的程序易于實現統一化，可以很方便的應用于實際系統中。

同步相移SPWM的基本原理是，N個單元模塊組成的單相逆變器，其調制波不是一個，而是有N個幅值和頻率相同的調制波，這N個調制波同載波一樣依次相移π/Nkc角度。這樣每個單元模塊的PWM脈沖完全一樣，只是各個單元模塊間依次錯開固定的時間開始發波。因此，相對于載波相移SPWM技術而言，只需計算第一個PWM脈沖的采樣值，依次錯開固定時間后分別觸發其它N-1個單元H-橋，不需要計算5個PWM脈沖的采樣值，大大減少了計算量。由5個單元H-橋組成的單相級聯型逆變器，圖1-3是同步相移SPWM的原理示意圖，載波n1用來調制第n個單元模塊的一個橋臂(n=1,2,3,4,5)，ABCDE五個正弦波分別是五個單元模塊的調制波。

(三)多電平消諧波技術(Subharmonic—SHPWM)

SHPWM技術的基本原理是每相使用一個正弦調制波與幾個三角載波進行比較，以一個n電平的逆變器為例，每相采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰值Am的三角載波與一個頻率為fm，幅值為Am的正弦調制波相比較，在正弦波與三角波相交的時刻，如果正弦波的幅值大于某個三角載波幅值，則開通相應得開關器件，反之，則關斷該器件，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在零參考的正負兩側。對于一個n電平的逆變器，幅度調制比和調制度分別為：

ma=Am(n-1)Ac(1-1)

mf=fcfm(1-2)

圖1-4多電平消諧波技術(SHPWM)原理示意圖

根據載波相位的不同，SHPWM調制方法可以分為以下三種情況：1)所有載波自上而下相位交替反向和同相，稱為APOD型;2)所有位于0以上的載波同相位，所有位于0以下的載波具有相反的相位，稱為POD型;3)所有載波的相位相同，稱為PD型。

(四)優化的PWM調制方法

在低壓逆變器中，直流電壓利用率是指當調制度M=1時，逆變器輸出的基波電壓幅值與直流電源電壓Udc的比值。提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力。通過對SPWM輸出波形的諧波分析可知，SPWM三相逆變器輸出線電壓的基波幅值為3MUdc/2，線電壓直流電壓利用率只有3/2≈0.866<1，直流電壓利用率不高，這是SPWM的缺點之一。為了提高直流電壓利用率，在SPWM技術的基礎上，主要有幾種優化PWM調制方法：線電壓控制的三相SPWM技術、空間矢量法、優化階梯波脈寬調制等。這幾種方法的共同點是：將正弦波的峰值消成平頂波，以增大調制度，從而提高直流電壓利用率。利用SPWM進行調制的級聯型變頻器，不可避免的具有直流電壓利用率低的缺點。因此，本文將普通逆變器常用的幾種方法引用到級聯型中高壓變頻器中，并進行相應的仿真分析。注意，此時所說的調制度M是指正弦波的幅值與載波幅值之比。