基于新型开关调制SVM技术实现多电平变流器电路的设计

引言

空间矢量脉宽调制（SVM）技术是目前广泛应用的一种开关调制策略，具有线性调制范围宽，输出谐波小，易于数字实现等优点。空间矢量调制本质上是一种规则采样的脉宽调制，采样频率决定其输出的谐波品质。由于大功率器件（如GT0等）的开关频率普遍较低，因而限制了SVM技术在大功率电力电子装置中的应用。错时采样SVM（STS—SVM）技术是一种高品质的新型开关调制技术。能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性，因而可以适用于大功率电力电子装置的应用场合中中。

多电平变流器由于避免了变压器或电抗器的使用，因而在大功率电力电子装置的发展上有更好的前景。级联型多电平变流器在各种多电平变流器中具有使用元器件最少，直流侧均压容易实现，易于模块化设计和调试等优点。因此，将STS—SVM技术应用于级联型多电平变流器中就可以更充分地发挥两者的优势。

1、 STS—SVM在级联型多电平变流器中的实现

级联型多电平变流器采用若干个低压PWM变流单元直接级联方式实现高压输出。由m个变流器单元级联而成的多电平变流器的电平数为（2m+1）。

级联型多电平变流器具有下述特点：

1）使用的元器件最少，容易实现电平数较高的输出；

2）每个变流器单元的结构相同，便于模块化设计和封装；

3）因为各变流器单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制；

4）直流侧的均压比较容易实现；

5）各变流器单元的工作负荷一致。

STS—SVM技术是SVM技术与多重化、多电平技术的有机结合。它既可以应用于组合变流器中，也可以应用在级联型多电平变流器中。它同时具备了SVM技术和组合相移SPWM技术的优越性。其调制原理简言之就是将各变流器单元的采样时间错开。

对于如图1所示的N级三相级联型多电平变流器，对每个变流器单元的左右桥臂分别进行相同幅度调制比，频率调制比下的SVM控制，并使左右桥臂的采样时间相互错开△t，△t=T／2 （1）

式中：T为开关周期。

这就是桥内STS—SVM的控制方法。

变流器各单元之间则采用桥间STS—SVM控制，相邻两个变流器单元同侧桥臂的采样时间相互错开△t桥间

△t桥间=Ts/2N （2）

采用这种控制方法，当幅度调制比M，足够高时，每个变流器单元的电压输出为三电平。N级三相级联多电平变流器的相电压输出为2N+1电平。

由此可见，采用STS—SVM技术后，实际输出的电压波形相当于所有桥臂调制信号的代数和。因此，N级级联型多电平STS—SVM变流器的等效开关频率提高了2N倍，亦即实际的采样点数目提高了2N倍，与常规SVM技术相比各提高了N倍，从而使电压空间矢量的轨迹更接近于圆形，降低了输出谐波，改善了输出波形。

需要注意，该结论的前提是有足够高的幅度凋制比Mr，因而确切地说，N级三相级联多电平变流器的相电压输出最高为2N+1电平。当Mr小于某临界值时，由于各桥臂的输出脉冲都比较窄，有可能相互错开而无法叠加出应有的电平数。以单级多电平变流器为例，当Mr》0．5时，相电压为三电平，线电压为五电平；当Mr《0 5时，相电压为二电平而线电压为三电平。

幅度调制比Mr与输出电压电平数的具体关系限于篇幅不再赘述。

2、 STS—SVM与其他调制方式在三相级联型多电平变流器中的技术特点比较

在级联型多电平变流器上除了采用STS—SVM控制方式外，常用的调制方法还有：

1）基于定次谐波消除技术（SHE）的阶梯波脉宽调制；

2）载波相移SPWM；

3）多电平SVM技术。

与基于SHE的阶梯波脉宽调制技术相比，STS—SVM技术消除和抑制谐波的能力不受输出电平数的限制，能够方便地实现实时控制，可以应用在对系统有快速反应要求的场合中。

与级联型载波相移SPWM多电平变流器相比较，级联型STS—SVM多电平变流器具有以下优点：

（1）直流电压利用率提高15％，如果采用不连续开关调制模式，器件的开关损耗可降低33% ；

（2）STS—SVM按照跟踪圆形旋转磁场来直接实现对电流（磁场）的控制，因而在电机应用等场合更有优势。

多电平SVM技术是常规SVM技术在空间上的拓展应用。这种调制技术存在的不足在于：

（1）空间电压矢量的数目随着电平数的增加以立方级数迅速扩展，其算法也就越来越复杂，有鉴于此，目前对多电平SVM技术的研究一般在五电平以下；

（2）多电平SVM下开关器件的负荷不均衡也是一个严重的问题，目前还没有较为成熟的解决方案。

与多电平SVM技术相比较，STS—SVM技术是对各桥臂分别进行调制，并不直接控制总的输出的电压矢量。在调制过程中，只须保证各桥臂调制信号本身的对称性和均衡性，就能保证总的开关负荷的均衡性和总输出波形的对称性。在对应于同一电压矢量的不同开关状态的选择上完全是自动的。比较于多电平SVM技术，STS—SVM具有等效开关频率高、输出低次偕波成分少、开关负荷均衡等优点。

3 、实验验证

对于前述的级联型多电平变流器STS—SVM技术，进行了验证实验。

实验主电路结构如图2所示，这是三相级联型STS—SVM多电平变流器的最简形式。其级联数N=l，因而桥内左右桥臂的采样时间错开△t=T8／2［如式（1）所示］。

逆变部分采用三个单相全桥结构，主开关器件采用IR公司的MOSFET管IRF7460，输出按Y型联接直接与三相鼠笼式电机相连。控制算法主要由ADI生产的电机专用DSP芯片ADMCF328实现。

实验中变频器采用转速开环，恒压频比的控制方式。实验电机的额定线电压有效值为100 V，额定额率50Hz，SVM的频率调制比K取21，达到额定时的幅度调制比取O.8。

根据以上的电路设计和参数设置，对实验样机进行了空载实验。

实验中达到额定频率（50Hz）时，变频器的输出线电压波形如图3所示。

额定状态下幅度凋制比M，为0．8，因而输出线电压的电平数应为五电平，与前面的分析相一致。

对图3所示波形进行谐波分析得到其频谱如图4所示。

由图4可见，次数最低的谐波群出现在42（2K=2×21=42）次谐波附近，也与前述级联型多电平STS—SVM变流器的特性相吻合。

额定频率下的电机定子电流波形如图5所示。

变频器的初始工作频率为10Hz，此时的变频器输出线电压波形如图6所示。

根据V／f曲线，此时的幅度调制比为O．28，因此输出线电压应为三电平，也与前面的分析相吻合。此时定子电流波形如图7所示。

4、 结语

STS—SVM技术是一种高品质的新型开关调制技术，是SVM技术与多重化、多电平技术的有机结合。实验结果证明，级联型STS—SVM变流器可以在较低开关频率下实现较高的等效开关频率，其输出波形谐波特性好，正弦度高，开关频率低，工作对称，可直接连接负载而不需添加滤波器，因此，在大功率电力电子应用场合有良好的前景。

责任编辑：gt