多电平和多重化变流器的PWM技术优化方案

前面提到的各种PWM技术都是针对于常规的变流器（对于电压型变流器来说是两电平变流器，对于电流型变流器来说是三电平变流器）。这些PWM技术不能直接供给多电平变流器或多重化变流器使用。多电平变流器和多重化变流器的PWM技术是根据其自身拓扑结构，通过对常规PWM技术进行改造后得到的。主要有阶梯波脉宽调制、多电平SVM、载波层叠PWM和载波相移PWM等。

3.3.5.1 阶梯波脉宽调制技术

阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波（输出波形见图3-74）。在阶梯波调制过程中，可以通过选择电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除和抑制。

图3-74 阶梯波脉宽调制原理（以七电平为例）

将本来应用于普通两电平变流器的SHEPWM引入级联型多电平变流器，通过优化算法计算出开关角，消除选定的谐波分量，这种方法可称为优化阶梯波脉宽调制技术。这种技术的优点是各器件均工作于基波频率，因此开关频率最低，开关损耗最小（当然通态损耗有所加大），消除谐波效果明显，在电平数足够高的情况下可直接与负载相连而不需设置滤波器。缺点是消除谐波的自由度与电平数相关，在电平数有限的时候，不能很好地达到消除谐波的目的。

为了解决上述问题，可以依照两电平SHEPWM的做法，在各电平台阶上设置凹槽；这样就可以在不增加电平数的基础上消除更多的谐波，但是这样会导致开关频率的有限增加。

阶梯波脉宽调制技术也需要计算开关角，其具体原理与两电平SHEPWM完全一致，这里不再多讲。

3.3.5.2 多电平SVM

多电平SVM技术的基本原理与两电平SVM技术相似，只是开关组合的方式随着电平数的增加而有所增加。其规律是对于m电平变流器，其电压空间矢量的数目为m³个，当然这些电平中有些在空间上是重合的。比如对于三电平变流器，其电压空间矢量的数目为27个，其中独立的电压空间矢量为19个，一个零矢量，18个非零矢量，如图3-75所示。

图3-75 三电平变流器的基本电压矢量图

同样的，在空间旋转坐标系下，对于任意时刻的矢量由相邻的三个非零矢量合成，在一个开关调制周期内对三个非零矢量与零矢量的作用时间进行优化安排，得到PWM输出波形。由于电平数与电压空间矢量的数目之间呈三次方关系，所以多电平SVM技术在电平数较多时受到很大限制。因此目前多电平SVM技术的研究一般只限于五电平以下。

3.3.5.3 载波层叠PWM

载波层叠PWM的基本原理是在N电平变流器中，N-1个具有相同频率和相同幅值的三角载波并排放置，形成载波组。以载波组的水平中线作为参考零线，共同的调制波与其相交，得到相应的开关信号。根据三角载波的相位，这种控制方式可以有三种不同的形式，如图3-76所示。

图3-76 多载波PWM策略的三种方案(www.xing528.com)

在这种控制方式下，变流器的输出特性良好，器件的开关频率较低而等效开关频率较高，输入输出呈线性关系，且能够输出一定的带宽。但器件的导通负载不一致，尤其在深调制的情况下，有的功率器件几乎不动作，而有的功率器件开关频率较高。为了解决在深调制下出现的这种情况，也出现了一些改进的控制方式，如变频载波调制等。至于调制波，可以采用标准正弦波，也可以采用谐波注入正弦波。

3.3.5.4 载波相移PWM

载波相移PWM技术是基于组合变流器提出的开关调制策略，也可以应用在级联型多电平变流器上。以载波相移SPWM技术（Carrier Phase-shifted SPWM，CPS-SPWM）为例（见图3-77），其基本思想为N个变流器单元均采用低开关频率的SPWM，并具有相同的频率调制比k、幅度调制比m和共同的正弦调制信号，而各变流器单元的三角载波的相位依次差2π/（N·k），利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生载波相移SPWM波形。

图3-77 载波相移SPWM技术的原理

除了SPWM技术以外，载波相移PWM技术还采用以下几种调制策略。

1）相移式SHEPWM技术（Phase-shifted Selected Harmonic Elimination PWM）。这种控制方式以传统的定次谐波消除法PWM为基础，在开关角计算中加入预置的相移量，将计算得到的不同相移量的开关角分别用于不同的变流器单元，使得叠加得到的交流侧电压、电流达到谐波最优。

2）错时采样SVM技术（Sample Time Staggered SVM，STS-SVM）。组合变流器STS-SVM技术的调制方法，简而言之就是将各变流器单元的采样时间错开。具体地讲，在组合变流器中，N个变流器单元在相同频率调制比k、幅度调制比m_r下，进行SVM调制。各变流器单元采样时间依次相位差为2π/（N·k）。STS-SVM技术与载波相移SPWM技术相比，具有电压利用率高、开关频率小、易于实现数字化等特点。

除此之外，将其他的一些调制策略，如滞环电流控制、单周控制等，应用在载波相移PWM技术中，也具有一定的研究前景。

载波相移PWM技术具有以下特点：

1）各变流器单元的开关频率低，可采用特大功率电力电子器件GTO等组成大功率变流装置，并降低器件开关损耗。

2）输出谐波小，可大大减小滤波器的体积、尺寸。

3）等效开关频率高，传输频带宽，传输线性好，容易引入一些优秀的控制方法。

4）各变流器单元的电路结构完全相同，易于模块化实现。

5）开关器件的工作负载均衡一致。