NPC三电平逆变器PWM调制方案优化

PWM调制策略是三电平光伏并网逆变器的关键技术之一，通过改变三电平逆变器的开关占空比，以取得所期望的输出电压或电流。调制策略会影响光伏并网系统中三电平逆变器的直流电压利用率、直流侧中点电位和能量转化效率。另外，当三电平逆变器并联时其调制策略会影响三电平逆变器之间的零序环流。常见的三电平PWM调制策略包括同相载波正弦脉宽调制（PDSPWM）、反相载波正弦脉宽调制（PODSPWM）、空间矢量调制（SVPWM）、断续调制（DPWM）和无小矢量参与的空间矢量调制（LMZVM）等。简要介绍如下。

4.6.2.1 基于载波调制的PWM调制策略

对于三电平逆变器而言，基于载波调制的PWM调制策略，是指调制波与一组上下层叠的载波比较得到开关脉冲信号的调制策略。采用两个幅值和频率相同的三角载波信号，上下层叠并对称分布在调制波信号的正、负半周期。当采用正弦波信号作为三电平调制波信号进行调制时，其调制策略也被称为三电平正弦脉宽调制，即三电平SPWM。

常见的三电平SPWM技术包括同向载波PDSPWM和反向载波PODSPWM两种调制策略。

1.PDSPWM调制策略

PDSPWM调制策略的原理如图4-76a所示，其中三角载波上下层叠，两者具有相同的相位，调制波为正弦波，用调制波与上、下载波比较，在正半周，当调制波大于上载波时，输出正脉冲；在负半周，当调制波小于负载波时，输出负脉冲，其他状态输出零电平。PDSPWM的特点如下：

1）相电压由基波和载波上下边频谐波组成，不含有直流分量；谐波主要集中在开关频率处，幅值较大，另外还存在以开关频率整数倍为中心的其他边带谐波，幅值较小。

2）由于上下层叠的载波信号相位相同，输出电流载波频率处的谐波相互抵消，所以PDSPWM对输出电流波形改善的效果较好。

3）由于采用正弦波作为调制波，最大直流电压利用率为1；一个开关周期内的输出脉宽为七段式，三相桥臂开关管总共开关6次，如图4-76b所示；共模电压的幅值为U_dc/3，如图4-76c所示。

2.PODSPWM调制策略

PODSPWM调制策略的原理如图4-77a所示，其中三角载波上下层叠，两者相位相反，调制波为正弦波，用调制波与上、下载波比较，在正半周，当调制波大于上载波时，输出正脉冲；在负半周，当调制波小于负载波时，输出负脉冲，其他状态输出零电平。PODSPWM调制策略的特点如下：

1）相电压由基波和载波上下边频谐波组成，不含有直流分量。

2）在输出相电压和线电压中，不含有开关频率处的谐波，但存在以开关频率整数倍为中心的边带谐波，幅值较大。

3）由于采用正弦波作为调制波，最大直流电压利用率为1；一个开关周期中PODSPWM输出脉冲序列如图4-77b所示，可见，一个开关周期内的输出脉宽为七段式，三相桥臂开关管总共开关6次；PODSPWM共模电压的幅值为U_dc/6，其共模电压波形如图4-77c所示。

图4-76 PDSPWM的原理和输出特性

a）PDSWM的原理图 b）PDSPWM的输出脉冲序列 c）PDSPWM的共模电压

图4-77 PODSPWM的原理和输出特性

a）PODSPWM的原理图 b）PODSPWM的输出脉冲序列 c）PODSPWM的共模电压

4.6.2.2 基于空间矢量调制的PWM调制策略

对于三电平逆变器而言，基于空间矢量调制的PWM调制策略，就是对三电平空间矢量进行选取并控制各矢量的作用时间，合成参考电压矢量，来实现各种控制目标，比如交流输出电流、抑制共模电压和中点平衡控制。三电平逆变器的开关函数S_kj存在三个状态（-1、0、1），因此三电平逆变器就可以得到3³=27种开关组合，对应27组不同的空间矢量，三电平逆变器的空间矢量图如图4-78a所示。根据矢量的相对幅值大小，可以将矢量分为4类：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。各矢量的类型、名称、开关状态和产生的共模电压见表4-2～表4-5所示。

表4-2 大矢量及其共模电压

表4-3 中矢量及其共模电压

表4-4 小矢量及其共模电压

表4-5 零矢量及其共模电压

常见的三电平基于空间矢量调制的PWM调制策略包括SVPWM、DPWM和LMZVM，下面将分别做简单的介绍。

1.SVPWM调制策略

SVPWM调制策略的空间矢量图如图4-78a所示，图中各矢量的名称和长度与表4-2～表4-5相对应。SVPWM的矢量合成原则是：判断参考电压矢量V_ref所在的扇区，利用构成该扇区的、距离V_ref最近的3个矢量来合成V_ref，其中小矢量是冗余的，一对冗余小矢量的作用时间相等。例如，当参考电压矢量V_ref位于图4-78a中的阴影扇区时，距离V_ref最近的3个矢量是大矢量V_L1、中矢量V_M1和小矢量V_S1（V_S2），其中V_S1和V_S2互为冗余，那么V_ref的合成原则可以描述为

式中 d_L——大矢量的占空比；

d_M——中矢量的占空比；

d_S——小矢量的占空比。

对应的输出脉冲序列为[0-1-1]-[1-1-1]-[10-1]-[100]-[10-1]-[1-1-1]-[0-1-1]，如图4-78b所示，可以看出输出脉冲为七段式序列，一个开关周期内开关管动作6次。

图4-78c所示是SVPWM基于载波调制的实现方法，参考文献[46]给出了详细的分析过程，这里不再详述，SVPWM的直流电压利用率为1.15，等效的调制波是断续的。(www.xing528.com)

图4-78d所示为SVPWM的共模电压，共模电压的幅值为V_dc/3，因为SVPWM在合成参考电压矢量时，采用了小矢量V_S2、V_S4、V_S6、V_S8、V_S10和V_S12，从表4-4可以看出，上述小矢量产生的共模电压幅值均为V_dc/3。

图4-78 SVPWM的原理和输出特性

a）SVPWM的空间矢量图 b）SVPWM基于载波调制的实现方法 c）SVPWM的输出脉冲序列 d）SVPWM的共模电压

2.DPWM调制策略

DPWM调制策略是一种降低逆变器开关损耗的调制算法，其空间矢量图如图4-79a所示，每相桥臂均存在一定时间的钳位区间，钳位区间开关管不动作以减小开关损耗。例如当参考电压矢量位于图4-79a中的阴影区域时，A相被钳位，其中+、0、-分别代表A相被钳位在正、零、负电平。DPWM具体矢量选取原则为：每个扇区内由最近的三个空间矢量合成，零矢量只选择000；小矢量只选择共模电压小的矢量，舍弃共模电压大的矢量。例如，当参考电压矢量V_ref位于图4-79a中的阴影扇区时，此时满足条件的3个矢量是V_L1、V_M1、V_S1，舍弃V_S2，那么V_ref的合成原则可以描述为

d_LV_L1+d_MV_M1+d_SV_S1=V_ref （4-37）

式中 d_L——大矢量的占空比；

d_M——中矢量的占空比；

d_S——小矢量的占空比。

对应的输出脉冲序列为[100]-[10-1]-[1-1-1]-[10-1]-[100]，如图4-79b所示，可以看出输出脉冲为五段式序列，一个开关周期内开关管动作4次。

图4-79c所示是DPWM基于载波调制的实现方法，参考文献[47]给出了详细分析过程，本文不再详述，SVPWM的直流电压利用率为1.15，等效的调制波断续。

图4-79d所示为DPWM的共模电压，共模电压的幅值为U_dc/6，因为SVPWM在合成参考电压矢量时，采用了小矢量V_S1、V_S3、V_S5、V_S7、V_S9和V_S11，从表4-4可以看出，上述小矢量产生的共模电压幅值均为U_dc/6。

3.LMZVM调制策略

LMZVM调制策略是一种无小矢量参与合成的空间矢量调制，其矢量图如图4-80a所示，从图上可以看出，参与合成的矢量包括6个大矢量、6个中矢量和1个零矢量V_Z，一共13个矢量，所以LMZVM调制也可以被称作十三矢量调制。LMZVM的矢量合成原则是：判断参考电压矢量V_ref所在的扇区，利用构成该扇区的、距离V_ref最近的3个矢量（分别是大矢量、中矢量和零矢量）来合成V_ref。例如，当参考电压矢量V_ref位于图4-80a中的阴影扇区时，距离V_ref最近的3个矢量是V_L1、V_M1、V_Z，那么V_ref的合成原则可以描述为

d_LV_L1+d_MV_M1+d_ZV_Z1=V_ref （4-38）

其中，d_L为大矢量的占空比，d_M为中矢量的占空比，d_Z为零矢量的占空比。

对应的输出脉冲序列为[000]→[10-1]→[1-1-1]→[10-1]→[000]，如图4-80b所示，可以看出输出脉冲为五段式序列，不过与DPWM的五段式序列不同的是，一个开关周期内DPWM的开关管动作6次。

图4-80c所示是LMZVM基于载波调制的实现方法，SVPWM的直流电压利用率为1.15，等效的调制波是连续的。图4-80d所示为LMZVM的共模电压，共模电压的幅值为U_dc/6，因为LMZVM在合成参考电压矢量时，没有采用小矢量，仅由大矢量产生共模电压，幅值为U_dc/6。

图4-79 DPWM的原理和输出特性

a）DPWM的空间矢量图 b）DPWM基于载波调制的实现方法 c）DPWM的输出脉冲序列 d）DPWM的共模电压

4.6.2.3 调制策略的对比分析

以上介绍了5种最常见的三电平调制策略，分别是PDSPWM、PODSPWM、SVPWM、DPWM和LMZVM。图4-81a和图4-81b分别给出了5种三电平调制策略中点电位和共模电压有效值。并且表4-6对上述5种调制策略的综合性能进行了对比，并对上述5种调制策略进行评判，符号√表示满足要求，符号表示不满足要求。

从表4-6中可以看出：

1）没有一种调制策略能满足所有指标要求。

2）LMZVM是满足指标最多的调制，仅在开关切换次数上无明显优势。

图4-80 LMZVM的原理和输出特性

a）LMZVM的空间矢量图 b）LMZVM基于载波调制的实现方法 c）LMZVM的输出脉冲序列 d）LMZVM的共模电压

图4-81 不同调制策略的中点电位和共模电压有效值

a）不同调制策略的中点电位 b）不同调整策略的共模电压有效值

3）DPWM是开关次数切换最少的调制策略，系统效率最高；但DPWM的调制波不连续，多机并联时将会产生较大的低频零序环流；另外DPWM的共模电压有效值比较大，多机并联时将会产生较大的高频零序环流；并且DPWM的中点电位波动较大。

4）SVPWM的调制波不连续，多机并联时将会产生较大的低频零序环流分量；SVPWM共模电压的幅值和有效值都比较大，多机并联时将会产生较大的高频零序环流分量。

5）PDSPWM和PODSPWM的调制波是连续的，多机并联时低频零序环流分量较小而高频零序环流分量相对较大；另外PDSPWM和PODSPWM的直流电压利用率相对较低。

表4-6 不同调制策略的输出特性对比