混合PWM法优化控制技术

对于混合级联换流器，当其级联单元的直流电压取值不同时，可以用最少的级联单元数换取更多的电平级数，以提高交流输出电压电流的质量。为提高换流器的效率和交流输出电压电流的正弦度，发挥不同类型功率开关器件的优势，不同级联单元可以使用不同电压等级的功率开关器件，高压、中压和低压单元可采用不同的PWM调制方法，这就是混合PWM调制^{［26，27］}。一般较高电压等级的级联单元使用具有较高电压阻断特性和较大容量的功率开关器件，比如GTO或IGCT，以输出大功率电压。功率开关器件的开关频率不宜太高，脉宽调制通常采用与输出基波频率相同的方波调制；同样，较低电压等级的级联单元可以使用工作频率较高的IGBT或MOSFET器件，功率开关器件的开关频率则可以采用高频PWM调制，以减小输出电压的高频成分。

设各级联变换单元直流电压的比值为N，N通常为1，2，3，…根据N的取值不同，混合级联换流器有1^N型、2^N型和3^N型等。

图2-43a所示为以H桥变换电路为基本单元的单相2³型三级混合级联变换电路，其各级联单元直流电压比为1∶2∶4，即2⁰∶2¹∶2²。通常2²单元称为高压单元（简称4V单元），2¹单元称为中压单元（简称2V单元），2⁰单元称为低压单元（简称1V单元）。

2³型混合级联换流器最终的交流输出电压是由3个独立H桥换流器的输出叠加而成，高压4V单元输出幅值为4倍基值的方波，中压2V单元输出幅值为2倍基值的低频PWM波，低压1V单元输出幅值为1倍基值的高频PWM波。因此，2³型混合级联换流器最终的交流输出电压电平数为15（0，±1，±2，…，±7倍基值）。

图2-43b为交流输出正弦参考电压u_ref.out，高压4V单元调制波u_ref.4V和该单元交流输出电压u_o.4V。正弦参考波u_ref.out频率为50Hz，幅值为7V，即三个变换单元直流电压比值之和1＋2＋4＝7V。显然该单元调制波和输出波形的形状一样，仅输出波形的幅值为级联换流器电压基值的倍数。在4V单元正半周，当u_ref.out＞＋3V时4V单元输出4倍基值电压，u_ref.4V＝4V；当u_ref.out≥3V时，高压4V单元输出0电平，u_ref.4V＝0；同理，在4V单元调制波的负半周，当正弦参考波u_ref.out＜-3V电平时，4V单元输出-4倍基值电压，u_ref.4V＝-4V；当u_ref.out≥-3V时，输出0电平，u_ref.4V＝0。

图2-43c为交流输出正弦参考电压u_ref.out，中压2V单元调制波u_ref.2V和该单元交流输出电压u_o.2V。2V单元参考波u_ref.out2V由4V单元正弦参考波u_ref.out减去4V单元输出调制波u_{ref_4V}得到，即u_ref.out2V＝u_ref.out-u_{ref_4V}。在中压2V单元正半周，当u_ref.out2V＞＋1V时，2V单元输出2倍基值电压，u_ref.2V＝2V；当u_ref.out2V≤1V时，中压2V单元输出0电平，u_ref.4V＝0；同理，在2V单元的负半周，当正弦参考波u_ref.out2V＜-1V时，2V单元输出-2倍基值电压，u_ref.2V＝-2V；当u_ref.out2V≥-1V时，输出0电平，u_ref.4V＝0。

图2-43d为1V单元交流输出参考波u_ref.out1V，低压1V单元调制波u_ref.1V和该单元交流输出电压u_o.1V。1V单元参考波形u_ref.out1V由4V单元正弦参考波形u_ref.out减去4V单元的输出调制波u_{ref_4V}，再减去2V单元的输出调制波u_{ref_2V}，即u_ref.out1V＝u_ref.out-u_{ref_4V}-u_{ref_2V}。1V单元参考波再与上下对称的两个三角载波交截产生1V单元的高频PWM输出波。(www.xing528.com)

图2-43e为2³单相混合级联换流器，混合PWM控制下换流器交流侧输出电压和电流波形。显然该换流器输出为15电平的电压波形，使得输出的相电压阶梯波非常逼近输出正弦参考波，输出电流波形正弦度好。图2-43e的输出电压波形尖刺是由于级联单元之间脉冲的交叠引起的，与死区和控制系统的运算精度有关。

参考文献［26］同时对混合PWM法的扩展进行了研究，为了降低脉冲阶跃带来的电磁干扰及消除高次谐波，提出了“1＋3³”或“2＋3³”等混联逆变电路实现方案。

图2-43 2³型混联变换电路混合PWM法

a）2³型单相三级联混合级联变换电路 b）4V单元调制波和输出波形 c）2V单元调制波和输出波形 d）1V单元调制波和输出波形 e）混联变换电路交流输出电压和电流波形