多电平SPWM调制策略的仿真分析

在获得上述多电平调制策略的谐波解析表达式后，采用Pspice对各种调制策略进行仿真，以此来验证各种解析表达式所表明的谐波特性。为了与所推导的各种谐波解析表达式相互比较，在Pspice中，所采用的仿真模型均是基于实际电路所产生的，而不是应用所得出的数学表达式。

对于每一种多电平多载波调制技术，都包括以下三种自由度：

①载波比m_f，m_f=f_c/f₀，其中，f_c为载波频率，f₀为调制信号波频率。

②调制度M，M=A_m/（N′A_c），其中，A_m为正弦调制波幅值，A_c为三角载波幅值。对于每一种调制技术，N′取值见表3-1（N为每种调制策略所采用的载波数）。

③调制信号与载波之间的相角偏移为ϕ。

表3-1 各种调制策略所对应的N′

下面分别对所提出的基于多载波的PWM调制策略在5电平、7电平下进行了仿真研究，比较各种调制策略在线性调制区的特性，同时，以5电平为例，分析调制策略在过调制区对输出波形频谱的影响。采用对未滤波前的波形进行分析，摆脱了因滤波器设计不一致而造成的影响，更能够体现多电平调制方法的本质，可方便直接地对多电平调制方法进行分析比较。图3-17、图3-18、图3-19和图3-20分别给出了在线性调制区仿真结果，图3-21所示为在过调制区仿真结果。

仿真时采用的参数如下：

载波频率f_c=1050Hz，调制信号波频率f₀=50Hz，载波比m_f=21，调制度M=0.9（在过调制区M=1.2），相位偏移角ϕ=0。

图3-17a所示为PD调制策略载波分布图，图3-17c为5电平相电压频谱图，由图3-17c所示可见，采用PD调制策略所引起的最严重的谐波位于一次载波频率f_c处，频谱中存在着载波谐波及载波倍数的边带谐波，这与采用式（3-122）的分析结果相一致。

图3-17　PD调制策略的仿真

图3-18a所示为APOD调制策略载波分布图，图3-18c为5电平相电压频谱图，由图3-18c所示可见，采用APOD调制策略所引起的最严重的谐波以一次载波频率f_c为中心的边带谐波处，频谱中只存在载波倍数的边带谐波，不存在载波倍数的谐波，这与采用式（3-89）的分析结果相一致。

图3-17　PD调制策略的仿真（续）

图3-18　APOD调制策略仿真

图3-18　APOD调制策略仿真（续）

图3-19a所示为POD调制策略载波分布图，图3-19c为5电平相电压频谱图，由图3-19c所示可见，采用POD调制策略所引起的最严重的谐波以一次载波频率f_c为中心的边带谐波处，频谱中只存在载波倍数的边带谐波，不存在载波倍数的谐波，这与采用式（3-101）的分析结果相一致。

从对图3-17c、图3-18c、图3-19c所示的三种调制策略的5电平相电压频谱的分析可得出：PD的调制策略将更多的谐波能量注入到载波谐波，而APOD和POD的调制策略则将更多的谐波能量注入到载波的边带谐波。在考虑三相变换系统的情况下，APOD与PD调制策略相比时，APOD调制策略将谐波能量注入到边带谐波，不存在载波谐波；而PD调制策略将谐波能量主要注入到载波谐波中，边带谐波的能量较少。

图3-22、图3-23、图3-24和图3-25分别给出了PD、APOD、POD和PS调制策略的7电平频谱仿真曲线。

值得注意的是，对于三相变换器，在线电压中因调制波发生了相移，使谐波含量也发生了相移，所以一部分载波倍数的边带谐波会被抵消，这是三相系统固有的特性，与采用何种调制策略无关。同时，由于在三相系统中所采用的载波是相同的，相电压中存在的载波倍数的谐波在线电压中相互抵消了。因此，对于三相变换系统，无论采用PD、APOD或POD，在线电压中均不存在载波倍数的谐波，但相对于APOD与POD，PD含有更少的边带谐波，因此PD更适合于三相变换系统。另外，由图3-17c、图3-18c、图3-19c所示可见，开关器件的平均开关频率等于载波频率。

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图3-19　POD调制策略仿真

由图3-20a所示的PS调制策略载波分布图可见，对于5电平，4个载波移相90°；由图3-19c所示的5电平相电压频谱图可见，最严重的谐波为以4f_c为中心的边带谐波；同时，由于N=4（偶数），所以不存在载波及载波倍数的谐波；对于N+1电平，谐波为以Nf_c为中心的边带谐波，这与采用式（3-147）分析结果相一致。

图3-20　PS调制策略仿真

将图3-22、图3-23、图3-24和图3-25所示的PD、APOD、POD和PS调制策略的7电平频谱仿真曲线与图3-17c、3-18c、3-19c、3-20c所示的PD、APOD、POD和PS调制策略的5电平频谱仿真曲线相比较，可发现从5电平到7电平，对于基于载波分布的PD、APOD、POD调制策略而言，主要谐波分布的特性没有发生改变，最重要的谐波依然是围绕着载波频率f_c。但是，围绕着载波频率f_c的谐波幅值减少，边带谐波的幅值却增加了，而且有向基波移动的趋势，这相当于给频谱中引入了低次谐波，对滤波器的设计带来困难，这是对系统不利的一方面；同时，随着电平数的增加，输出电压波形中谐波的幅值相应减少，这也是多电平变换器电平数增加的一个优点。对于基于载波移相的PS而言，随着电平数的增加，在基波与最重要的谐波含量之间的距离相应增加，获得较高的等效载波频率。产生这种现象的根本原因就是PS均包含着载波水平移相技术，在波形叠加过程中，通过较低次谐波的相互抵消得到较高的等效载波频率，而不是将谐波简单地向高次推移。

图3-21 在过调制区PD和PS调制策略的仿真频谱图

图3-22　PD调制策略7电平相电压频谱

图3-23　APOD调制策略7电平相电压频谱

图3-24　POD调制策略7电平相电压频谱

由对图3-21所示在过调制区时PD、PS调制策略5电平相电压频谱分析可知，仿真结果显示在过调制区存在着3、5、7等奇次的基波谐波分量，这在线性调制区是不存在的。除此之外，将过调制区与线性调制区相比可知，载波倍数的谐波、载波倍数的边带谐波分布特性是相同的，只是相应的幅值发生了变化，这表明各种调制策略在线性调制区所具有的性质同样适用于过调制区，这与采用式（3-74）、式（3-79）分析结果相一致。

图3-25　PS调制策略7电平相电压频谱

在对以上的多电平调制策略进行MATLAB仿真后，基于所研制的三电平大功率变频器实验平台（系统框图如图3-26所示），对采用PD调制策略的实际输出波

图3-26 三电平大功率通用变频器系统结构图

形进行了谐波分析，以便进一步验证调制策略的谐波分布规律。实验参数如下：f_c=10kHz，f₀=50Hz，载波比m_f=21，M=0.9。实验结果如图3-27所示。

图3-27为所构建的大功率三电平变频器输出频率为40Hz时的电压实验波形及频谱图。从图3-27a中可以看出输出相电压为三电平，谐波含量主要集中在一次载波频率处，其主要是载波倍数的谐波及其边带谐波。

从图3-27b中可以看出输出线电压为5电平，载波及载波倍数的谐波同相位且相互抵消，故在线电压波形中的总谐波含量大大减小。以上对实验输出波形的分析结果与对谐波特性的理论分析及仿真结果是一致的，进一步验证所提方法的正确性。

图3-27 输出为40Hz时电压实验波形及频谱图