组合变换器调制策略的谐波分析

在图4-3a、图4-3b中，由于组合拓扑结构的基本模块分别为5电平全桥DC-MC和5电平全桥FCMC结构，因此，对于基本模块的调制策略分别采用PD、PS技术，而模块之间采用PS技术，以提高等效载波频率。因此，图4-3a所示的组合拓扑结构应采用PD+PS调制策略，如图4-6所示。采用PD+PS后，整体谐波分布特性与PD调制策略一致，由于PS的作用，其等效载波频率提高为原来的K倍。

而对于图4-3b所示的组合拓扑结构应采用PS+PS调制策略，如图4-7所示。需要说明的是：对于图4-3b，如果串联模块单元数K为偶数，所采用的移相载波会有重合，叠加后形成的阶梯波只是电平幅值上的增加，而不会产生移相效果。因此，采用PS+PS调制策略的组合拓扑结构串联模块单元数K应为奇数。对于图4-3b所示结构采用PS+PS调制策略后，整体谐波分布特性与PS调制策略一致。由于模块单元及模块单元间均采用PS调制策略，因此整体的等效载波频率提高到原来的4K倍。

图4-6　PD+PS调制策略示意图

图4-7　PS+PS调制策略示意图

在图4-6和图4-7中，定义T_c为载波周期，T_s为相邻模块载波群之间在时间上的移相。

如图4-6所示，曲线1（实线）代表图4-3a中单元1的载波群；而曲线2（虚线）代表图4-3a中单元2的载波群，移相T_s=T_c/K，在图4-6所示中K=2。

如图4-7所示，载波1至载波4属于图4-3b中单元1，载波之间移相T_m=T_c/4；载波1′至载波4′属于图4-3b中单元2；载波1″至载波4″属于图4-3b中单元3，载波之间移相与单元1相同。单元之间载波群移相T_s=T_c/K，在图4-7所示中K=3。

前面已阐述了PD+PS、PS+PS这两种组合调制策略的构成原则，定性地对这两种组合调制策略在谐波分布特性、谐波抑制效果作了分析。基于第3章对多载波调制策略的谐波分析，可进一步对组合调制策略的谐波特性用数学方法加以解释。

1.PD+PS组合调制策略分析

对于K单元DCMC串联的组合拓扑结构，整体采用PS调制策略，基本单元采用PD调制策略，基本单元间的载波移相为2π/K。为了更方便地阐述移相的效果，现将式（3-122）重新表示为（不考虑直流分量）

式中，

对于第i（i=1，2，…，K）个电平数为N_{PD_i}=2N′+1的DCMC全桥模块（N′定义同第3章），考虑相邻三角载波的移相角度，其输出电压的谐波表达式为

对于K个模块串联，其输出总的电平数为2KN′+1，谐波表达式为(www.xing528.com)

根据式（3-145）可得

根据式（4-6）～式（4-9）可得

式中，

将式（4-10）、式（4-11）与式（4-5）比较可见，谐波分布特性没有发生变化，仍包含载波及载波倍数谐波、载波倍数的边带谐波，但是基波电压的幅值提高了K倍，同时，一个显著的优点就是等效载波频率变为Kf_c，为原来的K倍，其原因是由于载波之间的移相而使谐波消除。

2.PS+PS组合调制策略分析

对于K单元串联的FCMC组合拓扑结构，基本单元为N_{PS_i}+1电平FCMC全桥结构（N_{PS_i}为基本单元所需要的载波数），每个基本单元采用PS调制策略，载波之间移相为θ_m=θ_c/N_{PS_i}=2π/N_{PS_i}；对于K个基本单元串联，基本单元之间载波移相为θ_s=θ_c/K=2π/K。对于第i个FCMC全桥模块，结合式（3-146），其输出电压的谐波表达式为

对于K个FCMC模块单元串联，根据式（4-9）可得

式中，

由式（4-14）可知：采用PS+PS组合调制策略，其谐波分布规律与式（3-146）一致，输出电压包括载波及载波倍数的谐波、载波倍数的边带谐波，但其等效载波频率被进一步提高到KN_{PS_i}f_c。