[发明专利]一种基于载波实现的三电平变流器方波调制方法

说明书

一种基于载波实现的三电平变流器方波调制方法。所述方法根据三相正弦波的幅值，在线计算方波调制时A相功率器件动作的四个角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，并对A相功率器件动作的四个角度进行最小脉宽约束；通过检测正弦波相角，并将相角与A相功率器件动作的四个角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄进行比较，得到三相调制波；利用三相调制波与同相层叠的三角载波比较得到各功率器件的PWM信号。本发明方法可以基于载波实现三电平变流器的方波调制，并使得三相相电压在进入方波时满足三相对称、半波对称和四分之一周期对称，克服了传统基于载波调制方法无法进入方波的不足，且其步骤简单，实现方便。

技术领域

本发明涉及一种PWM调制方法，尤其涉及一种基于载波实现的方波调制方法。

背景技术

三电平变流器可以归为高压大功率变流器的行列，典型的三电平变流器如三电平中点箝位(Neutral Point Clamped,NPC)变流器，其主电路拓扑如图1所示。相比于传统两电平变流器，三电平NPC变流器通过控制每相四个可控功率器件的开关状态，可输出三种不同的电平状态，从而降低了各功率器件承受的电压应力并提升了变流器的最大输出功率。此外，三电平NPC变流器还具备结构和控制相对简单、易采用背靠背结构实现能量回馈的优点。因此，三电平变流器较适用于高压大功率电机调速场合，并在3kV及以下电压的高压大功率电机驱动领域占有优势地位。

当三电平变流器应用于大功率电机的牵引传动系统时，其最高输出频率可达到300Hz以上，而受限于功率器件的开关损耗和系统的散热能力，各功率器件的开关频率一般不会超过 500Hz。为在不超过最大开关频率的前提下尽可能提高变流器逆变侧的输出频率，通常在输出频率超过130Hz时采用方波调制，即使得每个基波周期内各功率器件只通断一次，各功率器件的开关频率等于输出基波频率。

当进入方波调制时，为满足各大功率器件如GTO、IGCT较长时间的开通时间和关断时间，保证大功率器件的顺利开通与关断，其输出相电压必须满足最小脉宽约束。对于脉冲宽度小于最小脉宽时间的窄脉冲，需将其持续时间延长至最小脉宽时间。

针对三电平变流器的方波调制，目前主流的方法有两种，分别为基于特定谐波消除的调制(Specific Harmonic Elimination PWM,SHEPWM)和基于空间矢量的调制(SpaceVector PWM,SVPWM)。文献《低开关频率下SHEPWM和SVPWM同步调制策略比较研究》(王堃.[J].电工技术学报,2015,30(14):333-341)详细对比了两种同步调制策略，其中，SHEPWM通过离线计算开关角并依据调制比在线查询比较的方式实现调制，其在进入方波调制时具有能准确控制基波电压的优点，但其动态性能差、不能实时计算；SVPWM通过在线计算各空间矢量的作用时间实现调制，其在进入方波调制时动态性能较好，但在其作用下得到的基波幅值与电压指令值存在一定偏差。由以上研究可知，SHEPWM和SVPWM在进入方波调制时均存在一定缺陷。

基于载波的调制(Carrier Based PWM,CBPWM)是三电平变流器另一种常用的调制策略，其具备原理简单、实现方便的优点。文献《三电平NPC逆变器载波层叠PWM控制方法的研究》(冯纪归.[J].电力电子技术,2008,42(11):1-5)分析了传统CBPWM作用下相电压的谐波特性，指出对于载波同相层叠CBPWM，在输出相电压中的谐波能量主要集中在载波频率处，其它的谐波主要是以载波整数倍频率为中心的边带谐波。从中可推论出传统CBPWM只能在载波比为3的奇数倍时实现满足半波对称和三相对称的同步调制，其无法正常进入方波调制，从而无法在不超过功率器件最大开关频率的前提下获得较高的输出频率。这一缺陷也限制了CBPWM在三电平变流器变频调速时的应用。

发明内容