多电平变换器pwm调制策略

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1、第 ? 章?多电平变换器 ? ? 调制策略多电平变换器研究的重点内容之一是对其调制策略的研究? 调制策略的优劣直接影响着多电平变换器的性能? 在过去的 ? 多年里? 研究者们对各种拓扑结构的多电平变换器调制策略开展了大量的研究工作? 提出了一系列行之有效的调制方法? 这些调制方法基本上都是传统的两电平变换器脉宽调制技术的扩展和引申? 但由于多电平变换器本身所具有的特殊性? 其所采用的调制策略也各有特点? ? ? ?多电平变换器 ? ?调制策略的分类多电平变换器的 ? ?调制策略种类繁多? 若按采用开关频率的不同? 多电平变换器调制策略可以分为基波开关频率调制 ?即在输出基波周期内? 开关器件通

2、断一次? 和高开关频率调制 ?即在输出基波周期内? 开关器件通断多次? 其中?基波开关频 率 调 制 又 可 分 为空 间 矢 量 控 制 ? ? ? ? 和 有 选 择 的 谐 波 消 除 技 术? ? ? 而高开关频率调制则可分为空间矢量 ? ? ? ? ? 和多载波 ? ?多载波 ? ?一般采用两种技术? 即?基于载波垂直移相技术 ?包括 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?基于载波水平移相技术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 多电平变换器 ? ?调制策略分类示意图如图 ? ? 所示?图 ? ?多电平变换器 ? ?调制策略分类示意图也有研究者对多电平变换器调制策略的

3、分类是从多电平变换器的控制自由度考虑? 通过不同的组合? 得到各种不同的调制策略? 例如? 就载波而言? 多电平变换器的载波通常不止一个? 其形状可以是常用的三角波? 也可是锯齿波等? 对每种载波至少有频率? 相位? 幅值? 垂直方向的偏移量和水平方向的偏移量等多个可控制的自由度? 而多电平变换器的调制波? 可以是正弦波或梯形波? 同样对于每种调制波形? 也有频率? 相位? 幅值? 叠加零序分量等多个参数? 即自由度? 若将不同控制自由度进行互相组合? 会产生一些新型多电平变换器 ? ?调制策略? 并进一步与各种多电平变换器的基本拓扑相结合? 将产生数量庞大的多电平变换器 ? ?调制策略? ?

4、 ? ?多电平 ? ? ?调制策略? ? ? ? ? 调制策略常规的 ? ?调制策略是将三角载波和正弦调制波比较且生成 ? ?波形? 而多电平 ? ?调制策略是基于多载波的正弦脉宽调制? 基于多载波的 ? ?调制策略的基本原理是采用几个三角载波信号和正弦参考信号? 通过它们之间的比较产生开关切换信号? 基于多载波的 ? ?技术是多电平变换器最常用的调制策略之一? 它是两电平 ? ?技术在多电平变换器中的直接拓展? 由于多电平变换器拓扑的复杂性和多样性? 与两电平变换器相比? 多电平变换器的 ? ?调制策略也更具多样性? 常用的主要有两种? 基于载波垂直移相的 ? ?和基于载波水平移相的 ? ?

5、 ? ?载波垂直移相 ? ? ? 多电平调制策略载波垂直移相 ? ?调制策略是两电平变换器 ? ?方法在多电平变换器中的拓展? 其基本原理是将 ?电平变换器的 ? ? 个具有相同频率和相同幅值的三角载波并排放置? 形成载波组? 以载波组的水平中线作为参考零线? 共同的正弦调制波与其相交? 得到相应的开关信号?载波垂直移相 ? ?多电平调制主要包括以下三种调制策略? 所有载波相位相同的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 调制策略? 如图 ? ? 所示? 所有相邻的载波相位相反的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

6、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?调制策略? 如图 ? ? 所示? 正载波与负载波相位相反的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 调制策略?如图 ? ? 所示? ? ?载波水平移相 ? ? ? 多电平调制策略将两电平 ? ?调制方法推广到多电平变换器调制策略中? 便产生了基于多个三角载波信号移相的 ? ?方法? 即载波水平移相 ? ?多电平调制策略? 该?图 ? ?载波垂直移相 ? ?多电平调制策略示意图调制策略一般应用于多单元串联变换器拓扑结构? 通过对该调制策略输出阶梯波的图 ? ? ? 调制策略示意图仿真分析可知? 对于

7、 ?单元串联变换器?三角载波之间移相 ? ? ? 可获得最 大的谐波消除效果? 且可提高等效开关频率? 基于此? 在满足实际现场要求的情况下? 可以进行有针对性的设计? 例如? 可以减少每个功率单元的开关频率? 从而减少开关损耗? 为了便于调制策略之间性能上的比较? 还需要在理论上对输出谐波性能进行系统的分析? 这对于从本质上理解该调制策略是非常必要的? 图 ? ? 给出了多载波水平移相 ? ?调制策略示意图? ? ?多载波 ? ? ? 调制策略谐波分析为了对多电平变换器 ? ?调制策略特性的深入了解? 通常采用数字仿真的方法? 通过对输出阶梯波进行快速傅里叶变换 ? ? ? ? ? ? ?

8、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 分析? 确定相应的调制特性? 但这仅仅是一种定性的分析? 缺少完整的数学解释?其分析结果的准确性很大程度上依赖于数字仿真的算法? 载波比的取值以及研究者们的经验? 因此? 对于多电平调制策略? 需要进行定量分析? 准确得出其输出阶梯波的数学表达式? 只有这样? 才能把握住各种调制策略的本质? 深入了解其谐波特性? 直观地对各种调制策略进行比较? 在实际应用中能更灵活地对调制策略进行选择? ? ? 调制策略谐波分析的基本方法对于单边傅里叶变换可以通过表达式将所有时域的波形 ? ? ? 表示为一系列各种频率的正弦分量的组合? 以决定其谐波

9、含量? 该表达式即为? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?在 ? ?调制方式中? 所输出的 ? ?电压波形是由基波频率 ?与载波频率 ? 共同决定的? 当采用同步调制时? 输出的电压波形相对于时间 ? 具有重复性? 因此可以采用单边傅里叶级数来分析其输出电压谐波特性? 当采用异步调制时? 载波比? ?不是整数? 对于时间 ? 而言? 其输出电压波形不具备周期性? 输出波形在调制波的各周期内所包含的脉冲模式没有重复性? 在这种情况下? 应采用双边傅里叶分析方法? 这种方法最早被应用于通信领域? 后来被应用于电力电子研究的 ? ?谐波分析中?为

10、了能更清晰地认识多电平调制策略的本质? 下面将双边傅里叶分析的方法引入基于多载波的多电平 ? ?调制策略的分析中?根据双边傅里叶变换理论? 任何基于载波的 ? ?调制策略? 其输出波形的通用谐波表达式可表示为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?式中? 第三项为载波及载波倍数的谐波? 第四项为载波倍数的边带谐波? 式 ? 也可表示为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

11、 ? ? ? ? ? ? ?在式 ? ? 中? ? ? ? ? ? ? 系数 ?为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?系数 ?为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?为了方便计算? 可定义 ? ? 即有? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?由于 ? ? ? ? ? ? 式 ? ? 中的谐波形式可以表示为 ? ? ? ? ? ? ? 并存在以下三种情况? ? 当 ? ? ? 时? ?为基波或谐波? 当 ? ? ? ? ? 时? ? ?为载波及载波倍数的谐波? 当 ? ? ? 时? ? ? ? 为载波倍数的边带谐波?通过上述将双边傅里叶变换方法引入

12、基于多载波的多电平 ? ?调制策略的分析可知? 对于任何调制策略? 若想获得其谐波含量的解析表达式? 关键是根据 ? ? 合理地确定积分区域? 便可得出相应的开关函数 ? ? ? ? ? 的值?基于载波垂直移相的多电平调制策略分析?如前所述? 基于载波垂直移相的多电平调制策略又分为 ? ? ? ? ? ? ? ?和 ? ?三种? 以下是以图 ? ? 所示的 ? ?调制策略为例进行分析的? 基于载波垂直移相的基本调制原理? 在调制波的正半周? 调制波与 ? 参考轴上的所有载波进行比较? 当调制波每大于一个载波时? 便输出一个正的台阶电平? 否则输出 ? 电平? 在调制波的负半周? 调制波与 ?

13、参考轴下的所有载波进行比较? 当调制波每小于一个载波时?便输出一个负的台阶电平? 否则输出 ? 电平? 将调制波与每一个载波进行比较以得到变换器相应的输出电平? 从而获得最后的电平输出?随着多电平变换器电平数的增加? 开关函数 ? ? ? ? ? 有多个取值? 这给谐波分析带来很大的困难? 为此需要简化? 简化的目的是基于波形合成的原则? 在等效原则的前提下? 减少开关函数 ? ? ? ? ? 的取值个数?双边傅里叶分析应用于 ? ?波形分析中? 应基于 ? ?分别独立考察一个调 制波周期内? 一个三角载波周期内? 调制波与三角载波的相交情况? 亦即应把载波周期与调制波周期区别开? 并分别加以

14、考察?图 ? ? ?调制策略示意图以 ? ?调制为例? 其调制策略如图 ? ? 所示? 对于 ?电平而言?需要 ? ? 个载波? 正? 负半周各需要 ? ? ? ? ? ? 个载波? 如图? ? 所示? 为了方便研究? 取三角载波的峰峰值为 ? 调制波为? ? ? ? ? ? ? 调制度为 ? ? ? ? 若以图 ? ? 所示为基础? 把三角载波与调制波建立在一个统一的坐标系下进行研究? 则非常直观? 同时所具有的对称性有利于解析计算? 对于图 ? ? 而言? 根据调制规则? 其生成的阶梯波如图? ? 所示? 在图 ? ?所示中? 为了便于计算谐波系数? 可对其进行等效处理? 即将图 ? ?中的时间坐标下移? 等效成如图 ? ? 所示? 根据波形合成原则? 图 ? ? 所示的阶梯波? 可以等效表示为一系列两电平? ?波的叠加? 每个两电平 ? ?波的生成? 可以认为是每个三角载波与调制波?图 ? ?电平输出阶梯波坐标系等价变换示意图相交后所形成的两电平阶梯波? 该方法的思想是将多电平阶梯波分解为两电平这一最小基本单元? 很好地解决了多电平变换器随着电平数的增加而带来谐波计算的复杂性的难题?设 ? ? ?为大于 ? ? ?的最小整数? 以表示调制波在正半周 ?或负半周? 相交的载波个