双极性载波相移正弦脉宽调制策略研究

左 瑞

（宿豫中等专业学校，江苏 宿迁223800）

0 引言

传统的两电平拓扑无法实现高压大功率逆变。多电平变流器能够直接输出高压而无需变压器的连接，因而在大功率场合中受到越来越多的重视［1］。大功率开关器件工作频率较低，不能直接应用高频SPWM调制策略。而载波相移正弦波脉宽调制（CPS－SPWM）技术是在传统的SPWM技术的基础上发展起来的，是一种适用于大功率电力开关变换器的优秀调制策略。文献［2］将CPS－SPWM与级联H桥式多电平逆变器结合应用于高压静止无功补偿器；文献［3］将CPS－SPWM应用于模块化多电平逆变器，实现了高压大功率逆变。本文以级联H桥式多电平逆变器主拓扑为例，阐述双极性CPS－SPWM的调制原理和性能。

1 级联H桥式多电平逆变器拓扑

基于级联H桥的多电平逆变器拓扑如图1所示。

图1 基于级联H桥的多电平逆变器拓扑

图1 中，多电平逆变器为三相星形连接，每相由n个H桥单元级联而成，这里各H桥单元直流侧采用独立直流电源供电。

2 双极性CPS－SPWM调制理论

以图1中A相级联的第一个H桥单元为例进行阐述：H桥左右桥臂采用同一列调制波us和同一列载波uc，当us＞uc时，所得的驱动信号g使V11和V14同时导通，H桥单元输出高电平＋E；如果是uc＞us，则得g的互补信号使V12和V13同时导通，此时H桥单元输出低电平－E。每个H桥单元的输出电压只存在正、负两种电平。

双极性CPS－SPWM调制的基本原理：设A相级联的H桥数目为n，对各H桥单元均进行上述双极性SPWM调制。该相采用同一列调制波，n个H桥单元需要n列三角载波，且三角载波的相位应依次错开三角载波周期的1／n。该相逆变器的总输出电压可达n＋1个电平。双极性CPS－SPWM调制相当于将功率器件的等效开关频率提高了n倍。

对B相和C相采用相同的调制原理，只需注意使三相的调制波依次错开2π／3。这里不再展开论述。

3 仿真验证

本文在MATLAB／Simulink中搭建了采用双极性CPS－SPWM调制技术的级联H桥式多电平逆变器的仿真模型。每相级联的H桥单元数目为6，每个H桥单元的直流侧电压设置为1 000 V，负载采用三相阻感性负载，三角载波频率设置为1 000 Hz，调制波频率设置为50 Hz，调制度M 等于0．95。

运行仿真，可得A相逆变器总的输出电压波形及其频谱分别如图2、图3所示。

图2 A相输出电压波形

图3 A相输出电压频谱

由图2可知，采用双极性CPS－SPWM调制，对6个H桥级联的逆变器拓扑结构，其输出电压的幅值为单个H桥单元直流侧电压的6倍，即实现了高压大功率逆变；逆变器输出电压包含7个电平，验证了采用双极性CPS－SPWM调制，逆变器总输出电压电平数可达n＋1的结论；此时输出电压波形比较接近正弦波，电压特性较好。由图3频谱图可知，逆变器输出电压的基波分量为5 704 V，没有造成基波损失；次数最低的谐波群出现在120次及其边频附近，对120次以下的谐波滤除得较干净，这相当于将功率器件的等效开关频率提高了n倍；而THD含量也较低，等于18．46%。

4 结语

本文主要以级联H桥式多电平逆变器拓扑为基础，阐述了双极性CPS－SPWM的调制理论，又通过建模进行了仿真，仿真结果表明，双极性CPS－SPWM调制可以实现高压大功率逆变，输出电压不会造成基波损失，且能将功率器件的等效开关频率提高n倍，具有较好的滤除谐波的特性。

［1］Peng F Z，Lai J S，Mckeever J W，et al．A Multilevel Voltage－Source Inverter with Separate DC Source for Static VAR Generation［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（5）：1130－1138．

［2］赵强，王加军．基于CPS－SPWM调制方式的链式STATCOM研究［J］．工矿自动化，2012（6）：72－76．

［3］孙浩，杨晓峰，支刚，等．CPS－SPWM在模块组合多电平变换器中的应用［J］．北京交通大学学报：自然科学版，2011，35（5）：131－136．