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中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:介绍了中点箝位型三电平变换器中的一种典型载波PWM方法——开关频率优化PWM(SFOPWM),这种方法由于注入零序的三次三角波,调制比最大可以达到1.15;另外通过适当选择载波和调制波之间的相移可以减少开关次数。仿真和实验结果验证了该方法的特点。
  关键词:中点箝位型三电平变换器;开关频率最优化脉宽调制
  
  1概述
  
  二极管中点箝位型三电平变换器[1]如图1所示。由于二极管的箝位,这种变换器中每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的一半,从而降低了开关过程的dv/dt,因此可以用低成本的低压器件实现中高容量的变换;另外,由于输出电压有三种电平,其谐波水平明显低于二电平变换器,因此可以简化输出滤波器的设计和降低EMI问题;最后这种变换器在实现中高容量的变换时没有工频变压器,节省了装置的体积,提高了系统的效率。因此,这种结构的变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流(HVDC)输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。
  
  本文从控制自由度的角度介绍了SFOPWM方法,这种方法由于在正弦调制波中注入零序三次分量,从而使电压利用率提高到1.15;另外,合理选择载波同调制波之间的相移可以减少开关次数。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性,实验结果验证了SFOPWM方法的特点。
  
  图1
  
  2SFOPWM技术
  
  三电平逆变器载波技术,来源于两电平的SPWM技术,但是,由于三电平逆变器特殊的结构,三电平的载波技术又不同于两电平的载波技术。三电平逆变器中的开关管多,因此三电平逆变器的载波和调制波都可能不止一个,而且每一个载波和调制波都有多个控制自由度;这些载波和调制波的控制自由度至少有频率、幅值和调制波和载波之间的偏移量等。这些自由度的不同组合,将会产生多种载波PWM技术。其中最具代表性的有3种:分谐波PWM、开关频率优化PWM、三角载波移相PWM。而中点箝位型中最经常用到的就是分谐波PWM、开关频率优化PWM。开关频率最优化PWM方法因为其电压利用率高,开关频率优化等原因而得到了实际的应用。
  
  三电平分谐波PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n个具有同相位、同频率fc、相同的峰峰值Ac,且对称分布的三角波,参考信号是一个峰峰值为Am,频率为fm正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻,如果正弦波的值大于载波的值,则开通相应的开关器件,否则相反。开关频率最优化的方法是由Steinke[2]提出的。这种方法是在分谐波基础之上增加了一个注入谐波的自由度而来的。它注入的是零序分量vzero和调制波的表达式如式(1)—式(4)所示:
  
  
  
  式中:va=masin(2πfm+Φ);
  
  
  
  ma为幅度调制比。
  
  这种方法的原理如图2所示。这种控制方法的最大调制比可以达到1.15,由于每相的调制波都注入谐波,因此它只能用于三相系统中。
  
  3载波和调制波相移角Φ对开关次数的影响
  
  TolbertLeonM研究了载波和调制波相移角同频率调制比mf之间的关系,得出了关于相移角对开关次数影响的三条规

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