基于STS―SVM技術(shù)的級聯(lián)型多電平變流器

1 STS―SVM在級聯(lián)型多電平變流器中的實(shí)現
級聯(lián)型多電平變流器[3]采用若干個(gè)低壓PWM變流單元直接級聯(lián)方式實(shí)現高壓輸出。由m個(gè)變流器單元級聯(lián)而成的多電平變流器的電平數為(2m+1)。

級聯(lián)型多電平變流器具有下述特點(diǎn)：

1)使用的元器件最少，容易實(shí)現電平數較高的輸出；
2)每個(gè)變流器單元的結構相同，便于模塊化設計和封裝；
3)因為各變流器單元之間相對獨立，所以可以較容易地引入軟開(kāi)關(guān)控制；
4)直流側的均壓比較容易實(shí)現；
5)各變流器單元的工作負荷一致。

STS―SVM技術(shù)是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機結合。它既可以應用于組合變流器中，也可以應用在級聯(lián)型多電平變流器中。它同時(shí)具備了SVM技術(shù)和組合相移SPWM技術(shù)的優(yōu)越性。其調制原理簡(jiǎn)言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯開(kāi)。

對于如圖1所示的N級三相級聯(lián)型多電平變流器，對每個(gè)變流器單元的左右橋臂分別進(jìn)行相同幅度調制比，頻率調制比下的SVM控制，并使左右橋臂的采樣時(shí)間相互錯開(kāi)△t，△t=T／2 (1)
式中：T為開(kāi)關(guān)周期。

這就是橋內STS―SVM的控制方法。

變流器各單元之間則采用橋間STS―SVM控制，相鄰兩個(gè)變流器單元同側橋臂的采樣時(shí)間相互錯開(kāi)△t橋間
△t橋間=Ts/2N (2)

采用這種控制方法，當幅度調制比M，足夠高時(shí)，每個(gè)變流器單元的電壓輸出為三電平。N級三相級聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出為2N+1電平。

由此可見(jiàn)，采用STS―SVM技術(shù)后，實(shí)際輸出的電壓波形相當于所有橋臂調制信號的代數和。因此，N級級聯(lián)型多電平STS―SVM變流器的等效開(kāi)關(guān)頻率提高了2N倍，亦即實(shí)際的采樣點(diǎn)數目提高了2N倍，與常規SVM技術(shù)相比各提高了N倍，從而使電壓空間矢量的軌跡更接近于圓形，降低了輸出諧波，改善了輸出波形。

需要注意，該結論的前提是有足夠高的幅度凋制比Mr，因而確切地說(shuō)，N級三相級聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出最高為2N+1電平。當Mr小于某臨界值時(shí)，由于各橋臂的輸出脈沖都比較窄，有可能相互錯開(kāi)而無(wú)法疊加出應有的電平數。以單級多電平變流器為例，當Mr>0．5時(shí)，相電壓為三電平，線(xiàn)電壓為五電平；當Mr0 5時(shí)，相電壓為二電平而線(xiàn)電壓為三電平。

幅度調制比Mr與輸出電壓電平數的具體關(guān)系限于篇幅不再贅述。

2 STS―SVM與其他調制方式在三相級聯(lián)型多電平變流器中的技術(shù)特點(diǎn)比較
在級聯(lián)型多電平變流器上除了采用STS―SVM控制方式外，常用的調制方法還有：
1)基于定次諧波消除技術(shù)(SHE)的階梯波脈寬調制；
2)載波相移SPWM；
3)多電平SVM技術(shù)。

與基于SHE的階梯波脈寬調制技術(shù)相比，STS―SVM技術(shù)消除和抑制諧波的能力不受輸出電平數的限制，能夠方便地實(shí)現實(shí)時(shí)控制，可以應用在對系統有快速反應要求的場(chǎng)合中。

與級聯(lián)型載波相移SPWM多電平變流器相比較，級聯(lián)型STS―SVM多電平變流器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)直流電壓利用率提高15％，如果采用不連續開(kāi)關(guān)調制模式，器件的開(kāi)關(guān)損耗可降低33% ；
(2)STS―SVM按照跟蹤圓形旋轉磁場(chǎng)來(lái)直接實(shí)現對電流(磁場(chǎng))的控制，因而在電機應用等場(chǎng)合更有優(yōu)勢。

多電平SVM技術(shù)是常規SVM技術(shù)在空間上的拓展應用。這種調制技術(shù)存在的不足在于：
(1)空間電壓矢量的數目隨著(zhù)電平數的增加以立方級數迅速擴展，其算法也就越來(lái)越復雜，有鑒于此，目前對多電平SVM技術(shù)的研究一般在五電平以下；
(2)多電平SVM下開(kāi)關(guān)器件的負荷不均衡也是一個(gè)嚴重的問(wèn)題，目前還沒(méi)有較為成熟的解決方案。

與多電平SVM技術(shù)相比較，STS―SVM技術(shù)是對各橋臂分別進(jìn)行調制，并不直接控制總的輸出的電壓矢量。在調制過(guò)程中，只須保證各橋臂調制信號本身的對稱(chēng)性和均衡性，就能保證總的開(kāi)關(guān)負荷的均衡性和總輸出波形的對稱(chēng)性。在對應于同一電壓矢量的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇上完全是自動(dòng)的。比較于多電平SVM技術(shù)，STS―SVM具有等效開(kāi)關(guān)頻率高、輸出低次偕波成分少、開(kāi)關(guān)負荷均衡等優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)驗驗證
對于前述的級聯(lián)型多電平變流器STS―SVM技術(shù)，進(jìn)行了驗證實(shí)驗。

實(shí)驗主電路結構如圖2所示，這是三相級聯(lián)型STS―SVM多電平變流器的最簡(jiǎn)形式。其級聯(lián)數N=l，因而橋內左右橋臂的采樣時(shí)間錯開(kāi)△t=T8／2[如式(1)所示]。

逆變部分采用三個(gè)單相全橋結構，主開(kāi)關(guān)器件采用IR公司的MOSFET管IRF7460，輸出按Y型聯(lián)接直接與三相鼠籠式電機相連?？刂扑惴ㄖ饕葾DI生產(chǎn)的電機專(zhuān)用DSP芯片ADMCF328實(shí)現。

實(shí)驗中變頻器采用轉速開(kāi)環(huán)，恒壓頻比的控制方式。實(shí)驗電機的額定線(xiàn)電壓有效值為100 V，額定額率50Hz，SVM的頻率調制比K取21，達到額定時(shí)的幅度調制比取O.8。

根據以上的電路設計和參數設置，對實(shí)驗樣機進(jìn)行了空載實(shí)驗。

實(shí)驗中達到額定頻率(50Hz)時(shí)，變頻器的輸出線(xiàn)電壓波形如圖3所示。

額定狀態(tài)下幅度凋制比M，為0．8，因而輸出線(xiàn)電壓的電平數應為五電平，與前面的分析相一致。

對圖3所示波形進(jìn)行諧波分析得到其頻譜如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，次數最低的諧波群出現在42(2K=221=42)次諧波附近，也與前述級聯(lián)型多電平STS―SVM變流器的特性相吻合。

額定頻率下的電機定子電流波形如圖5所示。

變頻器的初始工作頻率為10Hz，此時(shí)的變頻器輸出線(xiàn)電壓波形如圖6所示。

根據V／f曲線(xiàn)，此時(shí)的幅度調制比為O．28，因此輸出線(xiàn)電壓應為三電平，也與前面的分析相吻合。此時(shí)定子電流波形如圖7所示。

4 結語(yǔ)
STS―SVM技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型開(kāi)關(guān)調制技術(shù)，是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機結合。實(shí)驗結果證明，級聯(lián)型STS―SVM變流器可以在較低開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現較高的等效開(kāi)關(guān)頻率，其輸出波形諧波特性好，正弦度高，開(kāi)關(guān)頻率低，工作對稱(chēng)，可直接連接負載而不需添加濾波器，因此，在大功率電力電子應用場(chǎng)合有良好的前景。