基于STS—SVM技术的级联型多电平变流器

<STRONG>摘要：错时采样空间矢量调制(STS—SVM)技术是一种高品质的新型调制技术。将其应用在级联型多电平变流器中可以更充分地发挥两者的优势。在简要介绍了STS—SVM技术在级联型多电平变流器中的实现方法的基础上分析了其技术特点，并进行了实验验证。
关键词：空间矢量调制；错时采样；多电平变流器

O 引言
    空间矢量脉宽调制(SVM)技术是目前广泛应用的一种开关调制策略，具有线性调制范围宽，输出谐波小，易于数字实现等优点。空间矢量调制本质上是一种规则采样的脉宽调制，采样频率决定其输出的谐波品质[1]。由于大功率器件(如GT0等)的开关频率普遍较低，因而限制了SVM技术在大功率电力电子装置中的应用。错时采样SVM(STS—SVM)技术是一种高品质的新型开关调制技术。能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性，因而可以适用于大功率电力电子装置的应用场合中中。

    多电平变流器由于避免了变压器或电抗器的使用，因而在大功率电力电子装置的发展上有更好的前景。级联型多电平变流器在各种多电平变流器中具有使用元器件最少，直流侧均压容易实现，易于模块化设计和调试等优点。因此，将STS—SVM技术应用于级联型多电平变流器中就可以更充分地发挥两者的优势。

1 STS—SVM在级联型多电平变流器中的实现
    级联型多电平变流器[3]采用若干个低压PWM变流单元直接级联方式实现高压输出。由m个变流器单元级联而成的多电平变流器的电平数为(2m+1)。

    级联型多电平变流器具有下述特点：

    1)使用的元器件最少，容易实现电平数较高的输出；
    2)每个变流器单元的结构相同，便于模块化设计和封装；
    3)因为各变流器单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制；
    4)直流侧的均压比较容易实现；
    5)各变流器单元的工作负荷一致。

    STS—SVM技术是SVM技术与多重化、多电平技术的有机结合。它既可以应用于组合变流器中，也可以应用在级联型多电平变流器中。它同时具备了SVM技术和组合相移SPWM技术的优越性。其调制原理简言之就是将各变流器单元的采样时间错开。

    对于如图1所示的N级三相级联型多电平变流器，对每个变流器单元的左右桥臂分别进行相同幅度调制比，频率调制比下的SVM控制，并使左右桥臂的采样时间相互错开△t，△t=T／2 (1)
式中：T为开关周期。

    这就是桥内STS—SVM的控制方法。

    变流器各单元之间则采用桥间STS—SVM控制，相邻两个变流器单元同侧桥臂的采样时间相互错开△t桥间
    △t桥间=Ts/2N (2)

    采用这种控制方法，当幅度调制比M，足够高时，每个变流器单元的电压输出为三电平。N级三相级联多电平变流器的相电压输出为2N+1电平。

    由此可见，采用STS—SVM技术后，实际输出的电压波形相当于所有桥臂调制信号的代数和。因此，N级级联型多电平STS—SVM变流器的等效开关频率提高了2N倍，亦即实际的采样点数目提高了2N倍，与常规SVM技术相比各提高了N倍，从而使电压空间矢量的轨迹更接近于圆形，降低了输出谐波，改善了输出波形。

    需要注意，该结论的前提是有足够高的幅度凋制比Mr，因而确切地说，N级三相级联多电平变流器的相电压输出最高为2N+1电平。当Mr小于某临界值时，由于各桥臂的输出脉冲都比较窄，有可能相互错开而无法叠加出应有的电平数。以单级多电平变流器为例，当Mr>0．5时，相电压为三电平，线电压为五电平；当Mr<0 5时，相电压为二电平而线电压为三电平。

    幅度调制比Mr与输出电压电平数的具体关系限于篇幅不再赘述。

2 STS—SVM与其他调制方式在三相级联型多电平变流器中的技术特点比较
    在级联型多电平变流器上除了采用STS—SVM控制方式外，常用的调制方法还有：
    1)基于定次谐波消除技术(SHE)的阶梯波脉宽调制；
    2)载波相移SPWM；
    3)多电平SVM技术。

    与基于SHE的阶梯波脉宽调制技术相比，STS—SVM技术消除和抑制谐波的能力不受输出电平数的限制，能够方便地实现实时控制，可以应用在对系统有快速反应要求的场合中。

    与级联型载波相移SPWM多电平变流器相比较，级联型STS—SVM多电平变流器具有以下优点：
    (1)直流电压利用率提高15％，如果采用不连续开关调制模式，器件的开关损耗可降低33% ；
    (2)STS—SVM按照跟踪圆形旋转磁场来直接实现对电流(磁场)的控制，因而在电机应用等场合更有优势。

    多电平SVM技术是常规SVM技术在空间上的拓展应用。这种调制技术存在的不足在于：
    (1)空间电压矢量的数目随着电平数的增加以立方级数迅速扩展，其算法也就越来越复杂，有鉴于此，目前对多电平SVM技术的研究一般在五电平以下；
    (2)多电平SVM下开关器件的负荷不均衡也是一个严重的问题，目前还没有较为成熟的解决方案。

    与多电平SVM技术相比较，STS—SVM技术是对各桥臂分别进行调制，并不直接控制总的输出的电压矢量。在调制过程中，只须保证各桥臂调制信号本身的对称性和均衡性，就能保证总的开关负荷的均衡性和总输出波形的对称性。在对应于同一电压矢量的不同开关状态的选择上完全是自动的。比较于多电平SVM技术，STS—SVM具有等效开关频率高、输出低次偕波成分少、开关负荷均衡等优点。

3 实验验证
    对于前述的级联型多电平变流器STS—SVM技术，进行了验证实验。

    实验主电路结构如图2所示，这是三相级联型STS—SVM多电平变流器的最简形式。其级联数N=l，因而桥内左右桥臂的采样时间错开△t=T8／2[如式(1)所示]。

    逆变部分采用三个单相全桥结构，主开关器件采用IR公司的MOSFET管IRF7460，输出按Y型联接直接与三相鼠笼式电机相连。控制算法主要由ADI生产的电机专用DSP芯片ADMCF328实现。

    实验中变频器采用转速开环，恒压频比的控制方式。实验电机的额定线电压有效值为100 V，额定额率50Hz，SVM的频率调制比K取21，达到额定时的幅度调制比取O.8。 

    根据以上的电路设计和参数设置，对实验样机进行了空载实验。

    实验中达到额定频率(50Hz)时，变频器的输出线电压波形如图3所示。

    额定状态下幅度凋制比M，为0．8，因而输出线电压的电平数应为五电平，与前面的分析相一致。

    对图3所示波形进行谐波分析得到其频谱如图4所示。

    由图4可见，次数最低的谐波群出现在42(2K=2×21=42)次谐波附近，也与前述级联型多电平STS—SVM变流器的特性相吻合。

    额定频率下的电机定子电流波形如图5所示。

    变频器的初始工作频率为10Hz，此时的变频器输出线电压波形如图6所示。

    根据V／f曲线，此时的幅度调制比为O．28，因此输出线电压应为三电平，也与前面的分析相吻合。此时定子电流波形如图7所示。

4 结语
    STS—SVM技术是一种高品质的新型开关调制技术，是SVM技术与多重化、多电平技术的有机结合。实验结果证明，级联型STS—SVM变流器可以在较低开关频率下实现较高的等效开关频率，其输出波形谐波特性好，正弦度高，开关频率低，工作对称，可直接连接负载而不需添加滤波器，因此，在大功率电力电子应用场合有良好的前景。