摘要：在研究多電平空間矢量脈寬調制(SVPWM)算法的基礎上提出了一種與SVPWM算法等效的三電平載波調制(TCPWM)算法，并給出了統一的零序分量表達式。與SVPWM相比，該算法不僅在輸出畸變率、直流電壓利用率等指標上與SVPWM算法完全相同，且具有運算時間短、算法簡單、易于實現等特點。最后將TCPWM算法運用在三電平整流器中，實驗結果驗證了TCPWM算法的可行性。
關鍵詞：整流器；三電平載波調制；零序分量
1 引言
隨著節(jié)能環(huán)保與綠色能源等理念的快速發(fā)展，使用脈寬調制(PWM)技術控制的整流器已成為電力電子行業(yè)研究的熱點。相對于傳統的二極管不控整流而言，PWM整流器具有功率因數可調、能量雙向流動、動態(tài)響應快等優(yōu)點，并克服了傳統整流技術功率因數低、諧波大的缺點，因此被廣泛應用于新能源發(fā)電、變頻調速領域。
PWM技術一般可分為正弦載波調制(SPWM)與SVPWM。SVPWM從電機整體出發(fā)，以構建磁鏈圓為目的進行控制，物理概念明確清晰，相對于傳統的SPWM控制而言，SVPWM能獲得更好的控制效果，同時在直流電壓利用率、開關損耗、輸出諧波率等方面也優(yōu)于SPWM，但SVPWM算法仍存在一些缺點，例如在一個周期中需要先進行扇區(qū)判斷、矢量選擇與作用時間計算等一系列工作，且隨著電平數的增多，SVPWM算法的計算量增加，從而嚴重影響控制性能．所以在SPWM與SVPWM之外尋找一種更好的PWM實現方法已成為當今研究的熱點之一。此處提出了一種與SVPWM等效的TCPWM算法，給出了統一的零序分量表達式。
2 基于載波調制的脈寬調制技術
所謂TCPWM算法其實質就是在三相正弦調制波中加入零序分量，再與三角載波進行比較以得到與SVPWM類似的控制效果。可以將其理解為是SPWM算法的改進，同時TCPWM算法也從一個側面反映出SPWM算法與SVPWM算法的本質聯系。由文獻可知，兩電平中各相所加零序分量的表達式為：
當k0=0．5時，此算法實質即為SVPWM算法。相比于兩電平各相零序分量而言，三電平的零序分量計算較為復雜，下面以TCPWM載波同相調制為例，通過分析TCPWM與三電平SVPWM算法近似得出TCPWM中零序分量的表達式。
假設處于(1，0，0)，(1，-l，-1)，(1，0，-1)的端點所組成的三角形之中，圖1示出參考矢量在一個周期內雙重載波的調制圖。由圖1可知：
由線電壓合成公式可得：
通過對其余扇區(qū)零序分量表達式的計算，發(fā)現各扇區(qū)中零序分量表達式略有不同。下面給出如何求得零序分量的統一表達式的方法。
首先比較a，b，c三相相電壓進行轉換，若該項參考電壓為正，則用原值進行比較；若為負，則用1加上該項參考電壓轉換為正值進行比較；再根據轉換后的各項參考值進行比較產生大小次序后，將原值從大到小排列即得Umax，Umid，Umin的取值。確定各相大小順序后，即可求得零序分量為：
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在不同的調制度下零序分量uz、調制波ua，ub，uc及疊加零序分量后的一相調制波ut的仿真波形如圖2所示。在三電平PWM中，電容中點電位控制是一大難題，在多電平SVPWM算法中一般利用調節(jié)正負小矢量的作用時間來保持電容中點電位為零，由此可知，在多電平TCPWM算法中可通過調節(jié)k0的取值來穩(wěn)定中點電位。
3 三電平整流器的數學模型
圖3示出三電平整流器典型拓撲結構圖。
根據文獻可得其在d，q坐標軸下的方程為(電網電壓定向)：
為了讓id，iq解耦完全，電流內環(huán)采用PI調節(jié)器，引入前饋解耦可得：
圖4示出系統控制框圖。
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4 實驗研究
為了驗證上述方法在實際運用中的可行性，搭建一套DSP+FPGA的實驗樣機，其中DSP為TMS320F2812，FPGA為EP1K30QC208-1，電網線電壓380 V，直流母線給定電壓600 V，其余實驗參數：電網相電壓峰值為155 V，頻率50 Hz，主電路中R=0．1 Ω，L=1 mH，C1=C2=4700μF。實驗中，首先空載啟動整流器，然后將負載先加后減。圖5a為a相相電壓、電流及上、下母線電壓波形，圖5b為有功、無功電流、電壓外環(huán)輸出的給定有功電流及直流母線電壓波形。圖中各量均為標幺值處理，電壓基值為300 V，電流基值為50 A。
由圖5a可知，ia正弦度較好，系統功率因數近似為1；由圖5b可知，電流環(huán)解耦較為完全，有功電流跟蹤效果良好，在負載發(fā)生變化時不僅能快速地實現有功電流跟蹤，而且Udc波動很小。
5 結論
提出一種新型三電平載波調制算法，該算法與空間矢量脈寬調制算法有相同的直流電壓利用率和輸出電流畸變率，同時具備算法簡單清晰、容易實現等特點。將其運用在三電平整流器中，實驗結果證明了此載波調制算法的可行性與優(yōu)良性。
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