优化SPWM控制算法

在SPWM控制中，电压源换流器交流电压随着载波频率的提高，其高次谐波的频率也会变高，使换流器的交流滤波更为容易，交流电流谐波含量少，正弦度更高。但是，功率开关器件的开关频率却大大增加，开关损耗增大。另外，对于采用SPWM调制的电压源换流器，由于调制信号的幅值不超过三角波的幅值，其直流电压的利用率总是低于0.866。为了减小功率开关器件的开关损耗，提高直流侧电压利用率，通常采用梯形波和马鞍波作为调制波。梯形波调制时，输出波形含有5、7等低次谐波，其特性也与梯形波的三角化率有关^［6］。采用马鞍波调制时输出波形的低次谐波含量小，又可以提高直流电压利用率，实际中使用较多。

马鞍波的产生就是在原正弦调制波中注入三次谐波零序分量。在三相三线制系统中，三次谐波分量在三相中的幅值和相位均相同，因此，其不会在线电流中流动。如果在相电压调制波中注入三次谐波分量，相应的三次谐波分量相互抵消，线电压不会含有三次谐波，也就不影响线电压和换流器网侧电流的谐波特性，故该方法也称三次谐波注入法。

（1）三次谐波注入法

三次谐波注入时，其注入波形的频率为其调制波频率的3倍、幅值可为调制波幅值的1／6、1／4和1／3^［8］。图2-44为不同幅值三次谐波注入时的调制波信号。显然，注入1／6幅值三次谐波的调制波除呈马鞍状外，顶部幅值变化较平缓，相对于其他两种幅值注入法产生的PWM脉冲宽，有理论分析显示，注入1／6幅值的三次谐波可以使直流电压利用率获得最大15％的提升，但是其谐波畸变率较其他两种类型高。

图2-44 不同幅值三次谐波注入对比

图2-45为注入1／6幅值三次谐波时电压源换流器的调制波、控制脉冲和换流器交流电压波形。显然，相对于正弦调制波，换流器交流相电压的PWM波形的电平和脉冲数量并没有增加，但鞍顶部分PWM波脉冲变宽了。

图2-45 注入1／6幅值三次谐波的PWM波形

（2）最小损耗SPWM法

在调制波中注入三次谐波不影响电压源换流器交流线电压的谐波含量，那么注入直流分量也不会影响线电压。随着载波频率的提高，电压源换流器的交流输出波形低次谐波含量变少，谐波畸变率更小，但功率开关管的开关损耗却大大增加。随着换流器容量的不断提高，功率开关管的开关损耗成为限制换流器容量提升的主要因素。鉴于此，在调制波中注入直流分量，使调制波在正半周或负半周总有1／3周期超过载波峰值而不调制，从而达到降低功率开关管开关损耗的目的。直流分量的注入方法有注入最大直流偏移信号、注入最小直流偏移信号和分段注入最大最小直流偏移信号。它们分别限制正半周、负半周和正负半周开关器件的开关次数，减小开关损耗。

注入最小直流偏移信号法其偏移量根据式（2-46）确定。注入后的调制波为u_refmin.x（x＝a，b，c），如式（2-47）所示。图2-46为注入最小直流偏移信号法的脉宽调制原理。注入直流分量后的调制波，在调制波的负半周约1／3周期其幅值超过了载波的幅值，脉冲宽度不调制，相应的功率开关管不动作，因而其开关次数减少约1／3，相应的开关损耗也降低了。

u_p＝-min（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）-1 （2-46）

u_{ref min.x}＝u_ref.x＋u_p （x＝a，b，c）（2-47）

图2-46 注入最小直流偏移信号脉宽调制原理

式中 u_p——直流偏移电压；

u_refmin.x——注入最小直流偏移信号后第x相的调制波；

u_ref.x——注入直流偏移信号前第x相的调制波；(www.xing528.com)

min（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）——注入直流偏移信号前三相调制波的瞬时最小值。

注入最大直流偏移信号法其偏移量根据式（2-48）确定。注入后的调制波为u_refmax.x（x＝a，b，c），如式（2-49）所示。与注入最大直流偏移信号法相对应，在调制波每个周期中的正半周约有1／3的周期，调制波的幅值超过三角载波幅值，脉冲宽度也不调制，相应的功率开关管不动作，因而其开关次数也减少了约1／3，相应的开关损耗也降低了。

u_p＝-max（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）＋1 （2-48）

u_{ref max.x}＝u_ref.x＋u_p（x＝a，b，c） （2-49）

其中 u_refmax.x——注入最大直流偏移信号后第x相的调制波；max（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）——注入直流偏移信号前三相调制波的瞬时最大值。

注入最小直流偏移信号和注入最大直流偏移信号法都使功率开关器件的开关损耗降低了，但其输出的PWM波形却不对称。注入直流分量的最小损耗法虽然减小了1／3的开关次数，但其开关损耗并不是最小的，因为功率开关器件不动作的区域并不是发生在其功率开关器件电流最大的时刻。而功率开关器件电流的幅值和相位与负载以及脉宽调制策略等密切相关，是变化的，因此，脉宽调制策略应能跟踪功率开关器件电流，使其尽可能在正半周和负半周电流最大时刻不开关，以最大程度限制开关损耗。因此，分段注入最大最小直流偏移信号的最小开关损耗常常被采用。其直流偏移信号根据式（2-50）分段确定^［28］，注入后的调制波为u_refmm.x（x＝a，b，c），如式（2-51）所示。图2-47为注入最大最小直流偏移信号法的最小损耗脉宽调制原理。

图2-47 分段注入最大最小直流偏移信号

a）移相前 b）移相后

u_p＝-k^∗max（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）-（1-k）^∗min（u_ref.a，u_ref.b，u_ref.c）＋（2k-1） （2-50）

u_refmm.x＝u_ref.x＋u_p（x＝a，b，c） （2-51）

式中 u_refmm.x——注入最大最小直流偏移信号后第x相的调制波；

其中

φ——负载电流与调制波电压的相移角。

分段注入最大最小直流偏移信号的最小损耗法综合了最大直流偏移信号注入法和最小直流偏移信号注入法，其偏移信号为零序分量，使调制波在正半周和负半周内各有1／6周期的区段幅值大于三角载波的幅值，功率开关器件不动作，开关次数减少各1／6，总的减少量不会超过1／3。同时脉宽调制可进行移相，开关损耗减小到最小。图2-47b为移相以后的调制图，显然移相后功率开关器件不动作区发生在电流幅值较大的时刻。