1引言

    高压变频装置在能源与电能变换扮演着重要角色，广泛应用于油气输送、空气压缩机、抽水蓄能等大功率工业领域。为提高效率，通常采用增加额定电压的方式来减少通态损耗。多电平变频器可输出更高的电压等级，且采用低耐压的功率开关器件，输出电压谐波畸变率小，电磁干扰低，已成为大功率交流传动领域的有效解决方案。

    多电平变频器的实现主要有中点箝位拓扑结构和两电平H桥级联拓扑结构等两种方式。

    中点箝位多电平变频器的优点是结构简单，易实现能量回馈，但在大于三电平的变频器中，直流电容电压的平衡比较困难，从而限制了电平数的提高。两电平H桥级联多电平变频器通过单元级联可以轻易地获得更多电平，器件耐压要求低，但结构复杂，系统的动态性能难以提升，能量回馈困难，只适合性能要求不高的应用场合[1,2]。

    针对这两种多电平拓扑的优缺点，Lai等人提出了NPCH桥多电平结构。采用此结构可以在一定程度上简化系统，并减少高压隔离的直流电源数量。目前市场上已有此类产品，如ABB公司的ACS5000变频器、TMEIC公司的TMdrive-XL85系列变频器等。

    本文针对NPCH桥式五电平变频器，研究了其拓扑结构和调制策略等问题，结合PSIM仿真和样机实验进行了分析与验证，给出了调制波移相调制方式的实际应用情况。

2NPCH桥功率单元

    图1给出了NPCH桥五电平变频器A相的拓扑结构。每相由2个三电平桥臂以H桥方式连接组成。其中，为功率开关器件，且每个开关器件均反并联续流二极管，每个桥臂均有两个箝位二极管，直流侧电压为2E，变频器单相输出电压为。

图1NPCH桥五电平变频器A相拓扑结构

    NPCH桥五电平变频器与NPC三电平变频器相比，其相电压有5个电压等级，减小了输出电压的和谐波畸变率THD。由于没有开关器件的串联，所以消除了功率开关器件的动态和静态均压问题。采用三次谐波注入的正弦脉宽调制方式时，各相输出电压的有效值为

    是单相输出电压基波有效值，是直流侧电压，M为调制系数。当直流侧电压时，输出线电压有效值。当输出电流有效值为1.75kA时，NPCH桥五电平变频器输出功率可达到20MW。

    图2所示为基于IGCT的20MWNPCH桥电平变频器拓扑结构。变频器各相包括两个完全相同的6脉波二极管整流器，分别由移相变压器二次侧两个三相对称绕组供电，从而减小进线电流的谐波畸变率。

图220MWNPCH桥五电平变频器拓扑结构

3载波层叠调制策略

    载波层叠脉宽调制策略的基本原理是使用一个正弦调制波与几个三角载波进行比较，在正弦波与三角载波相交的时刻，进行相应的开关切换，以实现特定电平的电压输出。

    本文中NPCH桥五电平变频器采用的载波层叠控制策略，根据载波和调制波的不同，可分为载波同相层叠(PhaseDisposition，PD)调制方法、正负反相层叠(PhaseOppositeDisposition，POD)调制方法和载波交替反相层叠(AlternativePhaseOppositeDisposition，APOD)调制方法[4,5]。另外，还有调制波移相（ModulationWavePhaseShift，MPS）的调制方法。

    依据相关文献[4]分析可知，三种载波层叠调制方法中，载波同相层叠PD调制输出线电压谐波频谱特性最好。定义和分别为调制波的频率和幅值，和分别为三角载波的频率和幅值，载波比，调制系数，为调制波角频率，为三角载波角频率，E为半边直流电压，为n阶第一类贝塞尔函数。

3.1载波同相层叠（PD）

    图3所示为应用于NPCH桥五电平变频器的载波同相层叠调制方式。三角载波vc1、vc2、vc3、vc4相位和幅值相同，但在垂直方向以相同的相位上下排列叠加。

图3NPCH桥五电平变频器的PD调制

    当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通。这样产生了4路独立的门极开关信号，进而根据开关器件控制信号间的互补关系，可得到8个开关器件的门极控制信号。

    通过双变量控制的傅立叶级数分析PD调制的谐波频谱特性，双变量控制波形的傅立叶级数表达式为：

    变频器A相输出相电压和线电压的傅立叶级数表达式如式（3）、式（4）所示：

    NPCH桥五电平变频器采用PD调制方式时，其输出相电压的谐波含量主要为载波倍频附近的边带谐波，由于零值上下的载波不对称，所以输出的相电压不满足二分之一周期对称的关系，因此包含偶次谐波。其谐波分量主要为奇次载波倍频及其附近的偶次边带谐波、偶次载波倍频附近的奇次边带谐波，如等。输出线电压的谐波分布与相电压基本一致，相电压中的三次谐波分量被消除。

3.2调制波移相（MPS）

    针对NPCH桥五电平变频器，可将三相左、右桥臂分别看作两个NPC三电平变频器，相当于两个NPC三电平变频器的级联，图4所示为适用的调制波移相调制方式。调制波和具有相同的频率和幅值，超前的角度为θ。三角载波和相位和幅值相同，但在垂直方向以相同相位上下排列叠加。

图4NPC/H桥五电平变频器的MPS调制r

    当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通；当调制波时，开关器件导通。这样产生了4路独立的门极开关信号，根据开关器件控制信号间的互补关系，也可得到8个开关器件的门极控制信号。

    令调制度ma=0.95，当移相角θ=300时，输出相电压为三电平、线电压为五电平；当移相角θ=800时，输出相电压为五电平、线电压为七电平；当移相角θ=1800时，输出相电压为五电平、线电压为九电平。

    令移相角θ=1800，当ma=0.4时，输出相电压为三电平、线电压为五电平；当ma=0.6时，输出相电压为五电平、线电压为七电平；当ma=0.9时，输出相电压为五电平，线电压为九电平。

    本文采用移相角θ=180的调制波移相调制方式。通过双变量控制的傅立叶级数分析其谐波频谱，变频器A相输出相电压和线电压的傅立叶级数表达式如式（5）、式（6）所示：

    由式（5）及（6）可知，五电平变频器输出相电压频谱中不含偶次谐波，且偶次载波倍频附近存在奇次边带谐波，如等；线电压中三倍频边带谐波被消除，只包含次等谐波，且不含偶次谐波。

4仿真验证

    在PSIM仿真软件中搭建NPCH桥五电平变频器仿真模型，直流侧电压，调制波频率，三角载波频率，载波比，调制系数M=0.9，负载采用RL阻感负载。

    相电压VAN和线电压VAB的仿真输出波形如图5所示。对三种调制方式的相电压VAN和线电压VAB进行FFT频谱分析，表1为不同调制方式输出波形谐波次数的比较。

(a)PD调制

(b)MPS调制

图5相电压VAN和线电压VAB的输出波形

(VAN/（kV/格）;VAB/（kV/格）;t/（5ms/格）)

表1不同调制方式谐波次数的比较

    由表1可知，变频器分别采用PD调制和MPS调制时，输出相电压和线电压频谱分布与理论公式计算结果一致，验证了双变量控制傅立叶级数分析的正确性。

    PD调制的相电压频谱最主要的谐波是第一载波分量，低次谐波含量较高；MPS调制的相电压频谱的最主要的谐波是2倍载波频率附近的边带谐波，易于滤除；采用PD调制输出相电压THD为32.60%，采用MPS调制输出相电压THD为32.92%，二者区别不大。

    当系统处于低调制度工况时，PD调制方式的应用中，每相在一个周期内只有右桥臂开关动作，左桥臂不发生开关动作，会造成左、右桥臂器件的开关频率不平衡，影响功率器件的热分布，限制了变频器的输出容量。若以固定的周期进行左、右桥臂控制信号的切换，实现功率器件的热平衡，则增加了控制方式的复杂性，降低了系统运行的可靠性。MPS调制方式，则可自动实现左、右桥臂功率器件等效开关频率的平衡分布，有利于系统的安全可靠运行。

5HD8000变频器实验与应用

    基于本文研究的调制策略，禾望电气成功研制出HD8000系列变频器，如图6所示。系统主电路结构如图2所示。系统采用模块化结构设计，功率开关器件采用4.5kV/4kAIGCT，半边额定直流电压2.5kV，输出频率0～80Hz，控制系统采用数字信号处理芯片TMS320F28346结合现场可编程门阵列FPGA实现。

图6HD8000系列变频器外观

Fig6TheappearanceofHD8000inverter

    图7(a)所示为HD8000系列变频器空载输出电压电流波形（线电压测量采用电阻分压测量方式，显示值为实际值的1/4），图7(b)所示为HD8000系列变频器感性负载满电流实验波形。

(a)空载满电压实验波形

(1：线电压波形；2：负载电流波形)

(电压/(2kV/格)；电流/(100A/格)；t/(10ms/格))

(b)感性负载满电流实验波形

(1：器件端电压；3：A相负载电流；4：B相负载电流)

(电压/(1kV/格)；电流/(1kA/格)；t/(5ms/格))

图7HD8000系列变频器实验波形

Fig7ExperimentresultsofHD8000inverter

    图8所示为在不同调制系数下，变频器A相左右桥臂输出电压波形。可见，低调制度工况下，调制波移相调制方式仍然可以保证左、右桥臂开关频率平衡。

(a)M=0.99

(b)M=0.3

图8不同调制度下，A相左、右桥臂电压波形

(电压/(20V/格)；t/(5ms/格))

Fig8ExperimentresultsofvoltagewaveformsfortwolegsofphaseAwithdifferentmodulationindex

    HD8000系列变频器额定输出电压6.6kV，额定输出电流1.75kA，输出容量达到20MW，可广泛应用于大型风机、水泵等无需能量回馈的大功率领域。目前，HD8000系列变频器已成功应用于油气输送领域。

6结论

    本文对NPCH桥五电平变频器的拓扑结构和调制策略进行了分析研究。傅立叶级数分析和仿真结果表明，载波同相层叠调制方式低次谐波含量高，且不适用于低调制度的工况，而调制波移相方式则具有较好的性能和适应性。禾望电气HD8000系列变频器上的负载实验验证了该调制策略的正确性和有效性，该系列的变频器已成功应用于油气输送领域。