载波层叠调制在多电平变换器及两电平变换器中的应用

1. 载波层叠调制在MMC中的应用

  载波层叠调制在MMC中应用广泛。通过上下桥臂的调制波和多个载波进行比较，得到每个桥臂应该投入的模块数。如下图所示，上下桥臂各有4个模块，每个模块的电容电压是uc，直流侧电压是4uc。A相下桥臂的调制波是msinwt。四个调制波的范围从-1到1。将A相下桥臂调制波和四个载波比较完之后，相加，得到下桥臂端口电压（范围是0到4uc），其表达式为msinwt 2uc+2uc。A相上桥臂的调制波是-msinwt，端口电压表达式是-msinwt 2uc+2uc。B相下桥臂的调制波是-msinwt，端口电压表达式是-msinwt 2uc+2uc。以直流侧电压的负极为参考，则ua-ub=2msinwt 2uc=4uc msinwt=Udc msinwt。
  也就是说采用这个调制方式后，和两电平H桥的调制是等效的。另外上下桥臂的端口电压之和为4uc即直流电压。如果b点接到了电容的中点，那么ua-ub=msinwt 2uc=msinwt 0.5Udc，这个结论和半桥两电平逆变器是一致的。

2. 载波层叠调制在三电平变换器中的应用

  一个桥臂能够产生三种电平，从MMC的角度看，就是这个桥臂需要有2个模块，产生电平为0，uc和2uc。调制波将和两个载波相比。以下分析所说的端口电压的参考点都是直流侧负极，也就是说一个桥臂的电压，如果是两桥臂或者三桥臂，只需要将每个桥臂的端口电压相减就能够得到桥臂电压差。
  图a是T型三电平半桥电路，a点相对于直流侧负极有三种电平，0,0.5udc和udc。三种电平需要将调制波和两个载波进行比较得到。
  如下图所示，图a是三电平调制方法，将调制波msinwt和两个载波进行比较的结果相加后，得到图b。图b就是三中电平状态，0,0.5udc和udc。它的基波是msinwt+1。生成的端口电压uan是0.5udc+0.5msinwt udc。如果是半桥三电平，则uab=uan-0.5udc=0.5msinwt udc，如果是全桥三电平，uab=uan-ubn=0.5udc+0.5msinwt udc-(0.5udc-0.5msinwt udc)=msinwt udc。从半桥和全桥的端口电压上来看，在相同的调制波msinwt下，端口低压的基波幅值是两倍的关系。
  知道端口电平状态之后就能够得到开关状态，从而得到每个开关的占空比表达式，比如正半周有0.5udc和udc两种电平，udc对应着上管导通，0.5udc对应着中管导通，因此可得上管在正半周的占空比是msinwt，中管在正半周的占空比是1-msinwt。这个状态和两电平是不一样的，后面会进行分析。
  如果电平数为n，那么一个正弦波周期需要划分的区域就是2(n-2)个，每个区域交通导通的开关管只有两个。比如三电平划分两个区域，正半周一个，负半周一个。在每个区域内才能有变化的占空比，其他区域要么一直导通，要么一直关断。

3. 载波层叠调制在两电平变换器中的应用

  两电平变换器的每个桥臂只有两种状态，0和udc。在大家印象中两电平变换器的调制只需要一个载波，好像与载波层叠无关，但是两电平的调制可以看做是一个特殊的载波层叠调制。  如下图所示，只有一个载波，并且范围是正负1。根据多电平载波调制的理念，调制波与所有载波比较后的结果相加得到端口电压uan。同理，图b就是图a进行载波比较后的结果，其基波是0.5msinwt+0.5。由于两个信号比较和所选择的坐标系无关，所以图a的比较结果可以等效成图c的比较结果，同样也是0.5msinwt+0.5。进而可以得到端口电压的基波表达式为0.5msinwt udc+0.5udc。如果是半桥两电平，则uab=uan-0.5udc=0.5msinwt udc。如果是全桥两电平，uab=uan-ubn=0.5udc+0.5msinwt udc-(0.5udc-0.5msinwt udc)=msinwt udc。这个结论和三电平调制和MMC多电平调制是完全一样的。也就是说，它们的区别仅仅是电平数更多了，但是基波是一样的。

  得到端口电平状态之后，就可以得到开关状态了。如Udc对应上管导通，0对应下管导通。所以上管的占空比就是0.5msinwt+0.5，下管的占空比是-0.5msinwt+0.5。

4. 三相两电平变换器调制度的计算方法

  初学者常常把三相两电平桥式电路等效成单相全桥电路，其实是不对的。其应该等效成三个两电平桥臂的组合，也就是半桥电路的组合。另外，单相全桥可以看做是两个半桥电路的组合。总之，任意数量两电平桥臂可以看做是两电平半桥的组合。
  如下图所示，计算调制度应该是和网侧电压无关的，应为他反应的调制部分，仅仅和桥式电路（包含开关管和电容）相关。但是三相对称系统中网侧中性点和直流侧中点是等电位的。所以网侧电压可以等效成半桥两电平的端口电压基波。无论如何，三相两电平桥式电路是半桥的组合。

参考文献

牵引供电能量储存与再利用的单相MMC变换器研究
无源逆变电路PWM基础

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