SHEPWM对三电平NPC变频器共模电压的抑制作用

285/2007收稿日期：2007-07-02作者简介：钟玉林（1973-），男，研究方向为电力电子装置的电磁干扰和电磁兼容。

SHEPWM 对三电平NPC 变频器共模电压的抑制作用钟玉林，赵争鸣，张永昌（清华大学电机工程与应用电子技术系，电力系统国家重点试验室，北京100084）摘 要：降低变频器的共模电压消除及其产生的共模干扰，在高压大功率应用场合具有重要意义。

常规的特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)不能消除变频器输出相电压中共模分量。

应用SHEPWM 方法控制三电平中点箝位式变频器，分别采用消除三倍频谐波和不消除3倍频谐波两种方式，对比了这两种方法对消除共模电压的作用。

PSIM 仿真结果和实验结果都表明，采用消除三倍频谐波的SHEPWM 的方式，可成功消除低频的共模电压，证明了该方式对消除低频共模电压的有效性。

关键词：特定谐波消除脉宽调制；共模电压；三电平中点箝位式变频器中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1671-8410(2007)05-0028-06Suppression of Common Mode Voltage for Three-level NPCConverter Appling SHEPWMZHONG Yu-lin, Z HAO Zheng-ming, ZHANG Yong-chang(Department of Electrical Engineering , State Key Laboratory of Power System ,Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract:It is of vital importance to reduce or eliminate common mode (CM) voltage and the resulting CM interference in power converters, especially at high voltage with large capacity. The conventional Selected Harmonics Elimination PWM (SHEPWM) technique fails to reduce the CM component of the inverter output voltage. This paper utilized an improved SHEPWM method to eliminate tripling frequency harmonics of the inverter phase voltage. Comparison is given between eliminating tripling frequency harmonics (ETFH) and not eliminating tripling frequency harmonics (NETFH) SHEPWM. Both simulation and experimental results show that ETFH SHEPWM can eliminate CM voltage of 3-level neutral point clamped (3L NPC) power inverter effectively.Key words:SHEPWM; common mode voltage; three-level NPC inverter0引言Selected Harmonics Elimination PWM（SHEPWM ）称之为特定谐波消除脉宽调制技术，它是通过在特定时刻进行开关动作，在输出电压或电流波形上产生缺口，以消除某些指定次数的谐波的一种方法。

由于现在绝大多数的SHEPWM 都是提前计算好开关角度并存储成表格再使用，故也被称为开关预计算PWM 。

该技术自1973年诞生以来，对其研究和应用方兴未艾 [1~7]。

一般认为，SHEPWM 的主要优点有：波形对称性好，谐波分布容易控制；调制比相对较高，直流母线的电压利用率较高；与其他PWM 技术相比，在同等的开关频率下可以获得较好质量的输出波形，或者反过来说，在获得相同质量的输出波形的条件下，所需的开关频率较低。

这一点对高压大容量功率变换器，具有特别重要的意义。

因为开关频率降低，必然会导致损耗降低和变换效率提高。

考虑到开关损耗的影响，高压大功率变换器中开关频率一般都不超过1kHz 。

SHEPWM 的缺点主要表现在：很难实现在线实时计算，灵活性差；需要求解一组非线性超越方程，求解难度大[2~4]。

常规的SHEPWM 的研究和应用，主要集中于如何消除6K ±1次差模谐波，而认为3倍频次谐波已在线电压中自动抵消[4 ]。

在低压电力电子装置和设备中，由于线缆和器件设备的耐压裕量都很大，该方案可行。

但在高压大功率变换器（尤其是无输出隔离变压器的直接高压型功率变换器）中，由3倍频次谐波导致的共模问题日益突出[8~11]。

为降低成本，提高效率，必须解决此问题。

本文分析了变频器的共模干扰现象，用PSIM 软件仿真和实际的三电平逆变器平台实验的方法，分别实现了消除3倍频谐波和不消除3倍频谐波的SHEPWM 方式，并对两种方式的结果进行了比较，论证了消除3倍频谐波SHEPWM 对三电平NPC 变频器的共模电压的抑制作用。

1变频器中的共模干扰现象随着电力电子器件制造业的发展，器件的开关时间越来越短。

与此同时，电力电子系统容量越来越大，需要开关的电压、电流等级越来越高。

两者此消彼涨，促成电压上升率d v /d t 越来越高。

高的d v /d t 与电力电子系统（直流母排，电缆，异步电机等）的寄生电容相互作用，产生了共模漏电流，形成共模干扰。

图1是三电平直接高压型NPC 变频器驱动异步电机系统的拓扑，变频器输出端不接隔离变压器，而在经过LC 滤波器之后直接连接异步电机。

由于三相三桥臂电路在电气上的不平衡性，逆变器输出端的共模电压不为0，此共模电压加在电机的定子绕组和参考地之间。

由于定转子之间的静电耦合和电磁感应等因素，共模电压转换为电机轴电压。

轴电压与转子对机壳的寄生电容相互作用，产生高频d v /d t 轴电流；轴电压积累超过轴承润滑油膜的介电强度时，产生所谓的电火花加工机制（EDM ）电流。

在变频器供电的电机的轴承损坏中，有25％左右的危害是因这两种电流造成的[8]。

抑制共模干扰的方式很多，一般不外乎从软件（算法）和硬件方面的改进着手[9~11]。

文献[9~10]使用了有源滤波器，但由于器件的耐压问题该方案很难用于高压大容量场合。

文献[11] 通过改变传统的器件的结构布置，构造电压稳定节点来减小了Boost 变换器的共模EMI ，但高压大容量变频器考虑到安全可靠性，很难对器件的结构位置进行大的变动。

本文应用改进的SHEPWM 技术，属于软件改进方法的一种。

通过设置合理的开关角度，除消除常见的6K ±1外，尽可能消除低频的3倍频谐波，改进共模谐波的分布，以便设计输出滤波器。

2三电平NPC 逆变器结构和SHEPWM三电平NPC 的主电路拓扑如图2所示，该拓扑通常用于中高压大容量电力电子变换器。

本文实验用三电平NPC 逆变器平台，其开关器件为IGBT ，整流端采用6脉波的二极管不控整流，上下2个RLCD 缓冲电路分别为3个上桥臂和3个下桥臂共用。

在开关暂态过程中，缓冲电路需要一定时间才能达到稳态，直流母线电压才会稳定。

另外开关器件的开通和关断都需要时间，所以针对每一组具体的开关角度，需要考虑单管的最小脉宽和相间最小脉宽[12]，此处不作详细分析。

在三电平逆变器中，定义逆变器输出的相电压为桥臂的输出端(A/B/C)到直流母线中点O 之间电压。

定义SHEPWM 的点数为相电压在半周内输出的脉冲个数N (对应于1/4周期内器件开和关的次数总和为N )。

在实际应用中，为避免N 取偶数时调制比范围过小，一般N 均取奇数[3]。

在SHEPWM 中，变频器输出相电压波形与开关角度对应关系如图3所示。

图1三电平NPC 变频器驱动的异步电机系统Fig.1Three-Level NPC Inverter-Driven Inducton Motor System图2三电平NPC 变频器主电路拓扑Fig.2Topology of Three-Level NPC power convertermain circuit图3SHEPWM 电压波形和开关角度Fig.3Relationship between voltage waveform and SHEPWMswitching angles此处SHEPWM的波形关于半周期奇对称，1/4周期偶对称。

其傅立叶级数中，直流项、余弦项和偶次正弦项的相应系数为0。

假设直流母线电压为2E，半边直流母线电压为E。

本文中调制比M的物理意义定义如下：变频器输出相电压基波的幅值与直流母线半边电压之比。

正弦项的傅立叶系数如式(1)所示：(1)根据调制比M和待消除的谐波次数构建方程式(2)：(2)式(2)为非线性超越方程组，存在多种不同解法[2~3]。

利用MATLAB的fsolve函数，配以合理的初值，就可解出相应的一组开关角度。

图3中，假设SHEPWM的输出波形都是1/4周期对称的，这只是便于求解。

实际上，SHEPWM 本身并未对此有特别要求。

在仅要求1/2周期对称的情况下，理论上SHEPWM存在着无穷多组解[3]。

3不消除3倍频谐波仿真与实验在大容量变频器中，考虑到开关损耗和变换效率问题，一般开关频率不超过1kHz。

综合最小脉宽和谐波消除效果一起考虑，SHEPWM的点数N取为9。

与SVPWM不同的是，SHEPWM的桥臂开关频率与变频器输出频率呈线性关系：在输出40Hz时，桥臂等效开关频率为720Hz，采用V/f=C，调制比M=0.8< 1，SHEPWM方程组求解相对容易；在输出50Hz时，桥臂的等效开关频率为900Hz，调制比一般取为1，SHEPWM方程组求解难度大。

本文选择输出频率等于50Hz进行仿真和实验，直流母线电压为600V，半边电压为300V，调制比为1（对应电机线电压基波有效值约380V）。

不消除3倍频谐波时，变频器相电压中含有3、9、15、21等3倍频谐波，而出现的最小非3倍频谐波的次数为3N+2[2]。

同时，最大调制比M可达1.15。

在实际使用中，由于诸多条件限制调制比很难达到最大值。

取SHEPWM 的点数N=9，相应变频器相电压中消除的谐波次数为5、7、11、13、17、19、23和25。