2017第六届新能源发电系统技术创新大会

中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请关注微信号“电气技术”。

北京交通大学电气工程学院、北京市轨道交通电气工程技术研究中心、中国铁道科学研究院机车车辆研究所的研究人员张钢、董侃、刁利军、刘志刚，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，轨道交通用大功率车载牵引逆变器开关频率低、调速范围宽，其调制算法通常采用低频区异步调制、基频以上方波调制的方式，而中频区用于实现异步调制与方波调制的过渡，并对逆变器输出谐波特性进行改善。

该文对过调制和优化同步调制这两类中频区调制算法进行了研究，从调制性能、应用范围等方面进行了详细的对比分析，并通过仿真和实验进行了验证，结果表明：优化同步调制虽然数字实现相对复杂，但是具有更好的谐波特性，因此具有更广阔的应用前景。

大功率牵引逆变器受器件损耗和散热条件的限制，开关频率往往较低，且由于调速范围较宽、载波比变化范围较大，因此调制策略通常采用多种模式以满足不同频段的需求[1]。

其中，低频区由于基波频率较低、载波比较高，普通异步调制已能达到较好的控制效果且实现简单；高频区通常需采用方波调制，以充分利用直流电压，实现转矩输出最大化[2]。而中频区调制主要用于实现向方波调制的平滑切换，同时对低载波比下的谐波特性进行优化，降低尖峰电流和转矩脉动。

对于异步调制和方波调制，目前研究和应用已相对成熟，而对于中频区调制算法，目前主要有过调制和优化同步调制这两类。过调制数字实现简单，然而在大功率低开关频率的应用条件下，随着载波比降低，传统过调制策略表现出严重的不对称性，难以保证闭环系统的性能[3]。

优化同步调制策略主要有特定谐波消除调制(Selected Harmonic Elimination Pulse WidthModulation，SHEPWM)[4]、电流谐波最小调制(Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation，CHMPWM)[6]、最小损耗调制[8]及转矩脉动最小调制[10]。在上述优化算法中，以SHEPWM的研究和应用最为广泛，然而SHEPWM主要针对特定次电压谐波消除，对于牵引电机类负载其优化效果并非最优。

本文分别对过调制和优化同步调制这两类中频区调制算法进行了深入研究，从调制性能、数字实现以及应用范围等方面进行了详细对比，可为大功率牵引逆变器中频区调制算法的选择和实际工程应用提供重要依据。

图1 典型双区法过调制原理图

结论

大功率牵引逆变器中频区脉宽调制方法对实现电机高低速平滑切换，降低尖峰电流和转矩脉动具有重要意义。本文对牵引逆变器过调制和优化同步调制两类中频区调制算法进行了研究，并通过仿真及实验对其性能特点进行了对比，得到如下结论：

1）过调制策略数字实现较为简单，无需改变基于DSP定时器载波比较的传统脉冲发生方式，然而未对谐波特性进行优化，因此应用受限.

2）优化同步调制策略针对电压或电流谐波某一指标进行优化，谐波特性更优，但需对脉冲发生方式进行重新设计，使得数字实现略显复杂.

3）基于“DSP+FPGA”的硬件平台，可以将复杂的脉冲生成任务交由FPGA去完成，因此优化同步调制策略具有广阔应用前景。