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储能系统技术 储能系统 PWM控制 空间矢量调制SVPWM ★ 5.0

NPC逆变器中载波重叠调制与空间矢量调制等效性分析

Analysis of Carrier Overlap Modulation and Space Vector Modulation Equivalence in NPC Inverters

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 PWM控制 空间矢量调制SVPWM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 载波重叠脉宽调制 空间矢量脉宽调制 调制指数 等效关系 实验验证
语言:

中文摘要

为解决基于载波的脉宽调制(CBPWM)在低调制比下的电平退化问题,本文提出了载波重叠脉宽调制(COPWM)方法。由于其独特的倍频特性,COPWM在需要长时间低调制比运行的工业场景中具有广泛的应用。同样,空间矢量脉宽调制(SVPWM)在低调制比下具有更多的开关状态,并且可以通过增加调制段数来提高输出性能。许多文献研究了CBPWM和SVPWM方法之间的等效关系。然而,目前尚无关于COPWM和SVPWM方法之间等效关系的研究。研究这两种方法之间的关系有助于我们借鉴两种调制技术的优点,开发更有效的调制方法。本文分析了不同调制比和重叠率下COPWM和SVPWM方法之间的关系。研究得出,随着调制比和重叠率的增加,COPWM方法对应的等效SVPWM方法中参考矢量的合成方式趋于不规则。随后,通过调整空间矢量冗余状态的作用时间,SVPWM方法实现了与COPWM方法的输出等效。最后,实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。

English Abstract

Carrier overlapping pulsewidth modulation (COPWM) is proposed to address the level degradation issue in carrier-based pulsewidth modulation (CBPWM) at low modulation index. Due to its unique frequency multiplication band, COPWM has widespread application in industrial scenarios where long-term operation at low modulation index is required. Similarly, space vector pulsewidth modulation (SVPWM) exhibits more switching states at low modulation index, and the output performance can be enhanced by increasing the number of modulation segments. Numerous literature studies have analyzed the equivalence relationship between CBPWM and SVPWM methods. However, there is no research on the equivalence relationship between COPWM and SVPWM methods. Investigating the relationship between the two methods is beneficial for us to draw upon the strengths of both modulation techniques and develop more effective modulation methods. This article analyzes the relationship between COPWM and SVPWM methods under different modulation index and overlap ratios. It is concluded that as the modulation index and overlap ratio increase, the synthesis method of the reference vector in the equivalent SVPWM method for the COPWM method tends to become irregular. Subsequently, by adjusting the active time of redundant states of space vectors, the SVPWM method achieves output equivalence to the COPWM method. Finally, experimental results confirm the correctness and effectiveness of the proposed approach.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于载波重叠调制(COPWM)与空间矢量调制(SVPWM)等效性的研究具有重要的工程应用价值。在我们的光伏逆变器和储能变流器产品中,NPC(中点钳位)拓扑结构被广泛应用于中高压大功率场景,而调制策略的优化直接影响系统效率和电能质量。

该研究针对的核心问题——低调制度下的电平退化——在实际应用中具有显著意义。在光伏发电系统中,受光照条件变化、早晚低辐照时段以及储能系统的宽功率运行范围影响,逆变器经常工作在低调制度区间。传统CBPWM方法在此工况下输出波形质量下降,而COPWM通过独特的倍频带特性能有效改善这一问题,这对提升我们产品在全功率范围内的THD性能和效率表现至关重要。

论文建立的COPWM与SVPWM等效关系为控制策略优化提供了理论基础。通过调整冗余矢量的作用时间实现两种方法的输出等效,使我们能够灵活选择实现方式:在DSP平台上可采用计算效率更高的COPWM,在FPGA平台上则可利用SVPWM的硬件友好特性。这种互换性为多平台产品开发提供了便利。

技术挑战方面,研究指出高调制度和高重叠比下参考矢量合成趋于不规则,这可能增加实时控制的复杂度。对于阳光电源而言,需要在控制算法层面进行优化,平衡计算负荷与性能提升。建议在1500V高压光伏系统和大型储能PCS产品中优先验证该技术,通过实际工况测试评估其在全生命周期运行中的可靠性和经济效益,为下一代逆变器产品的调制策略升级奠定基础。