一種簡(jiǎn)化的三電平逆變器SVPWM控制方法

關(guān)鍵詞：空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)；多電平逆變器；中點(diǎn)電位偏移。 中圖分類號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A A Simplified SVPWM Method of Three - level Inverter YANG Xiao-ping, ZHANG Yi,WU Cheng-lin, MENG Yah-hi (Xi an niversity of technology, Xi an 710048, China) Abstract:Space - vector PWM has been used widely in control of multi - level inverters, but there s a disadvantage that the control arithmetic will be more complicated if the number of level increases. This paper presents a simplified three - level SVPWM which can use two - level SVPWM method and also be used in multi - level PWM above three. Moreover, the corresponding midpoint - voltage control method has been put forward to solve inherent midpoint - voltage excursion of three - level diode- clamped inverter. At last, simu- lation results proved the feasibility of given control arithmetic. Key words: space - vector PWM; multi - level inverter; midpoint - voltage excursion 1 引言 目前較多使用的三電平PWM方法為基于載波的PWM技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)。由于SVPWM控制較靈活，開關(guān)損耗較小，并且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，直流電壓利用率高，所以得到了廣泛的使用。如今有多種三電平SVPWM方法被提出，但多是采用從空間矢量圖中尋找參考電壓矢量所在的小三角形并計(jì)算作用時(shí)間的方法，[1]這使 SVPWM算法在用于更高電平時(shí)復(fù)雜化。而且，三電平二極管嵌位電路存在著固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問(wèn)題，它將導(dǎo)致輸出電壓中包含偶次諧波，這也是PWM算法中必須考慮的。[2] 針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種簡(jiǎn)化的SVP - WM算法，將三電平參考電壓矢量轉(zhuǎn)化至兩電平空間矢量區(qū)，從而可以利用已有的成熟的兩電平 SVPWM技術(shù)直接進(jìn)行調(diào)制。另外，根據(jù)電容電壓偏差和負(fù)載的狀態(tài)，采用一定的中點(diǎn)電位控制技術(shù)維持了電容電壓平衡。 2 簡(jiǎn)化的三電平逆變電路SVPWM算法 圖1為一二極管嵌位型三電平逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖。其中每相橋臂都有三種開關(guān)狀態(tài)，從而有三種開關(guān)變量：2，1，0。因此三電平逆變器共有27個(gè)開關(guān)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)著19個(gè)不同的空間電壓矢量，包括6個(gè)大矢量，6個(gè)中矢量，6對(duì)小矢量，以及含有3個(gè)冗余開關(guān)狀態(tài)的零矢量，如圖2(a)所示。表1則示出了三電平逆變器A相的開關(guān)狀態(tài)。 E為直流電壓。 圖2 三電平空間矢量圖和二電平空間矢量圖 本文將三電平空間矢量圖分成7個(gè)六邊形(即二電平空間矢量區(qū))。圖3示出了劃分方法，已經(jīng)考慮了中點(diǎn)電容電壓控制的要求(后文將作具體闡述)，其中的數(shù)值即為各小三角區(qū)所屬的二電平空間矢量分區(qū)號(hào)。這7個(gè)區(qū)分別以零矢量和6個(gè)小矢量作為中心點(diǎn)。 圖3 三電平空間矢量圖的簡(jiǎn)化方式根據(jù)圖3，各區(qū)的判斷規(guī)則如下： 得到兩電平參考矢量后，即可按照兩電平空間矢量調(diào)制方法判斷所屬扇區(qū)，確定輸出矢量組，并根據(jù)伏妙平衡原則計(jì)算各矢量作用時(shí)間，各矢量作用時(shí)間計(jì)算公式如下： 確定輸出矢量順序時(shí)，為了減少開關(guān)損耗，逆變器每次只有一條支路的器件發(fā)生通斷動(dòng)作，且不允許有2和0狀態(tài)的直接跳變。再者考慮到避免扇區(qū)突變，每個(gè)輸出矢量組都是以零矢量(0，0，0)作為開始和結(jié)束的矢量。 根據(jù)上述步驟得到了該二電平參考矢量相應(yīng)的輸出矢量組。而后加上對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)矢量的開關(guān)變量，就是所要輸出的三電平參考矢量的輸出矢量組。三電平矢量空間中2號(hào)二電平矢量區(qū)的開關(guān)模式見表3。其他各區(qū)同理可得。 3 中點(diǎn)電位控制 三電平二極管嵌位型逆變電路存在著固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問(wèn)題(Capacitor Vortage Unbalance，簡(jiǎn)稱CVU)，若對(duì)其不加以控制，會(huì)造成輸出電壓波形的畸變，并且可能會(huì)令部分開關(guān)器件承受過(guò)高的電壓應(yīng)力而破壞。CVU產(chǎn)生的原因是因?yàn)楦魇噶恳鸬闹悬c(diǎn)電流會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電位的振蕩。而在各矢量中，中矢量將相電流與中點(diǎn)電位聯(lián)系了起來(lái)，使得中點(diǎn)電位要部分的取決于負(fù)荷情況，所以它們是CVU產(chǎn)生的重要原因。[3]但是大矢量和零矢量并不會(huì)影響中點(diǎn)電位。而一對(duì)小矢量中的正、負(fù)模式矢量雖然會(huì)產(chǎn)生相反的中點(diǎn)電流，但是對(duì)輸出電壓的作用是等效的，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)正、負(fù)小矢量的作用時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡。 各矢量產(chǎn)生的中點(diǎn)電流可由下式求出： 4 三電平SVPWM控制仿真結(jié)果 本文利用MATLAB中的電力系統(tǒng)仿真庫(kù)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下。圖5為仿真用的系統(tǒng)框圖。 上圖是逆變器輸出線電壓波形。在0．08s之后，波形都發(fā)生嚴(yán)重畸變，但是經(jīng)過(guò)中點(diǎn)電位控制后的波形相對(duì)更加接近五電平階梯波。 這兩幅為上下電容電壓差值變化波形。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)控制后的上下電容電壓差值的最大值更小，而且基本是以x軸為中線上下變化的，未經(jīng)控制的電容電壓差值則逐漸增大。 5 五電平SVPWM控制的實(shí)現(xiàn)及其仿真 上述方法還可用于多電平SVPWM控制，以五電平SVPWM控制為例。先將參考電壓進(jìn)行3／2變換，然后依照三電平SVPWM方法將五電平空間矢量圖劃分為7個(gè)三電平空間矢量區(qū)，判斷參考電壓所處三電平空間矢量分區(qū)，然后即可應(yīng)用上述三電平SVPWM控制方法，確定輸出矢量組及其作用時(shí)間。圖8為仿真波形，采用開環(huán)控制，假定電容電壓保持平衡。 6 結(jié)論 本文提出的簡(jiǎn)化的三電平SVPWM算法，經(jīng)過(guò)參考電壓轉(zhuǎn)換后，可以直接使用已有二電平 SVPWM算法來(lái)確定輸出矢量組及其作用時(shí)間，該方法理論上可應(yīng)用于各種電平數(shù)目及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而相應(yīng)的中點(diǎn)電位控制方法，則可以實(shí)現(xiàn)平衡電容中點(diǎn)電位的目的。 參考文獻(xiàn) [1] 宋強(qiáng)，劉文華，姜齊榮，等．基于參考電壓分解的新型多電平逆變器空間矢量調(diào)制方法[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26 (20)：35～38． [2] 劉亞?wèn)|，黃立培．三電平電壓型逆變器空間矢量調(diào)制算法的研究[J]．電工電能新技術(shù)，2002．10,21(4)：15～19． [3] Nikola Celanovic, and Dushan Boroyevich. A ComprehensiveStudy of Neutral - Point Voltage Balancing Problem in Three - level Neutral- Point- Clamped Voltage Source PWM Inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, 15 (2) : 242～249. [4]吳洪洋．多電平變換器及其相關(guān)技術(shù)研究[B]．浙江：浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2001．