楊國(guó)良，張恩貝，方一鳴

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島066004）

引言

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電變流器的電壓與電流等級(jí)也在不斷提高，因此多電平變流器拓?fù)涞玫搅藦V泛關(guān)注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)，獲得更多級(jí)（臺(tái)階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。因此直驅(qū)風(fēng)電型多電平變流器是現(xiàn)在將來(lái)風(fēng)電發(fā)展的主流趨勢(shì)。

基于電壓型三電平逆變電路的多電平逆變電路，特別是三電平逆變電路已進(jìn)入實(shí)用化階段，對(duì)其進(jìn)行研究和分析很有實(shí)際意義。一般認(rèn)為多電平逆變器是建立在三電平逆變器的基礎(chǔ)上，按照類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓展而成的。電平數(shù)越多，所得到的階梯波電平臺(tái)階越多，從而越接近正弦波，諧波成分越少。但這種理論上可達(dá)到任意N電平的多電平逆變器，在實(shí)際應(yīng)用中由于受到硬件條件和控制復(fù)雜性的制約，通常在追求性能指標(biāo)的前提下，并不追求過(guò)高的電平數(shù)，而以三電平最為實(shí)際。國(guó)外也有對(duì)七電平及更高電平的研究，但都還不成熟，特別受硬件條件和控制性能的限制，還處于理論研究階段。目前三電平逆變器的主要控制方法有消諧波PWM法，開(kāi)關(guān)頻率最優(yōu)PWM法和空間矢量PWM法等?？刂品椒ǖ难芯渴侨娖侥孀兤餮芯康囊粋€(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 二極管鉗位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

三電平逆變器的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有一些共同優(yōu)點(diǎn)，如適合大容量、高電壓變頻場(chǎng)合，由于開(kāi)關(guān)器件在較低的工作頻率下可以獲得較好的波形，因此開(kāi)關(guān)損耗低，效率高，電路的電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕等。

圖1給出了一種三電平逆變電路，為中點(diǎn)鉗位型（neutral point clamped）逆變電路，開(kāi)關(guān)器件選用IGBT，電路的每相橋臂有4個(gè)開(kāi)關(guān)元件、4個(gè)續(xù)流二極管和兩個(gè)鉗位二極管。兩個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過(guò)鉗位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連接。鉗位二極管在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)提供電流通道防止電容短路。

圖1 二極管鉗位式三電平逆變器主電路

（1）開(kāi)關(guān)管S1和S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，S3和S4同時(shí)關(guān)斷，若電流從逆變電路流向負(fù)載，即從p點(diǎn)經(jīng)由S1和S2到達(dá)輸出端a，忽略開(kāi)關(guān)器件的正向?qū)▔航担敵龆薬的電位等同于p的電位，即Vdc/2；若電流從負(fù)載流向逆變電路，這時(shí)電流從a分別經(jīng)過(guò)D12、D11流進(jìn)p點(diǎn)，這時(shí)輸出端a的電位仍等同于p 的電位，如圖2（a）所示。

（2）開(kāi)關(guān)管 S2和 S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，S1和 S4同時(shí)關(guān)斷，若電流從逆變電路流向負(fù)載，即從中性點(diǎn)o點(diǎn)經(jīng)由D1和開(kāi)S2到達(dá)輸出端a，輸出端a的電位等同于o點(diǎn)的電位，即0電位；若電流從負(fù)載流向逆變電路，這時(shí)電流從a分別經(jīng)過(guò)S3和D2流進(jìn)o點(diǎn)，這時(shí)輸出端a的電位仍等同于o點(diǎn)的電位,如圖2（b）所示。

（3）管S3和S4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，S1和S2同時(shí)關(guān)斷，若電流從逆變電路流向負(fù)載，即從負(fù)電位n點(diǎn)分別經(jīng)過(guò)D21、D22到達(dá)輸出端a，輸出端a的電位等同于n的電位，即-Vdc/2；若電流從負(fù)載流向逆變電路，電流從輸出端a分別經(jīng)過(guò)S3和S4流進(jìn)n點(diǎn)，忽略開(kāi)關(guān)器件的正向?qū)▔航?，這時(shí)輸出端a的電位仍等同于 n 的電位，即-Vdc/2，如圖2（c）所示［3］。

圖2 三電平逆變器相電壓3種輸出電平

需要注意的是，S1和S4不能同時(shí)導(dǎo)通，S1和S3、S2和S4工作在互補(bǔ)狀態(tài)，平均每個(gè)主開(kāi)關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為Vdc/2，這也是三電平逆變器的基本控制規(guī)律之一［4］。

三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)控制基本原則如下：對(duì)應(yīng)于a（b，c）相的3種狀態(tài)，為了保證每次輸出狀態(tài)變化過(guò)程中動(dòng)作的開(kāi)關(guān)器件最少，該相電位不能在Vdc/2和-Vdc/2之間直接變化，表1給出了a相電位發(fā)生變化時(shí)，功率開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)。在設(shè)計(jì)時(shí)，其硬件及軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循表1規(guī)律（“-”表示關(guān)斷，“+”表示導(dǎo)通）。

表1 a相開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)

2 三電平逆變器SVPWM算法

2.1 區(qū)域判斷

區(qū)域判斷的目的主要是找出合成參考電壓矢量的3個(gè)基本矢量。傳統(tǒng)算法根據(jù)三電平基本空間矢量圖將整個(gè)矢量空間先分成6個(gè)大扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)在空間占60°。再將每個(gè)大區(qū)域分成4個(gè)小區(qū)域。

由于基本空間矢量中的短矢量在每個(gè)采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù)多，為了算法及仿真的準(zhǔn)確性，故將每個(gè)大區(qū)域細(xì)分成6個(gè)小區(qū)域。按照這樣的劃分方法，三電平SVPWM算法的扇區(qū)劃分和小區(qū)域劃分分別如圖3和圖4所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示各個(gè)大扇區(qū)用 1、2、3、4、5、6 表示小區(qū)域。

圖3 三電平SVPWM算法的扇區(qū)劃分

因?yàn)榇髤^(qū)域按照矢量角度每60°為一區(qū)劃分，因此可以按照參考電壓矢量的角度判斷其所在的大區(qū)域。根據(jù)小區(qū)域的區(qū)域分布情況和幾何關(guān)系可以按照以下方法判斷參考電壓矢量所在的小區(qū)域［9］。

以第Ⅰ大區(qū)為例，如圖4所示，參考電壓矢量Vref在α軸和β軸上的投影分別為Vα和Vβ，幅角為θ，則有

（1）當(dāng)θ≤30°時(shí)，Vref在小區(qū)域1或3或5內(nèi)。 若則Vref在小區(qū)域1內(nèi)；若則Vref在小區(qū)域 5內(nèi)；否則，Vref在小區(qū)域3內(nèi)。

圖4 小區(qū)域判斷

（2）當(dāng)θ≥30°時(shí)，Vref在小區(qū)域2或4或6內(nèi)。若則Vref在小區(qū)域2內(nèi)；若，則 Vref在小區(qū)域 6 內(nèi)；否則，Vref在小區(qū)域4內(nèi)。

2.2 時(shí)間計(jì)算

判斷出參考電壓矢量所在的區(qū)域，根據(jù)NTV（nearest triangle vector）法則，也就找到了合成參考電壓矢量的3個(gè)基本矢量V1、V2、V3，連同參考電壓矢量Vref一起，代入伏秒平衡方程組得

解出 T1、T2、T3即完成了三電平 SVPWM 算法對(duì)基本空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算。如以Ⅰ大區(qū)4小區(qū)為例，則有

將其代入伏秒平衡方程組得

此方程按實(shí)部，虛部分開(kāi)后得

解得 T1、T2、T3分別為

3 三電平逆變器中點(diǎn)電壓波動(dòng)定性分析

由圖5所示，電容C1、C2為直流分壓電容。由于電容電壓沒(méi)有被恒流源所固定，因此中點(diǎn)電位是波動(dòng)的，且其值的改變正比于中點(diǎn)電流。若不考慮負(fù)載，各開(kāi)關(guān)狀態(tài)與中點(diǎn)電流的情況密切相關(guān)，并且可以描述為以下4種情況：

零矢量狀態(tài)（如 000，111，-1-1-1）時(shí)，由于沒(méi)有電流流過(guò)中點(diǎn)，所以不會(huì)引起中點(diǎn)電位的波動(dòng)。

大矢量狀態(tài)（如 11-1，-1-11，等）時(shí)，由于每相的終端直接連在直流側(cè)的正端或負(fù)端，因此中點(diǎn)電位不會(huì)受影響，如圖5（a）和（b）所示。

中矢量狀態(tài)（如10-1）時(shí)，由于有一相的終端直接連在中點(diǎn)，所以會(huì)引起中點(diǎn)電位平衡的改變。如圖5（c）所示。

小矢量狀態(tài)（如110）時(shí)，至少有一相連在中點(diǎn)，因此也會(huì)影響中點(diǎn)電位的平衡。由于小矢量的存在都是以成對(duì)方式出現(xiàn)的，比如110和00-1，它們的輸出電壓相同但是對(duì)中點(diǎn)電位的影響相反。如圖5（d）～（g）所示。

圖5 中小矢量與中點(diǎn)電位的關(guān)系

圖5 為各矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)的等效電路，其中M代表負(fù)載。由圖5可以看出中小矢量時(shí)均有電流從負(fù)載流入兩電容之間或從兩電容流向負(fù)載。電流的流入與流出必將引起兩個(gè)電容沖放電。當(dāng)電流流入中點(diǎn)時(shí)，中點(diǎn)電位將升高；當(dāng)電流流出中點(diǎn)時(shí)，中點(diǎn)電位將降低［17］。

4 仿真驗(yàn)證

完整的仿真模型如圖6所示。

三電平SVPWM逆變器模塊主要有電壓3/2變換模塊、扇區(qū)判斷與角度計(jì)算模塊、區(qū)域判斷與調(diào)制比模塊、作用時(shí)間判斷模塊、時(shí)間分配模塊和SVPWM輸出模塊組成。

三相電壓首先在Subsystem4中經(jīng)過(guò)3/2變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再在Subsystem5中進(jìn)行大扇區(qū)判斷并計(jì)算出角度，在Subsystem中判斷電壓矢量所在的小區(qū)域，隨后在Subsystem3內(nèi)計(jì)算出作用時(shí)間，在Subsystem1中對(duì)時(shí)間進(jìn)行分配，在Subsystem2中產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，根據(jù)Vector Status和Switch Status中的開(kāi)關(guān)表對(duì)主電路開(kāi)關(guān)管進(jìn)行觸發(fā)。

圖6 三電平逆變器SVPWM仿真模型

4.1 大扇區(qū)判斷

該模塊主要包含兩個(gè)功能：通過(guò)參考矢量的角度判斷其所在的大扇區(qū)N；將參考矢量的角度轉(zhuǎn)換為第一扇區(qū)中對(duì)應(yīng)的角度，仿真模型如圖7所示。

圖7 大扇區(qū)判斷模型

4.2 小區(qū)域判斷

小區(qū)域判斷模型如圖8所示，按照上文區(qū)域判斷部分中所述傳統(tǒng)三電平SVPWM算法判斷小區(qū)域時(shí)的邏輯關(guān)系直接搭建仿真模型。判斷時(shí)按照假設(shè)條件逐層遞進(jìn)，直到判斷出參考矢量仿真結(jié)果。

圖8 小區(qū)域判斷模型

4.3 仿真結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流母線電壓為600 V，載波頻率為50 Hz，開(kāi)關(guān)頻率為1 000 Hz。負(fù)載部分采用三相對(duì)稱負(fù)載代替電機(jī)，電阻R=4 Ω，電感L=20 mH。仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 a相電流仿真結(jié)果

圖10 小區(qū)域仿真結(jié)果

圖11 a相電壓仿真結(jié)果

圖12 ab兩相線電壓仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)三電平逆變器的SVPWM的常規(guī)算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和推導(dǎo)，隨后對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了易于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的SVPWM算法。仿真結(jié)果表明，該算法能輸出期望的三電平線電壓波形，所采用的中點(diǎn)電位控制方法能在很大程度上減小中點(diǎn)電壓的波動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常容易。

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