何浪+易靈芝+羅曉雪+朱廣輝+陳鴻蔚+李勝兵

收稿日期：2013-06-09

基金項目：國家能源局-國家發(fā)展改革委項目（發(fā)改2011(1952)號）；湖南省自科基金項目(11JJ8004)；湖南省教育廳重點項目(JG2011A012)

作者簡介：何 浪(1988—)，男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向：清潔能源并網(wǎng)技術(shù)。

文章編號：1003-6199(2014)02-0046-06

摘 要：新型開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有發(fā)電容量大、效率高、起動和發(fā)電組合容易等優(yōu)點，三電平逆變器具有能減少開關(guān)損耗和濾波電感損耗并有降低開關(guān)應(yīng)力等特點。利用三電平逆變器轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢，結(jié)合新型開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)低風(fēng)速發(fā)電特點，降低開關(guān)損耗和開關(guān)器件電壓應(yīng)力，提高裝置可靠性。仿真實驗結(jié)果表明：用三電平逆變器能夠很好的實現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的逆變要求。



關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)；三電平逆變器；開關(guān)器件電壓應(yīng)力；轉(zhuǎn)換效率

中圖分類號：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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Study on Threelevel Inverter of SRG System



HE Lang1,YI Lingzhi1,LUO Xiaoxue1,ZHU Guanghui2,CHEN Hongwei3,LI Shengbing1

(1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing (Xiangtan University), 

Ministry of Education,Xiangtan,Hunan 411105，China；

2. Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co Ltd,Xiangtan,Hunan 411101，China；

3. Xiangtan electric Limited by Share Ltd,Xiangtan,Hunan 411101，China)

Abstract:The newstyle switched reluctance generator has many advantages, such as great generating capacity, high efficiency, as well as convenient combination of starting, and generating electricity. In addition, the loss of switches and filter inductors can be reduced by threelevel inverters. It can reduce the switch loss and voltage stress of devices, by making use of threelevel inverters, the reliability of devices can be improved. With high conversion efficiency and combining, this newstyle switched reluctance generator can achieve the low wind power characteristics. Simulation results has verified that threelevel inverters can meet the requirement of switched reluctance generator.



Key words:Switched Reluctance Generator (SRG);Threelevel inverter;voltage stress of switching devices;conversion efficienc



1 引 言

隨著新型大容量電力電子設(shè)備的應(yīng)用以及新型風(fēng)力葉片的出現(xiàn)，風(fēng)能作為清潔能源，施工周期短、清潔無污染、占地少、投資靈活，有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，受到全世界高度重視。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因為其可靠性高，成本低，已成為現(xiàn)階段新能源發(fā)電技術(shù)的研究熱點，越來越多的新型技術(shù)被研究應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電技術(shù)當(dāng)中［1］。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,開關(guān)磁阻電機(jī)能使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，提高風(fēng)能利用效率，實現(xiàn)復(fù)雜控制。

與兩電平逆變器相比，三電平逆變器輸出電壓諧波含量少，效率高，開關(guān)損耗小。三電平逆變器可利用自身優(yōu)點,減少開關(guān)損耗,提高效率,解決開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電的問題。

2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)原理及特性

開關(guān)磁阻電機(jī)是簡單的通過改變相電流的導(dǎo)通角就能夠讓電機(jī)工作在電動狀態(tài)或者發(fā)電狀態(tài)。在電動運(yùn)行時，選擇的導(dǎo)通角要使相電流能流過dL/dθ＞0的區(qū)域，而要在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，選擇的導(dǎo)通角要使相電流能流過dL/dθ＜0的區(qū)域［1］。

圖1 典型的4相SRG主電路拓?fù)洫オ?/p>

圖1是一種典型的4相SRG不對稱橋的主電路驅(qū)動拓?fù)?。我們可以假設(shè)：忽略在極角處的邊緣效應(yīng)；忽略每相之間的互感；沒有飽和［2］。SRG每相的電壓方程為：

μph=Rphiph+dλ(iph,θr)dt(1)

=Rphiph+Lph(θr)diphdt+ωriphdLphdθr

=Rphiph+λ(iph,θr)iphdiphdt+ωrλ(iph,θr)θr

其中，iph是相電流，Rph是相電感，ωr是轉(zhuǎn)子角速度，θr是轉(zhuǎn)子角， λ(iph,θr)是磁通。

反電動勢eph可表示為

eph=ωriphdLphdθr(2)

電感增量Lph(θr)可表示為

Lph(θr)=λ(iph,θr)iph(3)

如果忽略磁飽和，瞬時電磁扭矩

Te=12i2phdLphdθr(4)

其中，dLph/dθr是相電感對轉(zhuǎn)子角的微分。

3 三電平和兩電平逆變器效率比較

用Mathcad軟件可以仿真出三電平和兩電平逆變器在相同的給定應(yīng)用條件下的損耗和效率［3］。兩者都以IGBT為開關(guān)器件，驅(qū)動電阻都是5Ω，工作溫度均為125℃。兩電平濾波電感為0.33mH，三電平濾波電感為0.22mH。仿真實驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2(a)可以看出三電平拓?fù)渲械拈_關(guān)器件電壓應(yīng)力僅為兩電平拓?fù)溟_關(guān)器件電壓應(yīng)力的1/2，開關(guān)損耗也約為兩電平的1/3，隨著開關(guān)頻率增加，損耗有所增加。

計算技術(shù)與自動化2014年6月

第33卷第2期何 浪等：基于三電平逆變的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的研究

(a) 開關(guān)損耗比較



電流流過串聯(lián)功率器件的數(shù)目增加，導(dǎo)通損耗增加，三電平拓?fù)涞膶?dǎo)通損耗約為兩電平的1.6倍,見圖2(b)。

(b) 導(dǎo)通損耗比較圖2 仿真實驗結(jié)果

對相同的輸出電能品質(zhì)要求，三電平拓?fù)涞臑V波電感損耗比兩電平拓?fù)涞臑V波電感損耗小，約為0.8倍，且隨著開關(guān)頻率增加，損耗有所增加，見圖3(a)。

(a) 濾波電感損耗比較

(b) 總損耗比較

在相同開關(guān)頻率下，三電平逆變器的總損耗約為兩電平逆變器的0.6倍，且隨著開關(guān)頻率增加，總損耗有所減少,見圖3(b)。

(c) 效率比較

圖3 兩電平和三電平效率和損耗比較



從圖3(c)可以看出，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗的比例快速增加，三電平的效率優(yōu)勢越來越明顯(效率與兩電平相比，下降速度緩慢)。當(dāng)fs=10kHZ，η可以提高1.7％；當(dāng)fs=20kHZ，η可以提高2.79％；當(dāng)fs=40kHZ，η可以提高5.4％［4］。

盡管三電平逆變器比兩電平逆變器的導(dǎo)通損耗大，但三電平能顯著減少開關(guān)損耗和濾波電感損耗。在開關(guān)頻率大于10 kHz的應(yīng)用場合，三電平逆變器有更高的轉(zhuǎn)換效率。所以本系統(tǒng)宜用三電平逆變器。

4 三電平逆變器SVPWM控制原理

二極管鉗位型三電平逆變器的主電路如圖4所示。每相橋臂都由四個開關(guān)管構(gòu)成，中間兩個開關(guān)管輔以兩個中點鉗位二極管，這樣每相有3種開關(guān)狀態(tài)。以a相為例，當(dāng)S1,S2導(dǎo)通S3，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為Ud/2;當(dāng)S2，S3導(dǎo)通S1，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為0，當(dāng)S3，S4導(dǎo)通S1，S2關(guān)斷，此時的輸出電壓為- Ud/2。如此a相就能輸出三種電平。逆變器的輸出總共有27種開關(guān)狀態(tài)，除去8種無效的狀態(tài)，還剩下19種開關(guān)狀態(tài)。圖4 二極管鉗位型逆變器主電路

圖5 矢量空間的扇區(qū)劃分示意圖

4.1 參考矢量位置判斷

根據(jù)參考矢量的幅角確定該矢量位于如圖5所示的6個扇區(qū)中的哪一個，然后根據(jù)下面公式判斷其所在的三角形的位置(以扇區(qū)1為例)：

Urefα+33Urefβ≤Udc2 (5)

Urefα－33Urefβ≥Udc2 (6)

Urefβ＜3Udc4(7)

其中Urefα、Urefβ分別為參考矢量Uref在α，β軸上的投影分量。只要公式(5)成立，矢量位于三角形A中；公式(6)成立而公式(5)不成立則位于B中；公式(7)成立而公式(5)和(6)都不成立則位于C中；如果3個公式都不成立則位于D中。同理可以計算出參考電壓矢量在其他五個扇區(qū)的位置。

4.2 矢量作用時間

矢量作用時間按照空間電壓矢量合成的伏秒平衡原則根據(jù)Vref?Ts=V1?T1+V2?T2

+V0?T3和T1+T2+T3=Ts 可得：

T1=2mTs sin π3－θ (8)

T2=2mTs sin θ (9)

T3=Ts－T1－T2=

Ts［1－2m sin (π3+θ)］(10)

采用同樣的方法可以計算其他小扇區(qū)的矢量作用時間。

4.3 開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通時間的選擇

在每個SVPWM、控制周期中，根據(jù)表1選定的4個矢量依次發(fā)出輸出矢量，為了輸出光滑的輸出電壓波形，輸出電壓矢量的產(chǎn)生應(yīng)該遵循以下的原則：

1) 利用P、O、N的開關(guān)狀態(tài)使得P和O之間、O和N之間能相互自由的移動，但是不允許在兩電平變化的P和N之間直接移動；

2)不允許兩相同時進(jìn)行開關(guān)動作。



表1 扇區(qū)1中各小三角形相應(yīng)的輸出電壓矢量

小三角區(qū)

輸出電壓矢量

A

POO

OOO

OON

ONN

PPO

POO

OOO

OON

B

POO

PON

PNN

ONN

C

POO

PON

OON

ONN

PPO

POO

PON

OON

D

PPO

PPN

PON

OON



圖6 首發(fā)正小矢量的輸出電壓矢量時序圖



首發(fā)小矢量都是負(fù)小矢量也可以，只要將表1中的4個輸出矢量的次序顛倒一下就可以了。具體的三相輸出時序圖如圖6所示(其中0＜k＜1)，根據(jù)這個時序圖就可以得到三相橋臂開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

5 仿真實現(xiàn)

在Matlab/Simulink仿真軟件平臺上，采用SVPWM控制策略, 利用兩種逆變器，將同一個開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)出的直流電，變換為三相交流電，建立基于逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。圖8為進(jìn)行的相關(guān)仿真實驗?zāi)Ｐ酮?］ ，仿真結(jié)果見圖7。仿真所用的開關(guān)磁阻電機(jī)［7］：8/6極,額定功率為750W,額定輸出電壓為250V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為0.0016，勵磁電壓為48V，仿真所給定電容為0.3F，電感為0.275H。 

從圖7（a）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓波形可以看出，發(fā)電機(jī)輸出電壓是一個緩慢上升的過程，0.5S后輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定在250V左右。

圖7（d）和（e）分別為三電平和兩電平逆變器在a相的穩(wěn)定輸出波形，從這兩個波形圖可以看出兩電平逆變器輸出為5個電平，三電平逆變器輸出為9個電平。根據(jù)階梯波逼近正弦波的原理，階梯數(shù)越多越接近正弦信號的原理，三電平逆變器輸出波形比兩電平逆變器更具有優(yōu)勢。圖7（f）和（g）分別為三電平和兩電平逆變器的輸出功率波形圖，從圖上可以看出基于三電平逆變器的模型的輸出功率穩(wěn)定在350W左右，而基于兩電平的模型的輸出功率是穩(wěn)定在300W左右的，可以明顯的看出三電平逆變器模型的輸出功率是要高于基于兩電平逆變器的模型的。從圖7（b）和（c）可以看出系統(tǒng)平穩(wěn)地完成了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電與逆變器輸出的三相交流電之間的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了預(yù)期的實驗?zāi)康?。?/p>

(a)開關(guān)磁阻電機(jī)輸出電壓波形



(b)三電平0—0.5S輸出電壓上升波形



（c）兩電平0—0.5S輸出電壓上升波形





(d) 三電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

(e) 兩電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

（f）三電平模型輸出功率波形

（g）兩電平模型輸出功率波形

圖7 仿真結(jié)果

6 結(jié) 論

本文通過MATLAB仿真軟件搭建了基于三電平和兩電平逆變器的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真實驗結(jié)果證明了三電平逆變器比兩電平逆變器有更好的輸出波形和更高的轉(zhuǎn)換效率，三電平逆變器能夠很好的實現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的逆變要求。

(a) 基于三電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

(b) 基于兩電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖8 系統(tǒng)仿真模型

參考文獻(xiàn)

［1］ 董萍, 吳捷. 新型發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 微特電機(jī), 2007 (7):36-42.

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［3］ BIERHOFF M H，F(xiàn)UCHS F W. Semiconductor Losses in voltage source and current source IGBT converters based on analytical derivation ［A］. 35th Annual Power Electronics Specialists Conference. Aachen, Germany. IEEE ［C］.2004 (4)：2836 -2842.

［4］ 王鴻雁，鄧焰.飛跨電容多電平逆變器開關(guān)損耗最小PWM方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24(8)：51-55.

［5］ 吳學(xué)智，劉亞東，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)，2002，21(4) ：16-19.

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［7］ 宋文祥,陳國呈,束滿堂,等.中點箝位式三電平逆變器空間矢量調(diào)制及其中點控制研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報,2006,26(5): 105-109.

對相同的輸出電能品質(zhì)要求，三電平拓?fù)涞臑V波電感損耗比兩電平拓?fù)涞臑V波電感損耗小，約為0.8倍，且隨著開關(guān)頻率增加，損耗有所增加，見圖3(a)。

(a) 濾波電感損耗比較

(b) 總損耗比較

在相同開關(guān)頻率下，三電平逆變器的總損耗約為兩電平逆變器的0.6倍，且隨著開關(guān)頻率增加，總損耗有所減少,見圖3(b)。

(c) 效率比較

圖3 兩電平和三電平效率和損耗比較



從圖3(c)可以看出，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗的比例快速增加，三電平的效率優(yōu)勢越來越明顯(效率與兩電平相比，下降速度緩慢)。當(dāng)fs=10kHZ，η可以提高1.7％；當(dāng)fs=20kHZ，η可以提高2.79％；當(dāng)fs=40kHZ，η可以提高5.4％［4］。

盡管三電平逆變器比兩電平逆變器的導(dǎo)通損耗大，但三電平能顯著減少開關(guān)損耗和濾波電感損耗。在開關(guān)頻率大于10 kHz的應(yīng)用場合，三電平逆變器有更高的轉(zhuǎn)換效率。所以本系統(tǒng)宜用三電平逆變器。

4 三電平逆變器SVPWM控制原理

二極管鉗位型三電平逆變器的主電路如圖4所示。每相橋臂都由四個開關(guān)管構(gòu)成，中間兩個開關(guān)管輔以兩個中點鉗位二極管，這樣每相有3種開關(guān)狀態(tài)。以a相為例，當(dāng)S1,S2導(dǎo)通S3，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為Ud/2;當(dāng)S2，S3導(dǎo)通S1，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為0，當(dāng)S3，S4導(dǎo)通S1，S2關(guān)斷，此時的輸出電壓為- Ud/2。如此a相就能輸出三種電平。逆變器的輸出總共有27種開關(guān)狀態(tài)，除去8種無效的狀態(tài)，還剩下19種開關(guān)狀態(tài)。圖4 二極管鉗位型逆變器主電路

圖5 矢量空間的扇區(qū)劃分示意圖

4.1 參考矢量位置判斷

根據(jù)參考矢量的幅角確定該矢量位于如圖5所示的6個扇區(qū)中的哪一個，然后根據(jù)下面公式判斷其所在的三角形的位置(以扇區(qū)1為例)：

Urefα+33Urefβ≤Udc2 (5)

Urefα－33Urefβ≥Udc2 (6)

Urefβ＜3Udc4(7)

其中Urefα、Urefβ分別為參考矢量Uref在α，β軸上的投影分量。只要公式(5)成立，矢量位于三角形A中；公式(6)成立而公式(5)不成立則位于B中；公式(7)成立而公式(5)和(6)都不成立則位于C中；如果3個公式都不成立則位于D中。同理可以計算出參考電壓矢量在其他五個扇區(qū)的位置。

4.2 矢量作用時間

矢量作用時間按照空間電壓矢量合成的伏秒平衡原則根據(jù)Vref?Ts=V1?T1+V2?T2

+V0?T3和T1+T2+T3=Ts 可得：

T1=2mTs sin π3－θ (8)

T2=2mTs sin θ (9)

T3=Ts－T1－T2=

Ts［1－2m sin (π3+θ)］(10)

采用同樣的方法可以計算其他小扇區(qū)的矢量作用時間。

4.3 開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通時間的選擇

在每個SVPWM、控制周期中，根據(jù)表1選定的4個矢量依次發(fā)出輸出矢量，為了輸出光滑的輸出電壓波形，輸出電壓矢量的產(chǎn)生應(yīng)該遵循以下的原則：

1) 利用P、O、N的開關(guān)狀態(tài)使得P和O之間、O和N之間能相互自由的移動，但是不允許在兩電平變化的P和N之間直接移動；

2)不允許兩相同時進(jìn)行開關(guān)動作。

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表1 扇區(qū)1中各小三角形相應(yīng)的輸出電壓矢量

小三角區(qū)

輸出電壓矢量

A

POO

OOO

OON

ONN

PPO

POO

OOO

OON

B

POO

PON

PNN

ONN

C

POO

PON

OON

ONN

PPO

POO

PON

OON

D

PPO

PPN

PON

OON



圖6 首發(fā)正小矢量的輸出電壓矢量時序圖



首發(fā)小矢量都是負(fù)小矢量也可以，只要將表1中的4個輸出矢量的次序顛倒一下就可以了。具體的三相輸出時序圖如圖6所示(其中0＜k＜1)，根據(jù)這個時序圖就可以得到三相橋臂開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

5 仿真實現(xiàn)

在Matlab/Simulink仿真軟件平臺上，采用SVPWM控制策略, 利用兩種逆變器，將同一個開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)出的直流電，變換為三相交流電，建立基于逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。圖8為進(jìn)行的相關(guān)仿真實驗?zāi)Ｐ酮?］ ，仿真結(jié)果見圖7。仿真所用的開關(guān)磁阻電機(jī)［7］：8/6極,額定功率為750W,額定輸出電壓為250V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為0.0016，勵磁電壓為48V，仿真所給定電容為0.3F，電感為0.275H。 

從圖7（a）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓波形可以看出，發(fā)電機(jī)輸出電壓是一個緩慢上升的過程，0.5S后輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定在250V左右。

圖7（d）和（e）分別為三電平和兩電平逆變器在a相的穩(wěn)定輸出波形，從這兩個波形圖可以看出兩電平逆變器輸出為5個電平，三電平逆變器輸出為9個電平。根據(jù)階梯波逼近正弦波的原理，階梯數(shù)越多越接近正弦信號的原理，三電平逆變器輸出波形比兩電平逆變器更具有優(yōu)勢。圖7（f）和（g）分別為三電平和兩電平逆變器的輸出功率波形圖，從圖上可以看出基于三電平逆變器的模型的輸出功率穩(wěn)定在350W左右，而基于兩電平的模型的輸出功率是穩(wěn)定在300W左右的，可以明顯的看出三電平逆變器模型的輸出功率是要高于基于兩電平逆變器的模型的。從圖7（b）和（c）可以看出系統(tǒng)平穩(wěn)地完成了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電與逆變器輸出的三相交流電之間的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了預(yù)期的實驗?zāi)康摹＊お?/p>

(a)開關(guān)磁阻電機(jī)輸出電壓波形



(b)三電平0—0.5S輸出電壓上升波形



（c）兩電平0—0.5S輸出電壓上升波形





(d) 三電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

(e) 兩電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

（f）三電平模型輸出功率波形

（g）兩電平模型輸出功率波形

圖7 仿真結(jié)果

6 結(jié) 論

本文通過MATLAB仿真軟件搭建了基于三電平和兩電平逆變器的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真實驗結(jié)果證明了三電平逆變器比兩電平逆變器有更好的輸出波形和更高的轉(zhuǎn)換效率，三電平逆變器能夠很好的實現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的逆變要求。

(a) 基于三電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

(b) 基于兩電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖8 系統(tǒng)仿真模型

參考文獻(xiàn)

［1］ 董萍, 吳捷. 新型發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 微特電機(jī), 2007 (7):36-42.

［2］ MILLER TJE.Electronic control of switched reluctance machines［J］.Oxford, U.K.Newnes, 2001.

［3］ BIERHOFF M H，F(xiàn)UCHS F W. Semiconductor Losses in voltage source and current source IGBT converters based on analytical derivation ［A］. 35th Annual Power Electronics Specialists Conference. Aachen, Germany. IEEE ［C］.2004 (4)：2836 -2842.

［4］ 王鴻雁，鄧焰.飛跨電容多電平逆變器開關(guān)損耗最小PWM方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24(8)：51-55.

［5］ 吳學(xué)智，劉亞東，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)，2002，21(4) ：16-19.

［6］ 彭寒梅,易靈芝.基于Buck變換器的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)新型勵磁模式［J］.太陽能學(xué)報. 2012,33(3):432-438.

［7］ 宋文祥,陳國呈,束滿堂,等.中點箝位式三電平逆變器空間矢量調(diào)制及其中點控制研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報,2006,26(5): 105-109.

對相同的輸出電能品質(zhì)要求，三電平拓?fù)涞臑V波電感損耗比兩電平拓?fù)涞臑V波電感損耗小，約為0.8倍，且隨著開關(guān)頻率增加，損耗有所增加，見圖3(a)。

(a) 濾波電感損耗比較

(b) 總損耗比較

在相同開關(guān)頻率下，三電平逆變器的總損耗約為兩電平逆變器的0.6倍，且隨著開關(guān)頻率增加，總損耗有所減少,見圖3(b)。

(c) 效率比較

圖3 兩電平和三電平效率和損耗比較



從圖3(c)可以看出，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗的比例快速增加，三電平的效率優(yōu)勢越來越明顯(效率與兩電平相比，下降速度緩慢)。當(dāng)fs=10kHZ，η可以提高1.7％；當(dāng)fs=20kHZ，η可以提高2.79％；當(dāng)fs=40kHZ，η可以提高5.4％［4］。

盡管三電平逆變器比兩電平逆變器的導(dǎo)通損耗大，但三電平能顯著減少開關(guān)損耗和濾波電感損耗。在開關(guān)頻率大于10 kHz的應(yīng)用場合，三電平逆變器有更高的轉(zhuǎn)換效率。所以本系統(tǒng)宜用三電平逆變器。

4 三電平逆變器SVPWM控制原理

二極管鉗位型三電平逆變器的主電路如圖4所示。每相橋臂都由四個開關(guān)管構(gòu)成，中間兩個開關(guān)管輔以兩個中點鉗位二極管，這樣每相有3種開關(guān)狀態(tài)。以a相為例，當(dāng)S1,S2導(dǎo)通S3，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為Ud/2;當(dāng)S2，S3導(dǎo)通S1，S4關(guān)斷，此時的輸出電壓為0，當(dāng)S3，S4導(dǎo)通S1，S2關(guān)斷，此時的輸出電壓為- Ud/2。如此a相就能輸出三種電平。逆變器的輸出總共有27種開關(guān)狀態(tài)，除去8種無效的狀態(tài)，還剩下19種開關(guān)狀態(tài)。圖4 二極管鉗位型逆變器主電路

圖5 矢量空間的扇區(qū)劃分示意圖

4.1 參考矢量位置判斷

根據(jù)參考矢量的幅角確定該矢量位于如圖5所示的6個扇區(qū)中的哪一個，然后根據(jù)下面公式判斷其所在的三角形的位置(以扇區(qū)1為例)：

Urefα+33Urefβ≤Udc2 (5)

Urefα－33Urefβ≥Udc2 (6)

Urefβ＜3Udc4(7)

其中Urefα、Urefβ分別為參考矢量Uref在α，β軸上的投影分量。只要公式(5)成立，矢量位于三角形A中；公式(6)成立而公式(5)不成立則位于B中；公式(7)成立而公式(5)和(6)都不成立則位于C中；如果3個公式都不成立則位于D中。同理可以計算出參考電壓矢量在其他五個扇區(qū)的位置。

4.2 矢量作用時間

矢量作用時間按照空間電壓矢量合成的伏秒平衡原則根據(jù)Vref?Ts=V1?T1+V2?T2

+V0?T3和T1+T2+T3=Ts 可得：

T1=2mTs sin π3－θ (8)

T2=2mTs sin θ (9)

T3=Ts－T1－T2=

Ts［1－2m sin (π3+θ)］(10)

采用同樣的方法可以計算其他小扇區(qū)的矢量作用時間。

4.3 開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通時間的選擇

在每個SVPWM、控制周期中，根據(jù)表1選定的4個矢量依次發(fā)出輸出矢量，為了輸出光滑的輸出電壓波形，輸出電壓矢量的產(chǎn)生應(yīng)該遵循以下的原則：

1) 利用P、O、N的開關(guān)狀態(tài)使得P和O之間、O和N之間能相互自由的移動，但是不允許在兩電平變化的P和N之間直接移動；

2)不允許兩相同時進(jìn)行開關(guān)動作。



表1 扇區(qū)1中各小三角形相應(yīng)的輸出電壓矢量

小三角區(qū)

輸出電壓矢量

A

POO

OOO

OON

ONN

PPO

POO

OOO

OON

B

POO

PON

PNN

ONN

C

POO

PON

OON

ONN

PPO

POO

PON

OON

D

PPO

PPN

PON

OON



圖6 首發(fā)正小矢量的輸出電壓矢量時序圖



首發(fā)小矢量都是負(fù)小矢量也可以，只要將表1中的4個輸出矢量的次序顛倒一下就可以了。具體的三相輸出時序圖如圖6所示(其中0＜k＜1)，根據(jù)這個時序圖就可以得到三相橋臂開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

5 仿真實現(xiàn)

在Matlab/Simulink仿真軟件平臺上，采用SVPWM控制策略, 利用兩種逆變器，將同一個開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)出的直流電，變換為三相交流電，建立基于逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。圖8為進(jìn)行的相關(guān)仿真實驗?zāi)Ｐ酮?］ ，仿真結(jié)果見圖7。仿真所用的開關(guān)磁阻電機(jī)［7］：8/6極,額定功率為750W,額定輸出電壓為250V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為0.0016，勵磁電壓為48V，仿真所給定電容為0.3F，電感為0.275H。 

從圖7（a）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出電壓波形可以看出，發(fā)電機(jī)輸出電壓是一個緩慢上升的過程，0.5S后輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定在250V左右。

圖7（d）和（e）分別為三電平和兩電平逆變器在a相的穩(wěn)定輸出波形，從這兩個波形圖可以看出兩電平逆變器輸出為5個電平，三電平逆變器輸出為9個電平。根據(jù)階梯波逼近正弦波的原理，階梯數(shù)越多越接近正弦信號的原理，三電平逆變器輸出波形比兩電平逆變器更具有優(yōu)勢。圖7（f）和（g）分別為三電平和兩電平逆變器的輸出功率波形圖，從圖上可以看出基于三電平逆變器的模型的輸出功率穩(wěn)定在350W左右，而基于兩電平的模型的輸出功率是穩(wěn)定在300W左右的，可以明顯的看出三電平逆變器模型的輸出功率是要高于基于兩電平逆變器的模型的。從圖7（b）和（c）可以看出系統(tǒng)平穩(wěn)地完成了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電與逆變器輸出的三相交流電之間的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了預(yù)期的實驗?zāi)康?。?/p>

(a)開關(guān)磁阻電機(jī)輸出電壓波形



(b)三電平0—0.5S輸出電壓上升波形



（c）兩電平0—0.5S輸出電壓上升波形





(d) 三電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

(e) 兩電平a相電壓穩(wěn)定輸出波形

（f）三電平模型輸出功率波形

（g）兩電平模型輸出功率波形

圖7 仿真結(jié)果

6 結(jié) 論

本文通過MATLAB仿真軟件搭建了基于三電平和兩電平逆變器的開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真實驗結(jié)果證明了三電平逆變器比兩電平逆變器有更好的輸出波形和更高的轉(zhuǎn)換效率，三電平逆變器能夠很好的實現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的逆變要求。

(a) 基于三電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

(b) 基于兩電平逆變器的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖8 系統(tǒng)仿真模型

參考文獻(xiàn)

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［6］ 彭寒梅,易靈芝.基于Buck變換器的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)新型勵磁模式［J］.太陽能學(xué)報. 2012,33(3):432-438.

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