鄭　宏,蔣麗琴,蔣　超,申興宇

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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NPC逆變器混合四段法與六段法的空間矢量調(diào)制策略

鄭宏*,蔣麗琴,蔣超,申興宇

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要:針對傳統(tǒng)的空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)方法計算量大且扇區(qū)判斷復雜,控制器計算工作量大這一問題,研究一種基于60°坐標系和新型混合段法調(diào)制的SVPWM。該方法采用四段法與六段法結合生成所需的空間矢量調(diào)制波形,通過改變電壓調(diào)整系數(shù)對P型N型O型單位矢量進行調(diào)整,進而降低電容中點電壓的不平衡程度。仿真結果表明,該方法可省去扇區(qū)判斷過程,協(xié)調(diào)中點電壓漂移和偶次諧波消除的不足,THD縮小為31.08%。

關鍵詞:三電平逆變器;空間矢量脈寬調(diào)制;四段法與六段法;中點電壓漂移

傳統(tǒng)電壓空間矢量調(diào)制法SVPWM的冗余矢量選取方案會使得逆變器輸出電壓產(chǎn)生偶次諧波,偶次諧波會導致中性點電位的漂移和不穩(wěn)定;在非線性負載條件下,當調(diào)制系數(shù)大于0.8時,極小的偶次諧波(尤其是2、4次諧波)都可能造成中性點的漂移。在SVM調(diào)制方法中,7段法消除偶次諧波的原理是將每個扇區(qū)劃分成A型開關順序和B型開關順序,2種開關順序交替使用,使輸出線電壓半波對稱。但這種調(diào)制方法在經(jīng)過不同區(qū)域時會產(chǎn)生額外的器件動作,提高了器件的開關頻率,并且交替的開關順序使算法復雜[3-5]。

針對以上不足,本文采用了60°坐標系[6-10],并在此基礎上采用六段法和四段法混合調(diào)制以及P型O型N型矢量列合理分配的策略。解決了傳統(tǒng)七段法為了消除偶次諧波而產(chǎn)生的開關頻率提高,算法繁瑣,以及為了保持中性點平衡而引入的反饋控制所帶來的消諧功能的不穩(wěn)定等一系列問題。

1　基于60°坐標的空間矢量調(diào)制算法

考慮到三電平基本空間矢量之間的角度均為60°的倍數(shù)這一幾何特征,則采用非正交的60°坐標系來簡化參考矢量的合成和作用時間的計算,計算量相對于傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制方式簡化很多,對三電平NPC實現(xiàn)快速脈寬調(diào)制控制。

如圖1所示,在60°坐標系下基本矢量的坐標均為整數(shù),對于任意的空間參考電壓矢量,如Vref通過對其歸化到g,h坐標系后的坐標進行上下取整(即經(jīng)過4種運算,VBL,VLB,VBB,VLL,B表示上取整,L表示下取整)。4個坐標連線就得到一個菱形,菱形的右下角即為VBL,通過此點來判斷Vref的具體位置。

(urg-uBLg)/(urh-uBLh)≥-1

(1)

圖1　60°坐標系下三電平逆變器空間矢量

式(1)表明當滿足此結論時Vref處在菱形上半?yún)^(qū)域,得

(2)

當不滿足時Vref處在菱形下半?yún)^(qū)域,得

(3)

式中,TS為采樣周期,在g,h坐標系下所有的開關狀態(tài)的坐標均為整數(shù),省去了扇區(qū)的判斷,計算十分簡單,實時性明顯提高。

2　四段法與六段法調(diào)制機理

2.1傳統(tǒng)SVPWM的開關序列

傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制是以七段法為主,其滿足2個條件:1)從一種開關狀態(tài)切換到另一種開關狀態(tài)的過程中,僅涉及某一橋臂的2個開關器件:一個導通一個關斷;2)參考矢量在矢量圖中從一個扇區(qū)轉換到另一個扇區(qū)時,沒有或者只有最少數(shù)量的開關器件動作。雖然滿足了這2個條件,但是為了消除偶次諧波,每個扇區(qū)都有A型和B型開關順序,因此又增加了開關頻率,且消諧效果由仿真看來也不是很好。

2.2消除偶次諧波的開關序列

通常,逆變器輸出的交流電壓中均含有偶次諧波。而偶次諧波容易引起多電平逆變器的中性點電位漂移和不穩(wěn)定;此外,相比于奇次諧波,很多標準(IEEE 519—1992)對偶次諧波的限制和要求更加嚴格。如圖2所示是消除偶次諧波的開關序列再生機理。

圖2　消除偶次諧波的開關序列

此外,為了消除線電壓波形中3的整數(shù)倍次諧波,對于某一時刻的[a,b,c],則在120°后的時刻,應采用狀態(tài)[c,a,b]。

其全部6個大扇區(qū)的開關狀態(tài)關系如表1所示。

表1　開關序列設計

完成扇區(qū)Ⅰ的序列設計之后,可通過旋轉B相的開關狀態(tài)到A相,旋轉C相的開關狀態(tài)到B相,旋轉A相的開關狀態(tài)到C相,從而得到扇區(qū)Ⅱ的開關序列。例如,假設應用于三電平級聯(lián)型逆變器扇區(qū)Ⅰ的四段法開關序列為[1,0,0]→[0,0,0]→[0,0,-1]→[0,0,0]則扇區(qū)Ⅱ的為[0,0,-1]→[0,0,0]→[0,1,0]→[0,0,0]。

可見,按表1安排對應扇區(qū)的開關序列,不僅能消除偶次諧波、三次及三的整數(shù)倍次諧波,而且可極大地簡化開關序列設計。

2.3四段法六段法調(diào)制機理

開關序列設計的好壞很容易影響輸出波形的質量,在設計開關序列時不僅要滿足表1所提出的序列要求,還要滿足中性點平衡的要求,即在電動模式與再生運行模式確定的條件下注意小矢量對中性點的影響,所以第1扇區(qū)的開關序列設計尤其重要。

由圖2可以看到,第Ⅰ扇區(qū)1區(qū)間的矢量分布為零矢量[OOO],小矢量[PPO],[OON],[POO],[ONN];2區(qū)間的的矢量分布為小矢量[PPO],[OON],[POO],[ONN],中矢量[PON];3區(qū)間的矢量分布為小矢量[POO],[ONN],中矢量[PON]以及大矢量[PPN];4區(qū)間的矢量分布為小矢量[PPO],[OON],中矢量[PON]以及大矢量[PPN]。在設計開關序列時要注意每個小區(qū)域的排列組合中必須有一個P型小矢量和一個N型小矢量,并使其在各個小區(qū)域大扇區(qū)之間能夠平穩(wěn)過渡。

新型開關序列的設計如表2所示。

表2　六段法和四段法在扇區(qū)I中的開關序列

表3　六段法和四段法在扇區(qū)Ⅳ中的開關序列

圖3　不同調(diào)制系數(shù)所經(jīng)過的扇區(qū)

每個矢量的作用時間可由式(4)得到。由扇區(qū)1為例,在1區(qū)[POO]的作用時間為T1,[OON]的作用時間為T2,則零矢量的作用時間分別為(TS-T1-T2)/2;同理,2區(qū)[POO][OON]的作用時間仍然為T1,T2。[PON]的作用時間為(TS-T1-T2)/2,依此類推。

表4　一個周期內(nèi)2種開關序列單個器件的通斷次數(shù)　(mf=18)

2.4P型O型N型單位矢量

當中性點發(fā)生偏移時,就需要對相應的開關序列進行調(diào)整。如在電動模式下運行時,[POO]使中點電壓升高,而[ONN]使中點電位降低。此時在t-1時刻采樣檢測到中點電位升高(或檢測到中點電位降低),則在下一個t時刻采樣時使用N型單位矢量(或P型單位矢量),并在t+Ts/2時刻使用相反地單位矢量,這樣在保持中性點平衡的情況下更好地消除偶次諧波。

表5　六段法和四段法在中性點不平衡下在扇區(qū)I中的開關序列

以扇區(qū)I中三角形1為例,當由于中點不平衡采用N型單位矢量時,第1段和第3段[OON]的作用時間為T1/2,第2段[ONN]的作用時間則為T2,第4段[OOO]的作用時間為Ts-T1-T2。其他作用時間依此類推。

表6　六段法和四段法在中性點不平衡下在扇區(qū)IV中的開關序列

以扇區(qū)IV中三角形3為例,當由于中點不平衡采用P型單位矢量時,第1段、第3段和第5段[NPP]的作用時間為T1/3,第2段和第4段[OPP]的作用時間則為T2/2,第6段[NOP]的作用時間為Ts-T1-T2。其他作用時間依此類推。

由以上兩張表可以看出,當中性點不平衡時,在參考矢量旋轉到6m+n(m=0,1,2,3,4,…,n=1,2,3,4,5,6)個扇區(qū)的第k(k=1,2,3,…)個序列采取P型開關序列,當參考矢量進入第6m+n+3個扇區(qū)的第k個序列時采用,中性點在正常范圍內(nèi),則繼續(xù)采用N型開關序列。這樣一來就保證了能夠在保持中性點平衡的同時,又盡可能的消除了偶次諧波。

傳統(tǒng)的七段法,無法在a、b區(qū)間的中心線上的時刻進行采樣,而應用六段法和四段法,每個三角形中,每一次采樣都是偶數(shù)數(shù)量個矢量可以達到半波對稱。這樣就使得每個扇區(qū)的采樣點可以靈活的選取。

3　仿真結果與分析

為驗證所提出的基于60°坐標系的四段法和六段法混合調(diào)制的有效性,建立了基于Simulink的仿真模型。所采用的三相負載參數(shù)為:電阻R=100 Ω,電感L=20 mH,直流側電容C1=C2=2 200 μF,直流電壓為1 000 V,給定三相平衡參考電壓,其幅值為ma=0.9,仿真結果給出了采樣頻率為900 Hz、系統(tǒng)輸出頻率為50 Hz時的運行波形。

圖4是三電平NPC逆變器新型開關序列的每個開關器件的開關通斷次數(shù),可以看出在mf=18,ma=0.9情況下,每個開關器件在一個周期內(nèi)通斷的次數(shù)為14。

圖4　三電平NPC開關序列

從圖5中可以看出,新型開關策略的THD=31.08%與傳統(tǒng)的七段法的THD相比差別不大,但是偶次諧波都已被消除。另外可以從中看出諧波主要集中在6k-1,6k+1次。這是由于測的是線電壓,已經(jīng)去掉三次諧波,再加上已濾除偶次諧波導致的。圖6為加入單位矢量的調(diào)制后與未加入時的比較,可以明顯看出加入中點控制后中點電壓更加平穩(wěn),仿真結果與設計思想一致。

圖5　三電平NPC逆變器線電壓諧波分析

圖6　中點電壓控制波形

圖7　三電平NPC中性點電壓

圖8　三電平NPC相電流

4　結論

本文主要研究了基于60°坐標系的四段法與六段法的調(diào)制方法。該方法與傳統(tǒng)的七段法調(diào)制方法相比,在簡化了算法且不增加THD的情況下,不僅消除了偶次諧波,中性點電位也更加平穩(wěn),且開關次數(shù)也減少了,開關損耗降低。證明了該方案能在使中性點平衡的情況下盡可能減少偶次諧波。

參考文獻:

[1]趙輝,李瑞,王紅君,等.60°坐標系下三電平逆變器SVPWM方法的研究[J].中國電機工程學報,2008,28(24):39-45

[2]Wu Bin.大功率變頻器及交流傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:116-143.

[3]Pou J,Boroyevich D,Pindado R.Effects of Imbalances and Nonlinear Loads on the Voltage Balance of a Neutral Point Clamped Inverter[J].IEEE Trans on Power-Electronics,2005,20(1):123-131.

[4]范必雙,譚冠政,樊紹勝,等.一種新的基于混合空間矢量調(diào)制的三電平逆變器直流側電容電壓平衡研究[J].中國電機工程學報,2012,27(32):135-141

[5]張永昌,趙爭鳴.基于快速空間矢量調(diào)制算法的多電平逆變器的電容電壓平衡問題研究[J].中國電機工程學報,2006,26(18):71-76

[6]宋文祥,陳國呈.三電平中點箝位式逆變器SVPWM方法的研究[J].電工電能新技術,2004,23(4):30-33.

[7]Kaku B,Miyashita I,Sone S.Seitching Loss Minimized Space Vector PWM Method for IGBT Inverter[J].IEEE Transaction on Power Applincation,1997,144(3):182-190.

[8]孟永慶,沈傳文,劉正,等.基于零序電壓注入的三電平中點箝位整流器中點電位控制方法研究[J].中國電機工程學報,2007,27(10):92-97.

[9]Lin L,Zou Y,Wang Z,et al.Modeling and Control of Neutral-Point Voltage Balancing Problem in Three-Level NPC PWM Inverters[C]//Power Electronics Specialists Conference,2005.PESC’05.IEEE 36th.IEEE,2005:861-866.

[10]王明彥,田凱.有源前端型三電平逆變器中點電位平衡的一種控制策略[J].電子器件,2007,30(1):197-201.

鄭宏(1965-),男,漢族,教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為大功率電力電子變換器,分布式發(fā)電;

蔣麗琴(1989-),女,漢族,碩士研究生,電力電子與電力傳動專業(yè),主要研究方向為大功率電力電子變換器,空間矢量調(diào)制,jiangliqin829@163.com。

HybirdFourandSixSegmentsSVMStrategyonNPCInverter

ZHENGHong*,JIANGLiqin,JIANGChao,SHENXingyu

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:According to the problem of the complex algorithm and the limits of the sampling period in three-level NPC(Neutral Point Clamped)inverter by the method of traditional SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation),a new method which combined 60 ° coordinate system with new hybrid segments method was proposed.The reasonable allocation and use of four and six segments method in each sector,not only can inhibit the drift of midpoint voltage,but also reduce the output of even harmonic through the flexible use of the distribution of P-type N-type O-type unit vectors.The simulation and experiment results show that new hybrid segment SVM method makes up the shortage of traditional modulation strategy which cannot coordinate midpoint voltage drift and eliminate harmonics.Furthermore,the THD(Total Harmonic Distortion)was reduced to 31.08%.

Key words:three-level NPC inverter;SVPWM;hybird segments strategy;midpoint voltage drift

doi:EEACC:812010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.041

中圖分類號:TM464

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0772-05

收稿日期:2013-08-09修改日期:2013-08-25