段文巖,何英杰,2,劉云峰,劉進軍

(1.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安;2.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室,401121,重慶)

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空間矢量脈寬調制方法在單相三電平中點箝位型整流器中的應用

段文巖1,何英杰1,2,劉云峰1,劉進軍1

(1.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安;2.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室,401121,重慶)

針對單相三電平中點箝位型(NPC)整流器中多個開關管同時導通或關斷的問題,在分析電路拓撲和工作原理的基礎上,提出了一種單相空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法。這種SVPWM方法合理地設計各個扇區(qū)內部的調制序列,并且在扇區(qū)切換時加入過渡調制序列,從而保證了開關狀態(tài)的連續(xù)性。在分析各個開關狀態(tài)對中點電壓影響的基礎上,該方法根據(jù)中點電壓和網(wǎng)側電流的情況來選擇合適的冗余小矢量,從而實現(xiàn)直流側中點電壓控制。另外,通過使用冗余零矢量,該方法能夠達到倍頻的效果。針對這種SVPWM方法,搭建樣機進行了實驗研究,實驗結果表明:SVPWM方法能夠保證在同一時刻只有一個開關管導通或關斷,而且輸出電壓的跳變量為直流側電壓的1/2;網(wǎng)側電壓與網(wǎng)側電流保持了較好的同相位,且動態(tài)性能良好;該方法能夠實現(xiàn)中點電壓控制,并且具有較好的動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)控制精度。

單相三電平中點箝位型整流器;扇區(qū)過渡;中點電壓控制

相比于直流調速系統(tǒng),交流傳動系統(tǒng)具有質量輕、體積小、牽引力大、調速范圍寬等優(yōu)點,電力牽引交流傳動技術在高速動車組及和諧號大功率機車中已經(jīng)得到廣泛應用。由于在鐵路供電系統(tǒng)中采用的是單相供電,單相脈沖整流器成為牽引傳動系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)有運行的很多高速動車組中,牽引變流器由單相三電平中點箝位型(NPC)整流器和三相三電平NPC牽引逆變器組成。

對于單相三電平NPC整流器,調制方法是研究的一個關鍵問題。目前,空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法是一種廣泛應用于三相拓撲結構的調制策略,具有物理概念清晰、易于數(shù)字化實現(xiàn)、算法靈活方便等優(yōu)點[1]。然而,在單相系統(tǒng)中,SVPWM調制技術的應用還較少。文獻[2]通過平面坐標旋轉變換,將三相SVPWM調制技術引入單相變流器,但其只討論了SVPWM調制技術在兩電平逆變器中的應用,沒有對多電平逆變器進行研究。文獻[3-4]將SVPWM技術應用于單相三電平NPC,并通過在算法中選擇性插入零矢量,使每相橋臂中間兩個開關管的發(fā)熱量得到降低,但是并未考慮開關狀態(tài)的連續(xù)性,會導致多個開關管同時導通或關斷,增加開關損耗和產(chǎn)生電磁干擾。文獻[5]將SVPWM調制技術應用于對稱三電平變流器拓撲和不對稱三電平變流器拓撲,文獻[6]提出了一種單相三電平SVPWM方法和一種基于零序分量注入的單相三電平單極性層疊載波的正弦脈寬調制方法,并對這兩種方法的內在聯(lián)系進行了研究,但是不能保證扇區(qū)過渡時開關狀態(tài)的連續(xù)性。本文通過對單相三電平NPC整流器進行研究,提出了一種SVPWM調制方法。該方法給出了各個扇區(qū)內部和扇區(qū)過渡時的調制序列,在扇區(qū)內部和扇區(qū)過渡時都不會出現(xiàn)多個開關管同時導通或關斷,并且輸出電壓每次的跳變量都為直流側電壓的1/2。

1 單相三電平NPC整流器的工作原理

圖1 單相三電平NPC整流器主電路

單相三電平NPC整流器的主電路如圖1所示。單相三電平NPC整流器由兩組對稱的橋臂組成,將左側的橋臂稱為a橋臂,右側的橋臂稱為b橋臂。其中,US為網(wǎng)側電壓,i為網(wǎng)側電流,L為網(wǎng)側電感,Req為網(wǎng)側電感的等效電阻,RL為直流側的負載電阻,UC1、UC2為直流側上、下電容電壓。

假設UC1=UC2=E,E為直流側電容上的參考電壓。相對于直流側中點,每個橋臂能輸出0、E、-E3種電平。以橋臂a為例,當開關管Sa1、Sa2導通,開關管Sa3、Sa4關斷時,橋臂a輸出E電平;當開關管Sa3、Sa4導通,開關管Sa1、Sa2關斷時,橋臂a輸出-E電平;當開關管Sa2、Sa3導通,開關管Sa1、Sa4關斷時,橋臂a輸出0電平。定義橋臂a、b的開關狀態(tài)函數(shù)

(1)

(2)

每組橋臂有3種開關狀態(tài),兩組橋臂共有9種開關狀態(tài),可輸出2E、E、0、-E、-2E5種電平。通過之前定義的開關狀態(tài)函數(shù),用(SaSb)的形式表示這9種開關狀態(tài),單相三電平NPC的9種開關狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知,假設i>0,對于開關狀態(tài)(00)、(11)和(-1-1),電流沒有經(jīng)過電容,中點電壓平衡不受影響;對于開關狀態(tài)(10)、(0-1),這兩種開關狀態(tài)都是輸出E電平,但是開關狀態(tài)(10)對上電容充電,開關狀態(tài)(0-1)對下電容充電,對中點電壓平衡的影響相反;開關狀態(tài)(01)、(-10)的情況與開關狀態(tài)(10)、(0-1)類似;開關狀態(tài)(1-1)對兩個電容都充電,開關狀態(tài)(-11)對兩個電容都放電,不影響中點電壓平衡。

(a)開關狀態(tài)(00) (b)開關狀態(tài)(11)

(c)開關狀態(tài)(-1-1) (d)開關狀態(tài)(10)

(e)開關狀態(tài)(0-1) (f)開關狀態(tài)(01)

(g)開關狀態(tài)(-10) (h)開關狀態(tài)(1-1)

(i)開關狀態(tài)(-11)圖2 單相三電平NPC整流器的9種開關狀態(tài)

2 單相三電平NPC的SVPWM調制方法

單相三電平NPC的空間矢量如圖3所示。V是一個虛擬的電壓矢量,以角速度ω沿逆時針方向旋轉,矢量V在坐標軸上的投影即為單相三電平NPC的輸出指令電壓。圖3中共有9個電壓矢量,可輸出5種電平,其中(1-1)和(-11)為大矢量,(10)、(0-1)、(01)和(-10)為小矢量,(00)、(11)和(-1-1)為零矢量。

圖3 單相三電平NPC空間矢量圖

由圖3可看出,單相三電平NPC的空間矢量圖被分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個扇區(qū)。在各個扇區(qū)中,指令電壓矢量Vref由最近的兩個矢量V0、V1來合成,根據(jù)伏秒平衡原理,矢量應滿足

(3)

(4)

式中:T0、T1分別為矢量V0、V1的作用時間;Ts為開關周期。

由分析可知:(10)、(0-1)互為冗余矢量,二者對中點電壓的影響相反;(01)、(-10)互為冗余矢量,二者對中點電壓的影響相反;(-1-1)、(00)和(11)互為冗余矢量,且都不會對中點電壓產(chǎn)生影響。因此,在合成指令電壓矢量時應當根據(jù)網(wǎng)側電流和中點電壓的情況,選擇合適的冗余小矢量來實現(xiàn)中點電壓的平衡。定義F=sign(ΔUNP)sign(i),ΔUNP=UC1-UC2為上下電容電壓偏差,i為網(wǎng)側電流。

在扇區(qū)Ⅰ中,用大矢量(1-1)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量。當F=-1時,應當選擇冗余小矢量(10)來控制中點電壓平衡,考慮到調制序列從上一個開關周期到下一個開關周期的連續(xù)性,將(1-1)作為首發(fā)矢量,采用調制序列(1-1)→(10)→(1-1);當F=1時,應當選擇冗余小矢量(0-1)來控制中點電壓平衡,采用調制序列(1-1)→(0-1)→(1-1)。

扇區(qū)Ⅰ中的調制序列如圖4所示,每次開關狀態(tài)改變時只有一個開關函數(shù)發(fā)生變化,且沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變,這就保證了在同一時刻只有一個開關管開通或關斷,從而減小了開關損耗,降低了開關頻率。扇區(qū)Ⅳ的情況與扇區(qū)Ⅰ類似。

(a)F=-1

(b)F=1圖4 扇區(qū)Ⅰ中的調制序列

在扇區(qū)Ⅱ中,用3個零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量。當F=-1時,應該選擇冗余矢量(10)進行調制,考慮到調制序列從上一個開關周期到下一個開關周期的連續(xù)性,將(00)作為首發(fā)矢量,采用調制序列(00)→(10)→(11)→(10)→(00);當F=1時,應該選擇冗余矢量(0-1)進行調制,采用調制序列(00)→(0-1)→(-1-1)→(0-1)→(00)。

扇區(qū)Ⅱ中的調制序列如圖5所示,每次開關狀態(tài)改變時只有一個開關函數(shù)發(fā)生變化,且沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變,保證了在同一時刻只有一個開關管開通或關斷,從而減小了開關損耗,降低了開關頻率。由于在調制序列中使用了兩個零矢量,輸出電壓變化的頻率是開關頻率的兩倍,這就實現(xiàn)了倍頻的效果,可使輸出的波形質量更好。扇區(qū)Ⅲ的情況與扇區(qū)Ⅱ類似。

(a)F=-1

(b)F=1圖5 扇區(qū)Ⅱ中的調制序列

為了實現(xiàn)各個扇區(qū)之間的平滑過渡,防止在扇區(qū)過渡時多個開關管同時動作,加入了扇區(qū)過渡時的調制序列。當指令電壓矢量從扇區(qū)Ⅰ過渡到扇區(qū)Ⅱ時,上一個開關周期結束時的開關狀態(tài)為(1-1),而當前開關周期開始時的開關狀態(tài)為(00)。開關狀態(tài)由(1-1)跳到(00),會導致兩個開關管同時導通,兩個開關管同時關斷。為避免這種情況發(fā)生,需加入扇區(qū)過渡時的調制序列,此時指令電壓矢量位于扇區(qū)Ⅱ中,可用3個零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量,因此可采用調制序列(10)→(00)→(0-1)→(00)→(10)作為過渡調制序列。從上一個開關周期過渡到當前開關周期時,開關狀態(tài)由(1-1)變?yōu)?10);從當前開關周期過渡到下一個開關周期時,開關狀態(tài)由(10)變?yōu)?00),不會出現(xiàn)兩個開關管同時導通或關斷的情況。當指令電壓矢量在其他扇區(qū)間過渡時,可用類似方法設計過渡調制序列。

當指令電壓矢量從扇區(qū)Ⅱ過渡到扇區(qū)Ⅲ或者從扇區(qū)Ⅲ過渡到扇區(qū)Ⅱ時,由于在扇區(qū)Ⅱ和扇區(qū)Ⅲ中的調制序列都是以開關狀態(tài)(00)開頭和結尾,不需要加入過渡調制序列。4個扇區(qū)中的調制序列和扇區(qū)過渡時的調制序列如表1、表2所示。

3 實驗驗證

為了進一步驗證SVPWM調制方法的正確性和有效性,在樣機上進行了實驗驗證。實驗平臺由DSP+FPGA共同實現(xiàn),DSP選擇TI公司的TMS 320F28335,FPGA選擇Altera公司的EP2C35F484 C8。實驗基本參數(shù):網(wǎng)側電壓幅值為70 V,網(wǎng)側電壓頻率為50 Hz,網(wǎng)側電感值為6 mH,網(wǎng)側電感等效電阻值為0.5 Ω,直流側電容為3.94 μF,直流側總電壓給定值為100 V,直流側負載電阻為25 Ω。

表1 4個扇區(qū)內部的調制序列

表2 扇區(qū)過渡時的調制序列

(a)橋臂a的輸入端電壓

(b)橋臂b的輸入端電壓

(c)總的輸入端電壓圖6 橋臂a、b的輸入端電壓和總的輸入端電壓

橋臂a、b的輸入端電壓和總的輸入端電壓如圖6所示,橋臂a的輸入端電壓uAO和橋臂b的輸入端電壓uBO為三電平,疊加之后得到總的輸入端電壓uAB為五電平。網(wǎng)側電壓us和網(wǎng)側電流i的實驗波形如圖7所示,us和i保持了較好的同相位。直流側電壓波形如圖8所示,1.6 s前,設置上下電容電壓存在60 V左右的偏差;1.6 s后,開始采用中點電壓平衡控制,上下電容電壓趨于平衡。由此看出,中點電壓平衡控制具有很好的動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)控制精度。

圖7 網(wǎng)側電壓與電流波形

(a)上下電容電壓波形

(b)直流側總電壓波形圖8 直流側電壓波形

圖9 負載發(fā)生突變時網(wǎng)側電壓和電流波形

負載發(fā)生突變時的網(wǎng)側電壓us和網(wǎng)側電流i的實驗波形如圖9所示,當負載發(fā)生突變時,網(wǎng)側電壓us和網(wǎng)側電流i能夠很好地保持同相位。扇區(qū)過渡時橋臂a、b的輸入端電壓波形如圖10所示,當指令電壓矢量位于扇區(qū)內部及在扇區(qū)間過渡時,橋臂a、b的輸入端電壓沒有出現(xiàn)100 V的電壓跳變,這說明開關函數(shù)沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變;另外,橋臂a、b的輸入端電壓沒有同時發(fā)生跳變,這說明兩個橋臂的開關函數(shù)沒有同時發(fā)生變化,與本文所提SVPWM算法相吻合。

圖10 扇區(qū)過渡時橋臂a、b的輸入端電壓波形

4 結 論

本文通過對單相三電平NPC整流器進行研究,提出了一種SVPWM調制方法。該方法給出了各個扇區(qū)內部的調制序列和扇區(qū)過渡時的調制序列,在扇區(qū)內部和扇區(qū)過渡時都不會出現(xiàn)多個開關管同時導通或關斷的問題,并且輸出電壓每次的跳變量都為直流側電壓的1/2。該方法能夠實現(xiàn)中點電壓控制,且具有倍頻的效果,通過實驗驗證了該方法的正確性和有效性。

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(編輯 趙煒)

Application of SVPWM in Single Phase Three-Level Neutral Point Clamped Rectifiers

DUAN Wenyan1,HE Yingjie1,2,LIU Yunfeng1,LIU Jinjun1

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 401121, China)

Aiming at the problem of multiple switches simultaneous turning on or off in single-phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifiers, we put forward a space vector pulse width modulation (SVPWM) method. This method can reasonably design the modulation sequences inside each sector, and add transition modulation sequences in sector switch, so as to ensure the continuity of switching states. On the basis of analyzing the influence of each switching state on the neutral point voltage, this method selects appropriate redundant small vector according to the neutral point voltage and grid current, so as to achieve the neutral point voltage control. In addition, by using redundant zero vectors, this method can achieve the effect of frequency doubling. For this SVPWM method, a prototype was built to carry out experimental research. The experimental results showed that the proposed SVPWM method can guarantee only one switch turning on or off at one time, and the change of the output voltage is always half the DC side voltage, and that the phase of the grid voltage is the same as that of the grid current, with good dynamic performance. This method can realize the neutral point voltage control with fast dynamic response speed and accurate steady control.

single phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifier; sector transition; neutral point voltage control

2016-03-29。 作者簡介:段文巖(1990—),男,碩士生;何英杰(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(50907052);陜西省自然科學基金資助項目(2014JQ7271);輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室訪問學者資助項目(2007DA10512714405)。

時間:2016-09-14

10.7652/xjtuxb201611014

TM46

A

0253-987X(2016)11-0091-06

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160914.1805.004.html