方 麗

(莒南縣嶺泉水利服務(wù)中心，山東 莒南 276621)

當(dāng)今世界的能源缺乏與環(huán)境污染日益成為人類面臨的共同難題。在全球呼吁節(jié)能減排的形勢(shì)下，多電平變換技術(shù)已成為高壓大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。多電平逆變器能夠以耐壓較低的功率器件實(shí)現(xiàn)較高電壓輸出，相對(duì)于兩電平逆變器具有輸出電壓等級(jí)高、諧波特性好、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而在高壓交流電機(jī)調(diào)速、分布式發(fā)電、靜止無功補(bǔ)償、新型直流輸電等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[3]。目前研究得出的多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種：H橋級(jí)聯(lián)型、飛跨電容型和二極管鉗位型。其中二極管鉗位型多電平逆變器由于無須多個(gè)獨(dú)立直流電源和輔助電路，可靠性較高，相比于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用領(lǐng)域具有更好的發(fā)展前景[4]。

由于二極管鉗位型的主電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制算法復(fù)雜度隨著電平數(shù)的增加而急劇上升，目前只對(duì)五電平及以下二極管鉗位型多電平進(jìn)行研究[5]。在目前的研究中，二極管鉗位型三電平已廣泛應(yīng)用于HVDC、STATCOM、有源濾波等領(lǐng)域。盡管五電平相對(duì)于三電平能夠輸出更高的電壓等級(jí)以及具備更好的諧波特性，但卻存在以下問題：直流側(cè)電容電壓不均衡，一個(gè)奇數(shù)次多電平會(huì)逐漸退變?yōu)槿娖?，而偶?shù)次多電平會(huì)退變?yōu)閮呻娖?。目前?shí)現(xiàn)二極管鉗位型五電平逆變器均壓的主要方法有：為電容分別獨(dú)立供電；通過外接電路輔助均壓；優(yōu)化SVPWM算法選擇合適的冗余矢量均壓。相比于前兩種方法需要外接設(shè)備輔助完成均壓，優(yōu)化算法選擇合適的冗余矢量均壓的方法更具備經(jīng)濟(jì)性，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。張興等[6]、趙志宏等[7]分別研究了二極管鉗位型五電平逆變器在HVDC和STATCOM中的應(yīng)用，得出SVPWM算法的均壓效果受到逆變器調(diào)制比和功率因數(shù)的影響，當(dāng)調(diào)制比小于0.5時(shí)，可以利用內(nèi)層較多的冗余矢量實(shí)現(xiàn)全功率因數(shù)均壓，當(dāng)調(diào)制比大于0.5時(shí)調(diào)制比升高會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，而當(dāng)調(diào)制比繼續(xù)升高至1附近時(shí)，二極管鉗位型五電平逆變器幾乎不能輸出有功功率。本文將高調(diào)制比算法類比于低調(diào)制比，完成算法編寫，通過仿真驗(yàn)證得出該算法能夠?qū)崿F(xiàn)二極管鉗位型五電平逆變器的均壓，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

1 二極管鉗位型五電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 改進(jìn)二極管鉗位型五電平逆變器主電路

表1 改進(jìn)二極管鉗位型五電平逆變器工作狀態(tài)

如表1所列，逆變器每相可以輸出五種電平(Vdc/2、Vdc/4、0、-Vdc/4、-Vdc/2)，將其定義為編號(hào)為0，1，2，3，4五種工作狀態(tài)，因此三相共有125種工作狀態(tài)組合，其空間矢量圖如圖2所示。由圖可知，125個(gè)開關(guān)矢量中61個(gè)為有效矢量，剩余的為冗余矢量。

圖2 二極管鉗位型五電平逆變器空間矢量圖

二極管鉗位型五電平逆變器空間矢量圖由四個(gè)正六邊形中心嵌套而成，其中絕大部分冗余矢量位于內(nèi)兩層六邊形區(qū)域內(nèi)，因此當(dāng)逆變器調(diào)制比較低時(shí)，目前大多SVPWM算法均是利用內(nèi)兩層六邊形數(shù)量眾多的冗余矢量進(jìn)行均壓，而隨著調(diào)制比的增大，冗余矢量個(gè)數(shù)逐漸減少，其中最外層六邊形只有一種狀態(tài)，冗余矢量個(gè)數(shù)為零，較少的冗余矢量選擇導(dǎo)致直流側(cè)電容均壓變得十分困難。

2 二極管鉗位型五電平逆變器控制策略

通過觀察圖2可知，當(dāng)逆變器的開關(guān)序列矢量位于矢量圖最內(nèi)層六邊形上時(shí)，逆變器僅對(duì)一個(gè)直流側(cè)電容電壓有影響。例如，假設(shè)逆變器此時(shí)開關(guān)矢量為(100)，如圖3所示，此時(shí)逆變器僅對(duì)電容C1進(jìn)行充放電,控制電流為Ia。當(dāng)開關(guān)矢量位于第二、三、四層六邊形上時(shí)，逆變器對(duì)相鄰的2，3，4個(gè)直流側(cè)電容電壓起調(diào)節(jié)作用。

圖3 開關(guān)矢量(100)主電路工作狀態(tài)

基于上述原則，本文所采用的SVPWM算法控制將矢量圖分為如圖4所示兩個(gè)區(qū)域。 內(nèi)兩層六邊形即圖4深色部分為區(qū)域1，本文第三節(jié)將介紹區(qū)域1部分的相關(guān)五電平控制均壓算法；外兩層六邊形為區(qū)域2，當(dāng)參考矢量位于區(qū)域2時(shí)，此時(shí)忽略一些節(jié)點(diǎn)將空間矢量圖轉(zhuǎn)化成三電平矢量圖，即將四個(gè)直流側(cè)電容進(jìn)行成對(duì)控制。這樣高調(diào)制比下的控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)(矢量序列選擇，確定最近三矢量)即可采用類比于區(qū)域1的三電平SVPWM算法。

圖4 空間矢量圖區(qū)域劃分

3 二極管鉗位型五電平SVPWM算法

由于空間矢量圖的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，我們可以將其分成如圖4所示Ⅰ～Ⅵ六個(gè)完全相同的扇區(qū)。以下有關(guān)算法的討論均以扇區(qū)Ⅰ為例，其余扇區(qū)的控制均可在算法中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為扇區(qū)I進(jìn)行處理。

3.1 區(qū)域1部分

扇區(qū)I區(qū)域1部分由四個(gè)三角形組成，將其按如圖5所示進(jìn)行編號(hào)。當(dāng)確定參考矢量Vref所在三角形區(qū)域時(shí)，該三角形所在的三個(gè)頂點(diǎn)即為當(dāng)前最近三矢量V1、V2、V3。由于三角形在矢量圖中的方向不完全相同，當(dāng)參考矢量位于三角形1，2，4中時(shí)，最近三矢量V1、V2、V3如圖5(a)所示；當(dāng)參考矢量位于三角形3中時(shí)，最近三矢量V1、V2、V3如圖5(b)所示。

圖5 扇區(qū)I區(qū)域1空間矢量圖

由七段式矢量序列規(guī)則可知，當(dāng)參考矢量位于三角形1或2時(shí)，矢量序列起始點(diǎn)唯一(100/211/322/433為三角形1起始點(diǎn)，110/221/332/443為三角形2起始點(diǎn))；當(dāng)參考矢量位于三角形3或4時(shí)，矢量序列起始點(diǎn)有2種選擇(100/211/322/433和110/221/332/443均可作為三角形3或4的起始點(diǎn))。因此按此分類后，我們僅需對(duì)三角形1和3進(jìn)行分析。

3.1.1 三角形1區(qū)域

可是林師父自己畫風(fēng)，卻要我們畫水！他說：“平遠(yuǎn)細(xì)皺，起起伏伏，這是畫匠們的畫法，你們要學(xué)水奔湍巨浪，隨石曲折，隨物賦形，畫出水的神氣。畫好了水，才畫得出風(fēng)，畫得出光?！?/p>

在三角形1中，矢量序列起始點(diǎn)共有100、211、322和433四個(gè)開關(guān)序列，由圖3類比可知這四個(gè)序列分別對(duì)電容C1、C2、C3和C4電壓起調(diào)節(jié)作用。該三角形區(qū)域內(nèi)存在的七段式序列及其控制的電容如表2所列。

表2 三角形1矢量序列

由圖3可知，三角形1中的均壓控制電流為Ia：當(dāng)Ia大于0時(shí)，此時(shí)逆變器對(duì)所控制的電容放電；當(dāng)Ia小于0時(shí)，此時(shí)逆變器對(duì)所控制的電容充電。為了達(dá)到電容電壓均壓的效果，應(yīng)該利用控制電流的調(diào)節(jié)作用，對(duì)當(dāng)前電壓較低的電容充電或?qū)﹄妷狠^高的電容放電。另外，表2所列出的七段式矢量序列均同時(shí)控制相鄰的2個(gè)電容。因此，控制算法核心思路總結(jié)如下：

a.判斷當(dāng)前控制電流方向，確定此時(shí)對(duì)電容的調(diào)節(jié)方式為充電還是放電。

b.確定當(dāng)前的調(diào)節(jié)方式為充(放)電后，選擇當(dāng)前電壓最低(高)的電容為目標(biāo)控制電容。

c.判斷目標(biāo)控制電容相鄰電容的電壓，選擇其為第二個(gè)控制電容，根據(jù)選擇的2個(gè)控制電容查找表2確定矢量序列。

舉例分析，假設(shè)當(dāng)前控制電流Ia大于0，電容電壓狀態(tài)為Vc2>Vc3>Vc4>Vc1，由于此時(shí)控制電流對(duì)電容電壓放電，因此應(yīng)該選擇電壓最大的電容C2。此外，C2相鄰電容的電壓狀態(tài)為Vc3>Vc1，因此應(yīng)該選擇 C2和C3為控制電容，選擇矢量序列為211-311-321-322-321-311-211。

依據(jù)以上原則，表3按各電容分類列出了三角形1內(nèi)所有情況下的矢量序列選擇，其中Vc1至Vc4分別代表四個(gè)直流側(cè)電容的電壓，Vmax為四個(gè)直流側(cè)電壓的最大值，Vmin為四個(gè)直流側(cè)電壓的最小值。

表3 三角形1矢量序列選擇

續(xù)表

在三角形3中，存在2個(gè)矢量序列起始點(diǎn)，其控制電流分別為Ia和-Ic，我們分別定義其為起始點(diǎn)1和起始點(diǎn)2，首先應(yīng)確定1和2哪個(gè)為矢量序列起始點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]提供了一種判斷矢量序列起始點(diǎn)對(duì)于電容電壓調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱的方法，具體如下：

設(shè)起始點(diǎn)1一個(gè)周期內(nèi)作用時(shí)間為t1，起始點(diǎn)2作用時(shí)間為t2。如果|Ia×t1|>|Ic×t2|，則起始點(diǎn)1具有更好的電壓平衡能力，應(yīng)選擇其為矢量序列起始點(diǎn)，否則應(yīng)選擇起始點(diǎn)2為矢量序列起始點(diǎn)。

起始點(diǎn)確定后，其余步驟與3.1.1中三角形1區(qū)域內(nèi)相同。

3.2 區(qū)域2部分

在區(qū)域2中，我們將直流側(cè)電容C1和C2，C3和C4進(jìn)行聯(lián)合控制，這樣區(qū)域2中的均壓控制就轉(zhuǎn)換為三電平SVPWM控制。此時(shí)區(qū)域2的空間矢量圖如圖6所示，共分為三角形1，2，3三個(gè)區(qū)域，其中三角形1和2中僅有1組矢量序列，三角形3中有2組可選擇的矢量序列。

圖6 扇區(qū)I區(qū)域2空間矢量圖

在三角形3中，由于存在2組七段式矢量序列：200-220-420-422-420-220-200和220-420-422-442-422-420-220需要進(jìn)行選擇。這里采用與3.1.2中相同的方法：如果|Ia×t1|>|Ic×t2|，則選擇200-220-420-422-420-220-200矢量序列，否則應(yīng)選擇220-420-422-442-422-420-220矢量序列。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的二極管鉗位型五電平逆變器改進(jìn)SVPWM算法的有效性，在Simulink仿真平臺(tái)下以圖1所示電路拓?fù)錇榛A(chǔ)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓400V，開關(guān)頻率2kHz，電容器C1、C2、C3、C4的電容值均為6800μF，負(fù)載電阻10Ω，負(fù)載電感20mH。

設(shè)置調(diào)制比為0.2，此時(shí)參考電壓位于區(qū)域1內(nèi)，圖7為調(diào)制比為0.2時(shí)的各項(xiàng)仿真參數(shù)波形圖。可以從圖上看出，直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)均在99.8～100.2V之內(nèi)，達(dá)到了理想的均壓效果。

圖7 調(diào)制比m=0.2仿真波形

設(shè)置調(diào)制比為0.53，此時(shí)參考電壓位于區(qū)域2內(nèi)，圖8為調(diào)制比為0.53時(shí)的各項(xiàng)仿真參數(shù)波形圖。由圖可知，直流側(cè)電容電壓紋波在1.2V以內(nèi)，均壓效果較為理想。

圖8 調(diào)制比m=0.53仿真波形

5 結(jié) 論

隨著近年來高壓大功率電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，五電平的相關(guān)研究已成為電力電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。本文在總結(jié)與歸納現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用一種改進(jìn)型的SVPWM算法，通過利用七段式矢量序列對(duì)于電容電壓的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)了二極管鉗位型五電平逆變器的直流側(cè)均壓，最后通過仿真驗(yàn)證了該算法的正確性及有效性。