三電平逆變器簡(jiǎn)化SVPWM 控制算法仿真研究
摘要：本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的、易于編程實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化三電平SVPWM 控制算法。同時(shí)，針對(duì)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固有的中點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題，分析中點(diǎn)電位波動(dòng)的原因和抑制方法�；贛atlab/Simulink 平臺(tái)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制算法的優(yōu)越性，輸出電壓波形接近正弦，中點(diǎn)電位平衡。
關(guān)鍵詞： 三電平逆變器;SVPWM;中點(diǎn)電位控制
0、引言
目前，隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，多電平變換器耐壓水平高、通流能力強(qiáng)，主要應(yīng)用于礦井提升、風(fēng)力發(fā)電、有源電力濾波器等高壓大功率領(lǐng)域。與兩電平成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難于統(tǒng)一，其中交直交電壓型多電平變換器可分為中點(diǎn)箝位型(NPC 型)和單元串聯(lián)型兩大類(lèi)[1]。而二極管箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于所需功率器件少、開(kāi)關(guān)頻率低、輸出波形階梯數(shù)高、du / dt 小、以及易于實(shí)現(xiàn)高性能控制等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。
本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎(chǔ)上，提出一種新穎的電壓空間矢量PWM 控制算法。該算法運(yùn)用熟悉的兩電平SVPWM 實(shí)現(xiàn)流程，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，針對(duì)三電平逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)改變正、負(fù)小矢量作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制。
1、二極管箝位型
三電平逆變器工作原理圖 1 為二極管箝位型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直流側(cè)由兩個(gè)濾波電容( 1 2 C、C )構(gòu)成，逆變側(cè)每相橋臂由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件( 1 4 ~ x x S S )、四個(gè)續(xù)流二極管以及兩個(gè)箝位二極管(Dx1 ~ Dx2)構(gòu)成，其中開(kāi)關(guān)對(duì)x1 x3 S 、S 和x2 x4 S 、S 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)(x = a、b、c)。
三電平逆變器每相橋臂可以輸出0 d d +E 、、? E 三種電壓，用1、0、?1標(biāo)識(shí)這三種電壓輸出時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。三相橋臂經(jīng)組合后，共有27 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
2、簡(jiǎn)化的SVPWM 控制算法
傳統(tǒng)的三電平 SVPWM 控制，往往將一個(gè)扇區(qū)劃分為四個(gè)小三角形區(qū)域，進(jìn)而根據(jù)參考電壓矢量所在區(qū)域，計(jì)算有效矢量作用時(shí)間。由于需要對(duì)24 個(gè)小三角形分別求解，計(jì)算量非常大。而運(yùn)用簡(jiǎn)化的三電平SVPWM 控制算法，通過(guò)坐標(biāo)平移，將參考電壓矢量修正到兩電平平面中，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位控制。
三電平電壓空間矢量圖可以看作由六個(gè)兩電平電壓空間矢量所構(gòu)成的小六邊形疊合而成[4]，每個(gè)小六邊形以三電平電壓空間矢量圖中小矢量的頂點(diǎn)作為中心，字母S 表示小六邊形號(hào)如圖3所示(S =1 ~ 6)。
圖4 為S =1時(shí)參考電壓矢量修正圖。再依次將有效矢量和零矢量進(jìn)行坐標(biāo)平移，整個(gè)研究便完全轉(zhuǎn)化到兩電平電壓空間矢量平面中。所在扇區(qū)號(hào)。再根據(jù)伏秒平衡原理確定合成所需的主矢量、次矢量和零矢量的作用時(shí)間。值的注意的是，兩電平SVPWM算法向三電平平面推廣時(shí)，要對(duì)V ref的α、β 分量_ ref Vα 和_ ref Vβ 值進(jìn)行修正，同時(shí)dc V 應(yīng)用13 d E 代替，其中d E 是三電平變換器直流側(cè)電壓。
3、中點(diǎn)電位平衡控制
3.1 中點(diǎn)電位波動(dòng)原因
由于箝位型三電平逆變器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺陷，存在直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題。中點(diǎn)電位的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓諧波含量上升，功率開(kāi)關(guān)器件承壓不均，電容壽命減短，對(duì)整個(gè)裝置危害極大。NPC 型三電平逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位存在波動(dòng)，一方面是由于兩個(gè)濾波電容1 C 、2 C 實(shí)際參數(shù)存在偏差;另一方面，電容和負(fù)載之間不同的連接狀態(tài)，變化的中點(diǎn)電流對(duì)電容1 C 、2 C 不同程度的充、放電，從而造成中點(diǎn)電位波動(dòng)。圖5 顯示出了三電平逆變器工作在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，直流電容與負(fù)載的七種連接情況。
由圖5可以看出，中點(diǎn)電位波動(dòng)與中點(diǎn)電流的大小和方向密切相關(guān)，因此，選取不同的電壓空間矢量來(lái)合成參考電壓矢量，對(duì)中點(diǎn)電位的影響不同。通過(guò)分析可以得出：大矢量對(duì)中點(diǎn)電位無(wú)影響;當(dāng)直流側(cè)電容參數(shù)有偏差時(shí)，中矢量會(huì)造成中點(diǎn)電位波動(dòng);小矢量的作用必然會(huì)引起中點(diǎn)電位波動(dòng)。不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冗余小矢量，產(chǎn)生的中點(diǎn)電流方向相反，對(duì)中點(diǎn)電位的作用效果相反。我們將使電容1 C 放電、2 C 充電，中點(diǎn)電位上升的`小矢量稱(chēng)為正組小矢量;反之，將使得中點(diǎn)電位下降的小矢量稱(chēng)為負(fù)組小矢量。
3.2 中點(diǎn)電位平衡控制算法
1)參考電壓矢量位于重疊區(qū)域當(dāng)參考電壓矢量位于兩個(gè)小六邊形重疊區(qū)域時(shí)，可以運(yùn)用改變S 值法，改變正、負(fù)冗余小矢量的作用時(shí)間，抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)。
4、仿真研究
為驗(yàn)證文中 SVPWM 控制算法的正確性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下，搭建三電平逆變器控制系統(tǒng)仿真模型，負(fù)載接三相對(duì)稱(chēng)阻感負(fù)載。仿真參數(shù)設(shè)置為：直流電壓U = 540V ，母線電容C = 4700μ F ，開(kāi)關(guān)頻率2 cf = KHz，負(fù)載電阻R = 0.7Ω，負(fù)載電感L = 0.08H 。
圖7 為SVPWM 控制仿真模塊，主要由：小六邊形號(hào)判定模塊、參考電壓修正模塊、扇區(qū)確定模塊、作用時(shí)間計(jì)算模塊以及PWM 生成模塊組成。
當(dāng)參考電壓給定為200V，頻率為50Hz 時(shí)，三電平逆變器輸出相電壓、相電流仿真波形如圖8 所示。從圖中可以看出，逆變器采用簡(jiǎn)化的SVPWM 控制后，輸出相電壓為九階梯波，逼近于正弦，du / dt 跳變小。由于電壓諧波畸變率低，降低了電機(jī)的噪聲、溫升以及對(duì)繞組絕緣的影響。圖9 為中點(diǎn)電位波形，可以看出直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)正負(fù)對(duì)稱(chēng)并且小于3V。
5、結(jié)論
本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎(chǔ)上，提出了一種易于編程實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化的三電平SVPWM 控制算法。針對(duì)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的中點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題，分析了中點(diǎn)電位波動(dòng)的原因和抑制方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制算法的優(yōu)越性，輸出電壓波形接近于正弦，所含諧波少，同時(shí)中點(diǎn)電位波動(dòng)性小。因此，基于簡(jiǎn)化的SVPWM 算法的三電平變換器在高壓大功率工業(yè)場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。
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