三電平逆變器簡化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、易于編程實現(xiàn)的簡化三電平SVPWM 控制算法。同時，針對三電平拓撲結(jié)構(gòu)固有的中點電位波動問題，分析中點電位波動的原因和抑制方法�；贛atlab/Simulink 平臺，仿真結(jié)果驗證了該控制算法的優(yōu)越性，輸出電壓波形接近正弦，中點電位平衡。
關(guān)鍵詞： 三電平逆變器;SVPWM;中點電位控制
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，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。與兩電平成熟的拓撲結(jié)構(gòu)相比，多電平變換器拓撲結(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箝位型(NPC 型)和單元串聯(lián)型兩大類[1]。而二極管箝位型三電平拓撲結(jié)構(gòu)，由于所需功率器件少、開關(guān)頻率低、輸出波形階梯數(shù)高、du / dt 小、以及易于實現(xiàn)高性能控制等優(yōu)勢，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。該算法運用熟悉的兩電平SVPWM 實現(xiàn)流程，易于數(shù)字化實現(xiàn)。同時，針對三電平逆變器直流側(cè)中點電位波動問題，通過改變正、負小矢量作用時間，實現(xiàn)直流側(cè)中點電位平衡控制。
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撲結(jié)構(gòu)。直流側(cè)由兩個濾波電容( 1 2 C、C )構(gòu)成，逆變側(cè)每相橋臂由四個功率開關(guān)器件( 1 4 ~ x x S S )、四個續(xù)流二極管以及兩個箝位二極管(Dx1 ~ Dx2)構(gòu)成，其中開關(guān)對x1 x3 S 、S 和x2 x4 S 、S 的開關(guān)狀態(tài)互補(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標識這三種電壓輸出時的開關(guān)狀態(tài)。三相橋臂經(jīng)組合后，共有27 種開關(guān)狀態(tài)。
2、簡化的SVPWM 控制算法
傳統(tǒng)的三電平 SVPWM 控制，往往將一個扇區(qū)劃分為四個小三角形區(qū)域，進而根據(jù)參考電壓矢量所在區(qū)域，計算有效矢量作用時間。由于需要對24 個小三角形分別求解，計算量非常大。而運用簡化的三電平SVPWM 控制算法，通過坐標平移，將參考電壓矢量修正到兩電平平面中，同時易于實現(xiàn)中點電位控制。
三電平電壓空間矢量圖可以看作由六個兩電平電壓空間矢量所構(gòu)成的小六邊形疊合而成[4]，每個小六邊形以三電平電壓空間矢量圖中小矢量的頂點作為中心，字母S 表示小六邊形號如圖3所示(S =1 ~ 6)。
圖4 為S =1時參考電壓矢量修正圖。再依次將有效矢量和零矢量進行坐標平移，整個研究便完全轉(zhuǎn)化到兩電平電壓空間矢量平面中。所在扇區(qū)號。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間。值的注意的是，兩電平SVPWM算法向三電平平面推廣時，要對V ref的α、β 分量_ ref Vα 和_ ref Vβ 值進行修正，同時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、中點電位平衡控制
3.1 中點電位波動原因
由于箝位型三電平逆變器自身拓撲結(jié)構(gòu)缺陷，存在直流側(cè)中點電位波動問題。中點電位的波動會導(dǎo)致輸出電壓諧波含量上升，功率開關(guān)器件承壓不均，電容壽命減短，對整個裝置危害極大。NPC 型三電平逆變器直流側(cè)中點電位存在波動，一方面是由于兩個濾波電容1 C 、2 C 實際參數(shù)存在偏差;另一方面，電容和負載之間不同的連接狀態(tài)，變化的中點電流對電容1 C 、2 C 不同程度的充、放電，從而造成中點電位波動。圖5 顯示出了三電平逆變器工作在不同開關(guān)狀態(tài)下，直流電容與負載的七種連接情況。
由圖5可以看出，中點電位波動與中點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合成參考電壓矢量，對中點電位的影響不同。通過分析可以得出：大矢量對中點電位無影響;當(dāng)直流側(cè)電容參數(shù)有偏差時，中矢量會造成中點電位波動;小矢量的作用必然會引起中點電位波動。不同開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的冗余小矢量，產(chǎn)生的中點電流方向相反，對中點電位的作用效果相反。我們將使電容1 C 放電、2 C 充電，中點電位上升的`小矢量稱為正組小矢量;反之，將使得中點電位下降的小矢量稱為負組小矢量。
3.2 中點電位平衡控制算法
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小六邊形重疊區(qū)域時，可以運用改變S 值法，改變正、負冗余小矢量的作用時間，抑制中點電位波動。
4、仿真研究
為驗證文中 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，負載接三相對稱阻感負載。仿真參數(shù)設(shè)置為：直流電壓U = 540V ，母線電容C = 4700μ F ，開關(guān)頻率2 cf = KHz，負載電阻R = 0.7Ω，負載電感L = 0.08H 。
圖7 為SVPWM 控制仿真模塊，主要由：小六邊形號判定模塊、參考電壓修正模塊、扇區(qū)確定模塊、作用時間計算模塊以及PWM 生成模塊組成。
當(dāng)參考電壓給定為200V，頻率為50Hz 時，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，降低了電機的噪聲、溫升以及對繞組絕緣的影響。圖9 為中點電位波形，可以看出直流側(cè)中點電位波動正負對稱并且小于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現(xiàn)的簡化的三電平SVPWM 控制算法。針對三電平拓撲結(jié)構(gòu)存在的中點電位波動問題，分析了中點電位波動的原因和抑制方法。仿真結(jié)果驗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，同時中點電位波動性小。因此，基于簡化的SVPWM 算法的三電平變換器在高壓大功率工業(yè)場合具有廣闊的應(yīng)用前景。
[參考文獻] (References)
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