二極管鉗位型單相三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法

1、二極管鉗位型單相三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法引言近年來，在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域多電平功率變換器技術(shù)成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。多電平逆變器相對(duì)于兩電平逆變器具有輸出電壓更接近正弦波、能降低器件的耐壓等級(jí)和減小器件的開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，在電力、冶金、礦山、石化等中高壓大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。基本的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納起來有3種：H橋級(jí)聯(lián)型、二極管鉗位型和飛跨電容型。其中二極管鉗位型(neutral point clamped，NPC)多電平逆變器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜變壓器而更具有應(yīng)用前景。針對(duì)這3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生了多種調(diào)制方法和控制策略，從廣義的范疇看，分為載波脈寬調(diào)制(pulse width mod

2、ulation，PWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技術(shù)。SVPWM方法具有物理概念清晰、電壓利用率高、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)單相多電平逆變器大多采用載波PWM方法，存在實(shí)現(xiàn)方法較為復(fù)雜，且不易對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)進(jìn)行有效控制的缺點(diǎn)。本文提出一種適用于單相三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SVPWM方法，具有形式簡(jiǎn)單，易于DSP編程實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。針對(duì)二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在直流側(cè)電容中點(diǎn)電位波動(dòng)的固有缺點(diǎn)，電壓前饋的方法可以用來解決單相對(duì)稱三電平逆變器直流側(cè)電容電壓不平衡問題，使得中點(diǎn)電位波動(dòng)得到了一定

3、的控制，但存在電壓平衡系數(shù)難以選擇，控制方法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的缺點(diǎn)。有文獻(xiàn)提出采用調(diào)整小矢量的時(shí)間分配因子實(shí)現(xiàn)了三相三電平逆變器中點(diǎn)電位的精確控制。本文借鑒了這一思想，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單相對(duì)稱三電平逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位的控制。本文以單相對(duì)稱三電平NPC型逆變器和新型不對(duì)稱三電平逆變器為研究對(duì)象，將三相NPC型逆變器SVPWM方法引入到單相NPC型逆變器中，提出一種單相三電平NPC型空間矢量脈寬調(diào)制方法，該方法將單相空間矢量圖分為4個(gè)區(qū)間，根據(jù)伏秒平衡原理，利用區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)電壓矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電壓矢量的合成。將本文所提SVPWM方法分別應(yīng)用于單相對(duì)稱三電平逆變器和不對(duì)稱三電平逆變器中，并對(duì)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在器件

4、數(shù)量、控制方法和輸出波形質(zhì)量上進(jìn)行了對(duì)比分析。為了驗(yàn)證本文所提方法的正確性和有效性，文中對(duì)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1單相二極管鉗位型三電平逆變器主電路單相對(duì)稱三電平逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1(a)所示。采用8個(gè)功率開關(guān)器件(如Sa1Sa4)和4個(gè)鉗位二極管(如D1D2)來構(gòu)成兩組對(duì)稱的橋臂。設(shè)直流側(cè)母線電壓UD=E，直流側(cè)電容C1=C2，若電容電壓相等，則Udc1=Udc2=E/2，以O(shè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，則每相橋臂可以輸出3個(gè)電平：+E/2，0和-E/2，分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)P、O和N，則逆變器輸出電壓UAB有5個(gè)電平狀態(tài)：±E、±E/2和0。兩組橋臂共有9種開關(guān)組合，對(duì)應(yīng)9種工作模

5、式，單相對(duì)稱三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)與交流側(cè)輸出電壓的關(guān)系表如表1所示，其中Sa、Sb分別表示A、B橋臂功率管的工作狀態(tài)。有文獻(xiàn)提出了一種單相不對(duì)稱三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由6個(gè)功率器件和2個(gè)鉗位二極管構(gòu)成，其中A橋臂為半橋二極管鉗位型逆變器結(jié)構(gòu)，B橋臂為傳統(tǒng)兩電平半橋逆變器結(jié)構(gòu)，同樣以O(shè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，則UAO可以輸出3個(gè)電平：+E/2，0和-E/2，UBO可以輸出+E/2和?E/2兩個(gè)電平，同樣逆變器輸出電壓UAB也可以有5個(gè)電平狀態(tài)。單相對(duì)稱三電平逆變器共有9個(gè)工作狀態(tài)，根據(jù)每個(gè)工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出電壓UAB的大小，定義PN和NP為大矢量，PO、OP、ON和NO為小矢量，

6、而PP、OO和NN為零矢量。分析可知，小矢量PO與ON，OP與NO互為冗余小矢量，零矢量PP、OO和NN互為冗余零矢量。由于單相不對(duì)稱三電平逆變器B橋臂的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得逆變器只有6個(gè)工作狀態(tài)。2單相對(duì)稱三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法2.1單相三電平逆變器SVPWM圖SVPWM方法在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，。本文根據(jù)電壓矢量的模長(zhǎng)大小，將單相三電平空間矢量圖分成4個(gè)區(qū)間，根據(jù)參考電壓矢量V所在的區(qū)間，選擇該區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)電壓矢量進(jìn)行合成。設(shè)逆變器希望輸出的電壓為UAB=MEcost，如圖2所示，逆變器輸出電壓UAB為矢量V在軸上的投影，矢量V的模長(zhǎng)|V|=ME，且矢量以角頻率逆時(shí)針旋

7、轉(zhuǎn)。其中M為調(diào)制比，范圍在0到1之間。2.2輸出矢量的作用順序單相三電平逆變器9種工作狀態(tài)將空間矢量圖劃分為4個(gè)區(qū)間，如圖2所示。當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間1時(shí)，矢量由PO(ON)和PN合成，當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間2時(shí)，矢量由PO(ON)和OO(PP、NN)合成，當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間3和4時(shí)，情況類似。為了減小器件的開關(guān)頻率和損耗，本文采用了一種首發(fā)矢量為正(負(fù))小矢量的五段式最優(yōu)空間矢量脈寬調(diào)制方法。參考電壓矢量在各個(gè)區(qū)間內(nèi)的輸出矢量的作用順序如表2所示，以首發(fā)矢量為正小矢量為例，當(dāng)首發(fā)矢量為負(fù)小矢量時(shí)，情況類似。從表2可以看出開關(guān)狀態(tài)的每一次變化都只有一相橋臂的兩個(gè)互補(bǔ)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生了

8、變化，從而減少了開關(guān)損耗和降低了開關(guān)頻率。圖3是參考電壓矢量位于區(qū)間1和2時(shí)，輸出電壓矢量的時(shí)序圖，當(dāng)參考電壓矢量位于其它兩個(gè)區(qū)間時(shí)，情況類似。其中Sax_PWM表示A橋臂開關(guān)管Sax的導(dǎo)通或關(guān)斷信號(hào)，x=1，2，B橋臂類似。2.3輸出電壓矢量的作用時(shí)間根據(jù)伏秒平衡原理，即由式(1)，可求得每個(gè)輸出矢量的作用時(shí)間，如表3所示。其中，Ts為開關(guān)周期，E為直流側(cè)電壓值。2.4直流側(cè)電容電壓平衡的控制直流側(cè)電容中點(diǎn)電位波動(dòng)是二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的固有缺點(diǎn)，而三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器在運(yùn)行過程中必須要保證直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡，否則負(fù)載中會(huì)出現(xiàn)偶次諧波，部分開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力也會(huì)增大，不利于逆變器

9、的安全運(yùn)行。大矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響，而小矢量卻影響著中點(diǎn)電位的平衡。圖4是正小矢量PO與負(fù)小矢量ON作用電路圖。中點(diǎn)電位的不平衡，歸根到底是由于流入或流出中點(diǎn)的電流存在造成的，使得直流側(cè)兩個(gè)電容一個(gè)放電，一個(gè)充電，導(dǎo)致中點(diǎn)電位發(fā)生偏移。由圖4可知，當(dāng)正小矢量PO作用時(shí)io=iL，而負(fù)小矢量ON作用時(shí)io=?iL。因此，它們對(duì)中點(diǎn)電壓的影響相反，可以通過調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中點(diǎn)電位的精確控制。引入電壓調(diào)整系數(shù)f(0<f<1)對(duì)小矢量作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，以參考電壓矢量位于區(qū)間1為例，其輸出矢量的作用順序?yàn)镻OPNONPNPO。其中，小矢量PO與ON互為冗余矢量

10、，若其總的作用時(shí)間為T，令正小矢量PO的作用時(shí)間為Tp=fT，則負(fù)小矢量的作用時(shí)間為Tn=(1-f)T。這樣在獲得直流側(cè)電容電壓偏差的情況下，根據(jù)負(fù)載電流的方向，調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)間可以有效的控制電容中點(diǎn)電位的平衡。3新型單相不對(duì)稱三電平逆變器SVPWM方法有文獻(xiàn)提出了一種單相二極管鉗位型不對(duì)稱三電平拓?fù)洌⑵鋺?yīng)用于整流電路。本文將該拓?fù)鋺?yīng)用于逆變狀態(tài)。新型不對(duì)稱三電平逆變器共有6個(gè)工作狀態(tài)，圖5為其對(duì)應(yīng)的空間矢量圖。運(yùn)用本文第2部分提出的空間矢量脈寬調(diào)制方法，容易得出參考電壓矢量的作用順序和輸出矢量作用的時(shí)序圖，如圖6所示，而輸出矢量的作用時(shí)間與表3相同。由新型不對(duì)稱三電平逆變器空間矢

11、量圖可知，B橋臂的兩電平結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了小矢量不存在冗余狀態(tài)，因而不能通過調(diào)整正負(fù)冗余小矢量的作用時(shí)間來調(diào)整中點(diǎn)電位平衡，中點(diǎn)電位存在一定的波動(dòng)(本文后面的仿真結(jié)果將會(huì)看到)，因而直流側(cè)電容需要2個(gè)獨(dú)立電源。由輸出電壓矢量時(shí)序圖圖6可知，B橋臂開關(guān)管Sb1和Sb2的開關(guān)頻率較低，但承受較高的電壓。因此可以考慮采用耐壓值較高，開關(guān)頻率相對(duì)較低的IGCT或GTO器件，而A橋臂可以采用開關(guān)頻率較高的器件，如IGBT，使其工作在較高頻率，而承受較小的電壓應(yīng)力，這樣充分發(fā)揮了這些開關(guān)器件的特性。表4為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在器件數(shù)量和輸出電壓諧波含量的比較，可以看出，新型單相不對(duì)稱單相三電平逆變器輸出電壓的總諧波畸變率

12、(total harmonic distortion，THD)含量略低，但兩種拓?fù)漭敵霾ㄐ钨|(zhì)量相差不大。新型單相不對(duì)稱三電平逆變器開關(guān)器件數(shù)量少于單相對(duì)稱三電平逆變器，但直流側(cè)需要兩個(gè)獨(dú)立的直流電源。4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證本文所提空間矢量脈寬調(diào)制方法的正確性和有效性，本文對(duì)兩種電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：系統(tǒng)的直流側(cè)電壓為600 V，電容C1=C2=2 200F，阻感負(fù)載R=68，L=15 mH，采樣頻率為10 kHz，基波頻率為50 Hz。圖7為調(diào)制比M=0.83，新型單相不對(duì)稱三電平拓?fù)洳捎脝蝹€(gè)直流電源時(shí)，采用本文所提SVPWM方法直流側(cè)兩電容電壓Udc1和Udc2波形，可

13、以看出電容電壓存在較大波動(dòng)，勢(shì)必造成負(fù)載電流諧波含量增大，器件也會(huì)承受較大的開關(guān)應(yīng)力，因此新型單相不對(duì)稱逆變器直流側(cè)需采用兩個(gè)直流電源對(duì)電容C1和C2單獨(dú)供電。圖8為單相不對(duì)稱三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，其中直流側(cè)采用兩個(gè)直流電源。圖8(a)為調(diào)制比M=0.83時(shí)，逆變器輸出電壓UAB的波形。圖8(b)為輸出電壓UAB的頻譜分析，經(jīng)過計(jì)算其THD=3.90%。圖9為單相對(duì)稱三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。圖9(a)為直流側(cè)兩電容電壓的偏差，由圖可知，中點(diǎn)電位波動(dòng)較小，驗(yàn)證了本文所提中點(diǎn)電位控制方法的正確性。圖9(b)為調(diào)制比為M=0.83時(shí)，逆變器輸出電壓UAB的波形。圖9(c)為輸出電壓UAB的頻譜

14、分析，計(jì)算得其THD=5.96%，略高于新型不對(duì)稱三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)采用TI公司TMS320F2812作為控制電路的核心，主電路的開關(guān)器件選用IRFP450 MOS管，直流側(cè)選用兩個(gè)2200F的電容，直流側(cè)母線電壓為60V，負(fù)載為阻感負(fù)載，電阻值為68，電感為15 mH，采樣頻率為10 kHz。圖10為調(diào)制比M=0.83時(shí)，單相不對(duì)稱和對(duì)稱三電平逆變器輸出電壓UAB的實(shí)驗(yàn)波形，由圖可以看出，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在調(diào)制比相同時(shí)輸出電壓波形基本相同，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果一致。圖11為負(fù)載電流實(shí)驗(yàn)波形。為了驗(yàn)證在初始時(shí)刻電容電壓不相等時(shí)，本文所提SVPWM方法對(duì)單相對(duì)稱三電平拓?fù)渲绷鱾?cè)中點(diǎn)電位的控制能力，做了相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)。初始時(shí)刻，Udc1=60V，Udc2=0V。圖12為直流側(cè)兩電容電壓仿真和實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)波形。系統(tǒng)運(yùn)行后直流側(cè)電容電壓能很快穩(wěn)定在30V，且穩(wěn)定后電容電壓波動(dòng)很小。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明