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)成為研究的一個熱點。多電平逆變器相對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和減小器件的開關(guān)損耗等優(yōu)點，在電力、冶金、礦山、石化等中高壓大功率場合得到了廣泛應(yīng)用?；镜亩嚯娖酵?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納起來有3種：H橋級聯(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)簡單，無需復(fù)雜變壓器而更具有應(yīng)用前景。針對這3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)運而生了多種調(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)字實現(xiàn)等優(yōu)點，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，存在實現(xiàn)方法較為復(fù)雜，且不易對直流側(cè)中點電位波動進(jìn)行有效控制的缺點。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，具有形式簡單，易于DSP編程實現(xiàn)等特點。針對二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在直流側(cè)電容中點電位波動的固有缺點，電壓前饋的方法可以用來解決單相對稱三電平逆變器直流側(cè)電容電壓不平衡問題，使得中點電位波動得到了一定

3、的控制，但存在電壓平衡系數(shù)難以選擇，控制方法實現(xiàn)較為復(fù)雜的缺點。有文獻(xiàn)提出采用調(diào)整小矢量的時間分配因子實現(xiàn)了三相三電平逆變器中點電位的精確控制。本文借鑒了這一思想，用于實現(xiàn)對單相對稱三電平逆變器直流側(cè)中點電位的控制。本文以單相對稱三電平NPC型逆變器和新型不對稱三電平逆變器為研究對象，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個區(qū)間，根據(jù)伏秒平衡原理，利用區(qū)間內(nèi)的兩個電壓矢量實現(xiàn)對參考電壓矢量的合成。將本文所提SVPWM方法分別應(yīng)用于單相對稱三電平逆變器和不對稱三電平逆變器中，并對兩種拓?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)行了對比分析。為了驗證本文所提方法的正確性和有效性，文中對兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和實驗驗證。1單相二極管鉗位型三電平逆變器主電路單相對稱三電平逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1(a)所示。采用8個功率開關(guān)器件(如Sa1Sa4)和4個鉗位二極管(如D1D2)來構(gòu)成兩組對稱的橋臂。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)點為參考點，則每相橋臂可以輸出3個電平：+E/2，0和-E/2，分別對應(yīng)狀態(tài)P、O和N，則逆變器輸出電壓UAB有5個電平狀態(tài)：±E、±E/2和0。兩組橋臂共有9種開關(guān)組合，對應(yīng)9種工作模

5、式，單相對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個功率器件和2個鉗位二極管構(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)點為參考點，則UAO可以輸出3個電平：+E/2，0和-E/2，UBO可以輸出+E/2和?E/2兩個電平，同樣逆變器輸出電壓UAB也可以有5個電平狀態(tài)。單相對稱三電平逆變器共有9個工作狀態(tài)，根據(jù)每個工作狀態(tài)對應(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個工作狀態(tài)。2單相對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)電壓矢量的模長大小，將單相三電平空間矢量圖分成4個區(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|V|=ME，且矢量以角頻率逆時針旋

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個區(qū)間，如圖2所示。當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間1時，矢量由PO(ON)和PN合成，當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間2時，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，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，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互補開關(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，輸出電壓矢量的時序圖，當(dāng)參考電壓矢量位于其它兩個區(qū)間時，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，x=1，2，B橋臂類似。2.3輸出電壓矢量的作用時間根據(jù)伏秒平衡原理，即由式(1)，可求得每個輸出矢量的作用時間，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)電容中點電位波動是二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的固有缺點，而三電平中點鉗位型逆變器在運行過程中必須要保證直流側(cè)中點電位平衡，否則負(fù)載中會出現(xiàn)偶次諧波，部分開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力也會增大，不利于逆變器

9、的安全運行。大矢量和零矢量對中點電位沒有影響，而小矢量卻影響著中點電位的平衡。圖4是正小矢量PO與負(fù)小矢量ON作用電路圖。中點電位的不平衡，歸根到底是由于流入或流出中點的電流存在造成的，使得直流側(cè)兩個電容一個放電，一個充電，導(dǎo)致中點電位發(fā)生偏移。由圖4可知，當(dāng)正小矢量PO作用時io=iL，而負(fù)小矢量ON作用時io=?iL。因此，它們對中點電壓的影響相反，可以通過調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時間來實現(xiàn)對逆變器中點電位的精確控制。引入電壓調(diào)整系數(shù)f(0<f<1)對小矢量作用時間進(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為POPNONPNPO。其中，小矢量PO與ON互為冗余矢量

10、，若其總的作用時間為T，令正小矢量PO的作用時間為Tp=fT，則負(fù)小矢量的作用時間為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)小矢量的作用時間可以有效的控制電容中點電位的平衡。3新型單相不對稱三電平逆變器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)。新型不對稱三電平逆變器共有6個工作狀態(tài)，圖5為其對應(yīng)的空間矢量圖。運用本文第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序圖，如圖6所示，而輸出矢量的作用時間與表3相同。由新型不對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間來調(diào)整中點電位平衡，中點電位存在一定的波動(本文后面的仿真結(jié)果將會看到)，因而直流側(cè)電容需要2個獨立電源。由輸出電壓矢量時序圖圖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。新型單相不對稱三電平逆變器開關(guān)器件數(shù)量少于單相對稱三電平逆變器，但直流側(cè)需要兩個獨立的直流電源。4仿真和實驗結(jié)果為了驗證本文所提空間矢量脈寬調(diào)制方法的正確性和有效性，本文對兩種電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真和實驗驗證。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，新型單相不對稱三電平拓?fù)洳捎脝蝹€直流電源時，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，勢必造成負(fù)載電流諧波含量增大，器件也會承受較大的開關(guān)應(yīng)力，因此新型單相不對稱逆變器直流側(cè)需采用兩個直流電源對電容C1和C2單獨供電。圖8為單相不對稱三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，其中直流側(cè)采用兩個直流電源。圖8(a)為調(diào)制比M=0.83時，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)過計算其THD=3.90%。圖9為單相對稱三電平拓?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，中點電位波動較小，驗證了本文所提中點電位控制方法的正確性。圖9(b)為調(diào)制比為M=0.83時，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，計算得其THD=5.96%，略高于新型不對稱三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實驗采用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，單相不對稱和對稱三電平逆變器輸出電壓UAB的實驗波形，由圖可以看出，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在調(diào)制比相同時輸出電壓波形基本相同，實驗和仿真結(jié)果一致。圖11為負(fù)載電流實驗波形。為了驗證在初始時刻電容電壓不相等時，本文所提SVPWM方法對單相對稱三電平拓?fù)渲绷鱾?cè)中點電位的控制能力，做了相應(yīng)的仿真和實驗。初始時刻，Udc1=60V，Udc2=0V。圖12為直流側(cè)兩電容電壓仿真和實驗動態(tài)波形。系統(tǒng)運行后直流側(cè)電容電壓能很快穩(wěn)定在30V，且穩(wěn)定后電容電壓波動很小。仿真和實驗結(jié)果基本一致，仿真和實驗結(jié)果表明