基于三电平空间矢量调制的能量回馈研究

田 微，张俊敏

(1．中南民族大学计算机科学学院，湖北 武汉 430074;2．武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

节约能源的一种简单可行的方法是从能量回馈角度，将多余的能量回馈给电网。其控制的核心是如何实现直交变流，即如何实现有源逆变。以往常用一些常规的SPWM技术来实现，然而多数常规方法直流利用率低［1－2］，且传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方式只适合模拟电路，已不适应现代化电力电子技术数字化的发展趋势［3－4］。基于以上研究，笔者采用三电平空间矢量控制策略来实现能量回馈，以提高三相逆变器的可靠性和可行性，进一步降低并网成本。实验证明，该方法具有一定的实用价值。

1 三电平逆变器的空间矢量调制

图1为三电平逆变器电路拓扑结构，其中VA1等开关器件选用IGBT。以A相为例，其共有3种状态，分别为 UDC、UDC/2、0。其中，UDC为 VA1、VA2导通时A相电压的大小，UDC/2为VA2、VA3导通时A相电压的大小，0为VA3、VA4导通时A相电压的大小，分别记为2电平、1电平和0电平。

设Um为相电压有效值，f为电网频率。根据空间矢量的概念，有:

则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)可表示为:

图1 三电平逆变器电路拓扑结构图

利用三电平逆变器的拓扑结构和式(2)，可以得到如图2所示的三电平逆变器空间矢量图［5］。图2中所标矢量共有27个，依据矢量大小，可分为 4 类:零矢量(000，111，222)、小矢量(100，110，010，011，001，101，211，221，121，122，112，212)、中矢量(210，120，021，012，102，201)和大矢量(200，220，020，022，002，202)。

2 SVPWM控制算法

2．1 电压矢量作用时间的计算

由伏秒平衡原理［6］可得:

设参考矢量在Ⅰ区 110［221］、210、100［211］所围三角形区域内，则得:

图2 三电平逆变器电压空间矢量图

式中:t1、t2、t3分别为矢量 V1、V2、V3的作用时间;为大矢量大小;θ为参考矢量的方位角。

同理，可推出Ⅰ区其他三角形的3矢量的作用时间。调整θ角，可得到其他区域的情况［7－8］，例如，Ⅵ区的 θVI=2π －θt。

2．2 参考矢量所在区域的判断

为了使逆变器输出的谐波分量最小，在此采用了最近3矢量合成方法。该方法就是判断参考矢量位于矢量图中的哪个小三角形中，再用上述方法计算矢量的作用时间，最后制定脉冲序列。

判断参考矢量所在小三角形区域，可先依据方位角判定参考矢量所在的大三角形区域Ⅰ区～Ⅵ区，再判定所在小三角形区域。判定小三角形区域时，可以通过该区域的大矢量和零矢量来判断，也即可用二电平矢量图来简化［9］。以Ⅵ区为例，其空间矢量图如图3所示。在二电平矢量图中，设ta、tb、t0分别为三角形的两个大矢量和零矢量的作用时间，当ta大于T/2时，为Ⅵ4区域;当tb大于T/2时，为Ⅵ2区域;当t0大于 T/2时，为Ⅵ1区域;否则为Ⅵ3区域。

图3 Ⅵ区空间矢量图

2．3 脉冲序列的实现

脉冲序列实现最基本的原则是:①在一个控制周期内，历遍所有矢量，生成对称的PWM波形，尽可能地使谐波最小;②为使谐波尽可能小，当矢量跳变时，应使电压变化最小化。另外，从矢量图中可以看出，有些三角形的顶点有两个矢量，使得矢量图中存在大量的冗余矢量。冗余矢量的存在使得控制更加灵活，但也增加了控制难度。现以Ⅵ区为例，该区中每个小三角形区域内的矢量作用顺序如表1所示，当矢量跨区切换时，脉冲序列如表2所示。

表1 Ⅵ区脉冲序列

表2 脉冲序列

由表2可知，当k＞1时，属于过调制暂态，输出的波形会出现严重失真［10］。

3 方法验证

矢量调制是用于能量回馈，在运用上述方法时，要注意以下几点:①相电压有效值为220 V;②回馈的起始时刻为电网A相电压的相角θ=0;③f=50 Hz。另外，选择参数 L=1 mH，C=4 400 μF，采样时间为 200 μs。

系统实验硬件框图如图4所示。为使系统计算性能和控制性能更优良，主控单元采用双控制器来实现，控制器TMS320C2812DSP完成采样及矢量序列相关计算，控制器LPC2294负责实现相关测控功能。同步电压检测单元检测电网电压，当A相电压从负半周过零进入正半周时，开始回馈能量，即参考矢量方位角θ从0开始。功率器件选用富士的6MBI12L－120IGBT模块，并选用富士的EXB840作为驱动模块。温度、电流和电压检测单元负责对系统的逆变器进行检测，并将检测结果传递给主控单元的LPC2294，以实现相关的控制功能。实验所得的电网侧A相电压波形如图5所示。

图4 系统硬件框图

图5 电网侧A相电压

4 结论

三电平及多电平空间矢量调制方法常用于整流器和逆变器的设计，专用于能量回馈的比较少。笔者根据能量回馈逆变器的特点，将三电平空间矢量调制方法用于能量回馈系统之中，并结合能量回馈的其他特殊要求，构造能量回馈系统。系统的实验结果验证了方案的正确性。

［1］ KATSUNORI T．Traperiodal modulation signal for three－ phace PWM inverter［J］．IEEE Trnas Ind Elee，1986，33(2):193 －200．

［2］ TEICHMANN R，BERNET S．A comparison of three －level converters versus two－level converters for lowvoltage drives，traction，and utility applications［J］．IEEE Transaction on Industry Applications，2005，41(3):855－860．

［3］ 宋文祥，陈国呈．基于矢量合成的三电平空间电压矢量调制方式［J］．中国电工技术学报，2007，22(10):91－96．

［4］ 宋强，刘文华．多电平通用空间矢量调制集成电路及其FPGA实现［J］．中国电机工程学报，2008，28(12):95－100．

［5］ 翁力，韩玲．空间矢量脉冲调制(SVPWM)扇区过渡的分析研究［J］．机电工程，2003，20(3):49 －51．

［6］ 李耀光，刘卫国．矩阵变换器与双PWM变换器的比较研究［J］．电气传动自动化，2006，28(4):9－13．

［7］ 陈国呈．PWM 逆变技术及应用［M］．北京:中国电力出版社，2007:24－63．

［8］ 张崇巍，张兴．PWM 整流器及其控制［M］．北京:机械工业出版社，2003:103－134．

［9］ 姜卫东，王群京．一种完全基于两电平空间矢量调制的三电平空间矢量调制算法［J］．电工技术学报，2009，24(1):108 －114．

［10］ 詹长江，秦荃华．三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析［J］．中国电机工程学报，1999，19(7):45 －48．