NPC逆变器混合四段法与六段法的空间矢量调制策略

郑　宏,蒋丽琴,蒋　超,申兴宇

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)



NPC逆变器混合四段法与六段法的空间矢量调制策略

郑宏*,蒋丽琴,蒋超,申兴宇

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)

摘要:针对传统的空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)方法计算量大且扇区判断复杂,控制器计算工作量大这一问题,研究一种基于60°坐标系和新型混合段法调制的SVPWM。该方法采用四段法与六段法结合生成所需的空间矢量调制波形,通过改变电压调整系数对P型N型O型单位矢量进行调整,进而降低电容中点电压的不平衡程度。仿真结果表明,该方法可省去扇区判断过程,协调中点电压漂移和偶次谐波消除的不足,THD缩小为31.08%。

关键词:三电平逆变器;空间矢量脉宽调制;四段法与六段法;中点电压漂移

传统电压空间矢量调制法SVPWM的冗余矢量选取方案会使得逆变器输出电压产生偶次谐波,偶次谐波会导致中性点电位的漂移和不稳定;在非线性负载条件下,当调制系数大于0.8时,极小的偶次谐波(尤其是2、4次谐波)都可能造成中性点的漂移。在SVM调制方法中,7段法消除偶次谐波的原理是将每个扇区划分成A型开关顺序和B型开关顺序,2种开关顺序交替使用,使输出线电压半波对称。但这种调制方法在经过不同区域时会产生额外的器件动作,提高了器件的开关频率,并且交替的开关顺序使算法复杂[3-5]。

针对以上不足,本文采用了60°坐标系[6-10],并在此基础上采用六段法和四段法混合调制以及P型O型N型矢量列合理分配的策略。解决了传统七段法为了消除偶次谐波而产生的开关频率提高,算法繁琐,以及为了保持中性点平衡而引入的反馈控制所带来的消谐功能的不稳定等一系列问题。

1　基于60°坐标的空间矢量调制算法

考虑到三电平基本空间矢量之间的角度均为60°的倍数这一几何特征,则采用非正交的60°坐标系来简化参考矢量的合成和作用时间的计算,计算量相对于传统空间矢量调制方式简化很多,对三电平NPC实现快速脉宽调制控制。

如图1所示,在60°坐标系下基本矢量的坐标均为整数,对于任意的空间参考电压矢量,如Vref通过对其归化到g,h坐标系后的坐标进行上下取整(即经过4种运算,VBL,VLB,VBB,VLL,B表示上取整,L表示下取整)。4个坐标连线就得到一个菱形,菱形的右下角即为VBL,通过此点来判断Vref的具体位置。

(urg-uBLg)/(urh-uBLh)≥-1

(1)

图1　60°坐标系下三电平逆变器空间矢量

式(1)表明当满足此结论时Vref处在菱形上半区域,得

(2)

当不满足时Vref处在菱形下半区域,得

(3)

式中,TS为采样周期,在g,h坐标系下所有的开关状态的坐标均为整数,省去了扇区的判断,计算十分简单,实时性明显提高。

2　四段法与六段法调制机理

2.1传统SVPWM的开关序列

传统的空间矢量调制是以七段法为主,其满足2个条件:1)从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中,仅涉及某一桥臂的2个开关器件:一个导通一个关断;2)参考矢量在矢量图中从一个扇区转换到另一个扇区时,没有或者只有最少数量的开关器件动作。虽然满足了这2个条件,但是为了消除偶次谐波,每个扇区都有A型和B型开关顺序,因此又增加了开关频率,且消谐效果由仿真看来也不是很好。

2.2消除偶次谐波的开关序列

通常,逆变器输出的交流电压中均含有偶次谐波。而偶次谐波容易引起多电平逆变器的中性点电位漂移和不稳定;此外,相比于奇次谐波,很多标准(IEEE 519—1992)对偶次谐波的限制和要求更加严格。如图2所示是消除偶次谐波的开关序列再生机理。

图2　消除偶次谐波的开关序列

此外,为了消除线电压波形中3的整数倍次谐波,对于某一时刻的[a,b,c],则在120°后的时刻,应采用状态[c,a,b]。

其全部6个大扇区的开关状态关系如表1所示。

表1　开关序列设计

完成扇区Ⅰ的序列设计之后,可通过旋转B相的开关状态到A相,旋转C相的开关状态到B相,旋转A相的开关状态到C相,从而得到扇区Ⅱ的开关序列。例如,假设应用于三电平级联型逆变器扇区Ⅰ的四段法开关序列为[1,0,0]→[0,0,0]→[0,0,-1]→[0,0,0]则扇区Ⅱ的为[0,0,-1]→[0,0,0]→[0,1,0]→[0,0,0]。

可见,按表1安排对应扇区的开关序列,不仅能消除偶次谐波、三次及三的整数倍次谐波,而且可极大地简化开关序列设计。

2.3四段法六段法调制机理

开关序列设计的好坏很容易影响输出波形的质量,在设计开关序列时不仅要满足表1所提出的序列要求,还要满足中性点平衡的要求,即在电动模式与再生运行模式确定的条件下注意小矢量对中性点的影响,所以第1扇区的开关序列设计尤其重要。

由图2可以看到,第Ⅰ扇区1区间的矢量分布为零矢量[OOO],小矢量[PPO],[OON],[POO],[ONN];2区间的的矢量分布为小矢量[PPO],[OON],[POO],[ONN],中矢量[PON];3区间的矢量分布为小矢量[POO],[ONN],中矢量[PON]以及大矢量[PPN];4区间的矢量分布为小矢量[PPO],[OON],中矢量[PON]以及大矢量[PPN]。在设计开关序列时要注意每个小区域的排列组合中必须有一个P型小矢量和一个N型小矢量,并使其在各个小区域大扇区之间能够平稳过渡。

新型开关序列的设计如表2所示。

表2　六段法和四段法在扇区I中的开关序列

表3　六段法和四段法在扇区Ⅳ中的开关序列

图3　不同调制系数所经过的扇区

每个矢量的作用时间可由式(4)得到。由扇区1为例,在1区[POO]的作用时间为T1,[OON]的作用时间为T2,则零矢量的作用时间分别为(TS-T1-T2)/2;同理,2区[POO][OON]的作用时间仍然为T1,T2。[PON]的作用时间为(TS-T1-T2)/2,依此类推。

表4　一个周期内2种开关序列单个器件的通断次数　(mf=18)

2.4P型O型N型单位矢量

当中性点发生偏移时,就需要对相应的开关序列进行调整。如在电动模式下运行时,[POO]使中点电压升高,而[ONN]使中点电位降低。此时在t-1时刻采样检测到中点电位升高(或检测到中点电位降低),则在下一个t时刻采样时使用N型单位矢量(或P型单位矢量),并在t+Ts/2时刻使用相反地单位矢量,这样在保持中性点平衡的情况下更好地消除偶次谐波。

表5　六段法和四段法在中性点不平衡下在扇区I中的开关序列

以扇区I中三角形1为例,当由于中点不平衡采用N型单位矢量时,第1段和第3段[OON]的作用时间为T1/2,第2段[ONN]的作用时间则为T2,第4段[OOO]的作用时间为Ts-T1-T2。其他作用时间依此类推。

表6　六段法和四段法在中性点不平衡下在扇区IV中的开关序列

以扇区IV中三角形3为例,当由于中点不平衡采用P型单位矢量时,第1段、第3段和第5段[NPP]的作用时间为T1/3,第2段和第4段[OPP]的作用时间则为T2/2,第6段[NOP]的作用时间为Ts-T1-T2。其他作用时间依此类推。

由以上两张表可以看出,当中性点不平衡时,在参考矢量旋转到6m+n(m=0,1,2,3,4,…,n=1,2,3,4,5,6)个扇区的第k(k=1,2,3,…)个序列采取P型开关序列,当参考矢量进入第6m+n+3个扇区的第k个序列时采用,中性点在正常范围内,则继续采用N型开关序列。这样一来就保证了能够在保持中性点平衡的同时,又尽可能的消除了偶次谐波。

传统的七段法,无法在a、b区间的中心线上的时刻进行采样,而应用六段法和四段法,每个三角形中,每一次采样都是偶数数量个矢量可以达到半波对称。这样就使得每个扇区的采样点可以灵活的选取。

3　仿真结果与分析

为验证所提出的基于60°坐标系的四段法和六段法混合调制的有效性,建立了基于Simulink的仿真模型。所采用的三相负载参数为:电阻R=100 Ω,电感L=20 mH,直流侧电容C1=C2=2 200 μF,直流电压为1 000 V,给定三相平衡参考电压,其幅值为ma=0.9,仿真结果给出了采样频率为900 Hz、系统输出频率为50 Hz时的运行波形。

图4是三电平NPC逆变器新型开关序列的每个开关器件的开关通断次数,可以看出在mf=18,ma=0.9情况下,每个开关器件在一个周期内通断的次数为14。

图4　三电平NPC开关序列

从图5中可以看出,新型开关策略的THD=31.08%与传统的七段法的THD相比差别不大,但是偶次谐波都已被消除。另外可以从中看出谐波主要集中在6k-1,6k+1次。这是由于测的是线电压,已经去掉三次谐波,再加上已滤除偶次谐波导致的。图6为加入单位矢量的调制后与未加入时的比较,可以明显看出加入中点控制后中点电压更加平稳,仿真结果与设计思想一致。

图5　三电平NPC逆变器线电压谐波分析

图6　中点电压控制波形

图7　三电平NPC中性点电压

图8　三电平NPC相电流

4　结论

本文主要研究了基于60°坐标系的四段法与六段法的调制方法。该方法与传统的七段法调制方法相比,在简化了算法且不增加THD的情况下,不仅消除了偶次谐波,中性点电位也更加平稳,且开关次数也减少了,开关损耗降低。证明了该方案能在使中性点平衡的情况下尽可能减少偶次谐波。

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郑宏(1965-),男,汉族,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为大功率电力电子变换器,分布式发电;

蒋丽琴(1989-),女,汉族,硕士研究生,电力电子与电力传动专业,主要研究方向为大功率电力电子变换器,空间矢量调制,jiangliqin829@163.com。

HybirdFourandSixSegmentsSVMStrategyonNPCInverter

ZHENGHong*,JIANGLiqin,JIANGChao,SHENXingyu

(College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:According to the problem of the complex algorithm and the limits of the sampling period in three-level NPC(Neutral Point Clamped)inverter by the method of traditional SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation),a new method which combined 60 ° coordinate system with new hybrid segments method was proposed.The reasonable allocation and use of four and six segments method in each sector,not only can inhibit the drift of midpoint voltage,but also reduce the output of even harmonic through the flexible use of the distribution of P-type N-type O-type unit vectors.The simulation and experiment results show that new hybrid segment SVM method makes up the shortage of traditional modulation strategy which cannot coordinate midpoint voltage drift and eliminate harmonics.Furthermore,the THD(Total Harmonic Distortion)was reduced to 31.08%.

Key words:three-level NPC inverter;SVPWM;hybird segments strategy;midpoint voltage drift

doi:EEACC:812010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.041

中图分类号:TM464

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0772-05

收稿日期:2013-08-09修改日期:2013-08-25