空间矢量脉宽调制方法在单相三电平中点箝位型整流器中的应用

段文岩,何英杰,2,刘云峰,刘进军

(1.西安交通大学电气工程学院,710049,西安;2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,401121,重庆)



空间矢量脉宽调制方法在单相三电平中点箝位型整流器中的应用

段文岩1,何英杰1,2,刘云峰1,刘进军1

(1.西安交通大学电气工程学院,710049,西安;2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,401121,重庆)

针对单相三电平中点箝位型(NPC)整流器中多个开关管同时导通或关断的问题,在分析电路拓扑和工作原理的基础上,提出了一种单相空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。这种SVPWM方法合理地设计各个扇区内部的调制序列,并且在扇区切换时加入过渡调制序列,从而保证了开关状态的连续性。在分析各个开关状态对中点电压影响的基础上,该方法根据中点电压和网侧电流的情况来选择合适的冗余小矢量,从而实现直流侧中点电压控制。另外,通过使用冗余零矢量,该方法能够达到倍频的效果。针对这种SVPWM方法,搭建样机进行了实验研究,实验结果表明:SVPWM方法能够保证在同一时刻只有一个开关管导通或关断,而且输出电压的跳变量为直流侧电压的1/2;网侧电压与网侧电流保持了较好的同相位,且动态性能良好;该方法能够实现中点电压控制,并且具有较好的动态响应速度和稳态控制精度。

单相三电平中点箝位型整流器;扇区过渡;中点电压控制

相比于直流调速系统,交流传动系统具有质量轻、体积小、牵引力大、调速范围宽等优点,电力牵引交流传动技术在高速动车组及和谐号大功率机车中已经得到广泛应用。由于在铁路供电系统中采用的是单相供电,单相脉冲整流器成为牵引传动系统的重要组成部分。现有运行的很多高速动车组中,牵引变流器由单相三电平中点箝位型(NPC)整流器和三相三电平NPC牵引逆变器组成。

对于单相三电平NPC整流器,调制方法是研究的一个关键问题。目前,空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法是一种广泛应用于三相拓扑结构的调制策略,具有物理概念清晰、易于数字化实现、算法灵活方便等优点[1]。然而,在单相系统中,SVPWM调制技术的应用还较少。文献[2]通过平面坐标旋转变换,将三相SVPWM调制技术引入单相变流器,但其只讨论了SVPWM调制技术在两电平逆变器中的应用,没有对多电平逆变器进行研究。文献[3-4]将SVPWM技术应用于单相三电平NPC,并通过在算法中选择性插入零矢量,使每相桥臂中间两个开关管的发热量得到降低,但是并未考虑开关状态的连续性,会导致多个开关管同时导通或关断,增加开关损耗和产生电磁干扰。文献[5]将SVPWM调制技术应用于对称三电平变流器拓扑和不对称三电平变流器拓扑,文献[6]提出了一种单相三电平SVPWM方法和一种基于零序分量注入的单相三电平单极性层叠载波的正弦脉宽调制方法,并对这两种方法的内在联系进行了研究,但是不能保证扇区过渡时开关状态的连续性。本文通过对单相三电平NPC整流器进行研究,提出了一种SVPWM调制方法。该方法给出了各个扇区内部和扇区过渡时的调制序列,在扇区内部和扇区过渡时都不会出现多个开关管同时导通或关断,并且输出电压每次的跳变量都为直流侧电压的1/2。

1 单相三电平NPC整流器的工作原理

图1 单相三电平NPC整流器主电路

单相三电平NPC整流器的主电路如图1所示。单相三电平NPC整流器由两组对称的桥臂组成,将左侧的桥臂称为a桥臂,右侧的桥臂称为b桥臂。其中,US为网侧电压,i为网侧电流,L为网侧电感,Req为网侧电感的等效电阻,RL为直流侧的负载电阻,UC1、UC2为直流侧上、下电容电压。

假设UC1=UC2=E,E为直流侧电容上的参考电压。相对于直流侧中点,每个桥臂能输出0、E、-E3种电平。以桥臂a为例,当开关管Sa1、Sa2导通,开关管Sa3、Sa4关断时,桥臂a输出E电平;当开关管Sa3、Sa4导通,开关管Sa1、Sa2关断时,桥臂a输出-E电平;当开关管Sa2、Sa3导通,开关管Sa1、Sa4关断时,桥臂a输出0电平。定义桥臂a、b的开关状态函数

(1)

(2)

每组桥臂有3种开关状态,两组桥臂共有9种开关状态,可输出2E、E、0、-E、-2E5种电平。通过之前定义的开关状态函数,用(SaSb)的形式表示这9种开关状态,单相三电平NPC的9种开关状态如图2所示。由图2可知,假设i>0,对于开关状态(00)、(11)和(-1-1),电流没有经过电容,中点电压平衡不受影响;对于开关状态(10)、(0-1),这两种开关状态都是输出E电平,但是开关状态(10)对上电容充电,开关状态(0-1)对下电容充电,对中点电压平衡的影响相反;开关状态(01)、(-10)的情况与开关状态(10)、(0-1)类似;开关状态(1-1)对两个电容都充电,开关状态(-11)对两个电容都放电,不影响中点电压平衡。

(a)开关状态(00) (b)开关状态(11)

(c)开关状态(-1-1) (d)开关状态(10)

(e)开关状态(0-1) (f)开关状态(01)

(g)开关状态(-10) (h)开关状态(1-1)

(i)开关状态(-11)图2 单相三电平NPC整流器的9种开关状态

2 单相三电平NPC的SVPWM调制方法

单相三电平NPC的空间矢量如图3所示。V是一个虚拟的电压矢量,以角速度ω沿逆时针方向旋转,矢量V在坐标轴上的投影即为单相三电平NPC的输出指令电压。图3中共有9个电压矢量,可输出5种电平,其中(1-1)和(-11)为大矢量,(10)、(0-1)、(01)和(-10)为小矢量,(00)、(11)和(-1-1)为零矢量。

图3 单相三电平NPC空间矢量图

由图3可看出,单相三电平NPC的空间矢量图被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个扇区。在各个扇区中,指令电压矢量Vref由最近的两个矢量V0、V1来合成,根据伏秒平衡原理,矢量应满足

(3)

(4)

式中:T0、T1分别为矢量V0、V1的作用时间;Ts为开关周期。

由分析可知:(10)、(0-1)互为冗余矢量,二者对中点电压的影响相反;(01)、(-10)互为冗余矢量,二者对中点电压的影响相反;(-1-1)、(00)和(11)互为冗余矢量,且都不会对中点电压产生影响。因此,在合成指令电压矢量时应当根据网侧电流和中点电压的情况,选择合适的冗余小矢量来实现中点电压的平衡。定义F=sign(ΔUNP)sign(i),ΔUNP=UC1-UC2为上下电容电压偏差,i为网侧电流。

在扇区Ⅰ中,用大矢量(1-1)和2个正小矢量(10)、(0-1)来合成指令电压矢量。当F=-1时,应当选择冗余小矢量(10)来控制中点电压平衡,考虑到调制序列从上一个开关周期到下一个开关周期的连续性,将(1-1)作为首发矢量,采用调制序列(1-1)→(10)→(1-1);当F=1时,应当选择冗余小矢量(0-1)来控制中点电压平衡,采用调制序列(1-1)→(0-1)→(1-1)。

扇区Ⅰ中的调制序列如图4所示,每次开关状态改变时只有一个开关函数发生变化,且没有出现从1到-1或从-1到1的跳变,这就保证了在同一时刻只有一个开关管开通或关断,从而减小了开关损耗,降低了开关频率。扇区Ⅳ的情况与扇区Ⅰ类似。

(a)F=-1

(b)F=1图4 扇区Ⅰ中的调制序列

在扇区Ⅱ中,用3个零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2个正小矢量(10)、(0-1)来合成指令电压矢量。当F=-1时,应该选择冗余矢量(10)进行调制,考虑到调制序列从上一个开关周期到下一个开关周期的连续性,将(00)作为首发矢量,采用调制序列(00)→(10)→(11)→(10)→(00);当F=1时,应该选择冗余矢量(0-1)进行调制,采用调制序列(00)→(0-1)→(-1-1)→(0-1)→(00)。

扇区Ⅱ中的调制序列如图5所示,每次开关状态改变时只有一个开关函数发生变化,且没有出现从1到-1或从-1到1的跳变,保证了在同一时刻只有一个开关管开通或关断,从而减小了开关损耗,降低了开关频率。由于在调制序列中使用了两个零矢量,输出电压变化的频率是开关频率的两倍,这就实现了倍频的效果,可使输出的波形质量更好。扇区Ⅲ的情况与扇区Ⅱ类似。

(a)F=-1

(b)F=1图5 扇区Ⅱ中的调制序列

为了实现各个扇区之间的平滑过渡,防止在扇区过渡时多个开关管同时动作,加入了扇区过渡时的调制序列。当指令电压矢量从扇区Ⅰ过渡到扇区Ⅱ时,上一个开关周期结束时的开关状态为(1-1),而当前开关周期开始时的开关状态为(00)。开关状态由(1-1)跳到(00),会导致两个开关管同时导通,两个开关管同时关断。为避免这种情况发生,需加入扇区过渡时的调制序列,此时指令电压矢量位于扇区Ⅱ中,可用3个零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2个正小矢量(10)、(0-1)来合成指令电压矢量,因此可采用调制序列(10)→(00)→(0-1)→(00)→(10)作为过渡调制序列。从上一个开关周期过渡到当前开关周期时,开关状态由(1-1)变为(10);从当前开关周期过渡到下一个开关周期时,开关状态由(10)变为(00),不会出现两个开关管同时导通或关断的情况。当指令电压矢量在其他扇区间过渡时,可用类似方法设计过渡调制序列。

当指令电压矢量从扇区Ⅱ过渡到扇区Ⅲ或者从扇区Ⅲ过渡到扇区Ⅱ时,由于在扇区Ⅱ和扇区Ⅲ中的调制序列都是以开关状态(00)开头和结尾,不需要加入过渡调制序列。4个扇区中的调制序列和扇区过渡时的调制序列如表1、表2所示。

3 实验验证

为了进一步验证SVPWM调制方法的正确性和有效性,在样机上进行了实验验证。实验平台由DSP+FPGA共同实现,DSP选择TI公司的TMS 320F28335,FPGA选择Altera公司的EP2C35F484 C8。实验基本参数:网侧电压幅值为70 V,网侧电压频率为50 Hz,网侧电感值为6 mH,网侧电感等效电阻值为0.5 Ω,直流侧电容为3.94 μF,直流侧总电压给定值为100 V,直流侧负载电阻为25 Ω。

表1 4个扇区内部的调制序列

表2 扇区过渡时的调制序列

(a)桥臂a的输入端电压

(b)桥臂b的输入端电压

(c)总的输入端电压图6 桥臂a、b的输入端电压和总的输入端电压

桥臂a、b的输入端电压和总的输入端电压如图6所示,桥臂a的输入端电压uAO和桥臂b的输入端电压uBO为三电平,叠加之后得到总的输入端电压uAB为五电平。网侧电压us和网侧电流i的实验波形如图7所示,us和i保持了较好的同相位。直流侧电压波形如图8所示,1.6 s前,设置上下电容电压存在60 V左右的偏差;1.6 s后,开始采用中点电压平衡控制,上下电容电压趋于平衡。由此看出,中点电压平衡控制具有很好的动态响应速度和稳态控制精度。

图7 网侧电压与电流波形

(a)上下电容电压波形

(b)直流侧总电压波形图8 直流侧电压波形

图9 负载发生突变时网侧电压和电流波形

负载发生突变时的网侧电压us和网侧电流i的实验波形如图9所示,当负载发生突变时,网侧电压us和网侧电流i能够很好地保持同相位。扇区过渡时桥臂a、b的输入端电压波形如图10所示,当指令电压矢量位于扇区内部及在扇区间过渡时,桥臂a、b的输入端电压没有出现100 V的电压跳变,这说明开关函数没有出现从1到-1或从-1到1的跳变;另外,桥臂a、b的输入端电压没有同时发生跳变,这说明两个桥臂的开关函数没有同时发生变化,与本文所提SVPWM算法相吻合。

图10 扇区过渡时桥臂a、b的输入端电压波形

4 结 论

本文通过对单相三电平NPC整流器进行研究,提出了一种SVPWM调制方法。该方法给出了各个扇区内部的调制序列和扇区过渡时的调制序列,在扇区内部和扇区过渡时都不会出现多个开关管同时导通或关断的问题,并且输出电压每次的跳变量都为直流侧电压的1/2。该方法能够实现中点电压控制,且具有倍频的效果,通过实验验证了该方法的正确性和有效性。

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(编辑 赵炜)

Application of SVPWM in Single Phase Three-Level Neutral Point Clamped Rectifiers

DUAN Wenyan1,HE Yingjie1,2,LIU Yunfeng1,LIU Jinjun1

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 401121, China)

Aiming at the problem of multiple switches simultaneous turning on or off in single-phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifiers, we put forward a space vector pulse width modulation (SVPWM) method. This method can reasonably design the modulation sequences inside each sector, and add transition modulation sequences in sector switch, so as to ensure the continuity of switching states. On the basis of analyzing the influence of each switching state on the neutral point voltage, this method selects appropriate redundant small vector according to the neutral point voltage and grid current, so as to achieve the neutral point voltage control. In addition, by using redundant zero vectors, this method can achieve the effect of frequency doubling. For this SVPWM method, a prototype was built to carry out experimental research. The experimental results showed that the proposed SVPWM method can guarantee only one switch turning on or off at one time, and the change of the output voltage is always half the DC side voltage, and that the phase of the grid voltage is the same as that of the grid current, with good dynamic performance. This method can realize the neutral point voltage control with fast dynamic response speed and accurate steady control.

single phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifier; sector transition; neutral point voltage control

2016-03-29。 作者简介:段文岩(1990—),男,硕士生;何英杰(通信作者),男,副教授。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50907052);陕西省自然科学基金资助项目(2014JQ7271);输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室访问学者资助项目(2007DA10512714405)。

时间:2016-09-14

10.7652/xjtuxb201611014

TM46

A

0253-987X(2016)11-0091-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160914.1805.004.html