直驅風電系統(tǒng)三電平變流器的設計與仿真

楊國良，張恩貝，方一鳴

（燕山大學電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，秦皇島066004）

引言

隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。因此直驅風電型多電平變流器是現(xiàn)在將來風電發(fā)展的主流趨勢。

基于電壓型三電平逆變電路的多電平逆變電路，特別是三電平逆變電路已進入實用化階段，對其進行研究和分析很有實際意義。一般認為多電平逆變器是建立在三電平逆變器的基礎上，按照類似的拓撲結構拓展而成的。電平數(shù)越多，所得到的階梯波電平臺階越多，從而越接近正弦波，諧波成分越少。但這種理論上可達到任意N電平的多電平逆變器，在實際應用中由于受到硬件條件和控制復雜性的制約，通常在追求性能指標的前提下，并不追求過高的電平數(shù)，而以三電平最為實際。國外也有對七電平及更高電平的研究，但都還不成熟，特別受硬件條件和控制性能的限制，還處于理論研究階段。目前三電平逆變器的主要控制方法有消諧波PWM法，開關頻率最優(yōu)PWM法和空間矢量PWM法等?？刂品椒ǖ难芯渴侨娖侥孀兤餮芯康囊粋€熱點問題。

1 二極管鉗位式三電平逆變器拓撲結構分析

三電平逆變器的各種拓撲結構都有一些共同優(yōu)點，如適合大容量、高電壓變頻場合，由于開關器件在較低的工作頻率下可以獲得較好的波形，因此開關損耗低，效率高，電路的電磁干擾（EMI）問題大大減輕等。

圖1給出了一種三電平逆變電路，為中點鉗位型（neutral point clamped）逆變電路，開關器件選用IGBT，電路的每相橋臂有4個開關元件、4個續(xù)流二極管和兩個鉗位二極管。兩個串聯(lián)器件的中點通過鉗位二極管和直流側電容的中點相連接。鉗位二極管在開關管導通時提供電流通道防止電容短路。

圖1 二極管鉗位式三電平逆變器主電路

（1）開關管S1和S2同時導通時，S3和S4同時關斷，若電流從逆變電路流向負載，即從p點經(jīng)由S1和S2到達輸出端a，忽略開關器件的正向導通壓降，輸出端a的電位等同于p的電位，即Vdc/2；若電流從負載流向逆變電路，這時電流從a分別經(jīng)過D12、D11流進p點，這時輸出端a的電位仍等同于p 的電位，如圖2（a）所示。

（2）開關管 S2和 S3同時導通時，S1和 S4同時關斷，若電流從逆變電路流向負載，即從中性點o點經(jīng)由D1和開S2到達輸出端a，輸出端a的電位等同于o點的電位，即0電位；若電流從負載流向逆變電路，這時電流從a分別經(jīng)過S3和D2流進o點，這時輸出端a的電位仍等同于o點的電位,如圖2（b）所示。

（3）管S3和S4同時導通時，S1和S2同時關斷，若電流從逆變電路流向負載，即從負電位n點分別經(jīng)過D21、D22到達輸出端a，輸出端a的電位等同于n的電位，即-Vdc/2；若電流從負載流向逆變電路，電流從輸出端a分別經(jīng)過S3和S4流進n點，忽略開關器件的正向導通壓降，這時輸出端a的電位仍等同于 n 的電位，即-Vdc/2，如圖2（c）所示［3］。

圖2 三電平逆變器相電壓3種輸出電平

需要注意的是，S1和S4不能同時導通，S1和S3、S2和S4工作在互補狀態(tài)，平均每個主開關管所承受的正向阻斷電壓為Vdc/2，這也是三電平逆變器的基本控制規(guī)律之一［4］。

三電平逆變器的驅動控制基本原則如下：對應于a（b，c）相的3種狀態(tài)，為了保證每次輸出狀態(tài)變化過程中動作的開關器件最少，該相電位不能在Vdc/2和-Vdc/2之間直接變化，表1給出了a相電位發(fā)生變化時，功率開關器件的工作狀態(tài)。在設計時，其硬件及軟件設計應遵循表1規(guī)律（“-”表示關斷，“+”表示導通）。

表1 a相開關工作狀態(tài)

2 三電平逆變器SVPWM算法

2.1 區(qū)域判斷

區(qū)域判斷的目的主要是找出合成參考電壓矢量的3個基本矢量。傳統(tǒng)算法根據(jù)三電平基本空間矢量圖將整個矢量空間先分成6個大扇區(qū)，每個扇區(qū)在空間占60°。再將每個大區(qū)域分成4個小區(qū)域。

由于基本空間矢量中的短矢量在每個采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù)多，為了算法及仿真的準確性，故將每個大區(qū)域細分成6個小區(qū)域。按照這樣的劃分方法，三電平SVPWM算法的扇區(qū)劃分和小區(qū)域劃分分別如圖3和圖4所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示各個大扇區(qū)用 1、2、3、4、5、6 表示小區(qū)域。

圖3 三電平SVPWM算法的扇區(qū)劃分

因為大區(qū)域按照矢量角度每60°為一區(qū)劃分，因此可以按照參考電壓矢量的角度判斷其所在的大區(qū)域。根據(jù)小區(qū)域的區(qū)域分布情況和幾何關系可以按照以下方法判斷參考電壓矢量所在的小區(qū)域［9］。

以第Ⅰ大區(qū)為例，如圖4所示，參考電壓矢量Vref在α軸和β軸上的投影分別為Vα和Vβ，幅角為θ，則有

（1）當θ≤30°時，Vref在小區(qū)域1或3或5內。 若則Vref在小區(qū)域1內；若則Vref在小區(qū)域 5內；否則，Vref在小區(qū)域3內。

圖4 小區(qū)域判斷

（2）當θ≥30°時，Vref在小區(qū)域2或4或6內。若則Vref在小區(qū)域2內；若，則 Vref在小區(qū)域 6 內；否則，Vref在小區(qū)域4內。

2.2 時間計算

判斷出參考電壓矢量所在的區(qū)域，根據(jù)NTV（nearest triangle vector）法則，也就找到了合成參考電壓矢量的3個基本矢量V1、V2、V3，連同參考電壓矢量Vref一起，代入伏秒平衡方程組得

解出 T1、T2、T3即完成了三電平 SVPWM 算法對基本空間矢量作用時間的計算。如以Ⅰ大區(qū)4小區(qū)為例，則有

將其代入伏秒平衡方程組得

此方程按實部，虛部分開后得

解得 T1、T2、T3分別為

3 三電平逆變器中點電壓波動定性分析

由圖5所示，電容C1、C2為直流分壓電容。由于電容電壓沒有被恒流源所固定，因此中點電位是波動的，且其值的改變正比于中點電流。若不考慮負載，各開關狀態(tài)與中點電流的情況密切相關，并且可以描述為以下4種情況：

零矢量狀態(tài)（如 000，111，-1-1-1）時，由于沒有電流流過中點，所以不會引起中點電位的波動。

大矢量狀態(tài)（如 11-1，-1-11，等）時，由于每相的終端直接連在直流側的正端或負端，因此中點電位不會受影響，如圖5（a）和（b）所示。

中矢量狀態(tài)（如10-1）時，由于有一相的終端直接連在中點，所以會引起中點電位平衡的改變。如圖5（c）所示。

小矢量狀態(tài)（如110）時，至少有一相連在中點，因此也會影響中點電位的平衡。由于小矢量的存在都是以成對方式出現(xiàn)的，比如110和00-1，它們的輸出電壓相同但是對中點電位的影響相反。如圖5（d）～（g）所示。

圖5 中小矢量與中點電位的關系

圖5 為各矢量開關狀態(tài)的等效電路，其中M代表負載。由圖5可以看出中小矢量時均有電流從負載流入兩電容之間或從兩電容流向負載。電流的流入與流出必將引起兩個電容沖放電。當電流流入中點時，中點電位將升高；當電流流出中點時，中點電位將降低［17］。

4 仿真驗證

完整的仿真模型如圖6所示。

三電平SVPWM逆變器模塊主要有電壓3/2變換模塊、扇區(qū)判斷與角度計算模塊、區(qū)域判斷與調制比模塊、作用時間判斷模塊、時間分配模塊和SVPWM輸出模塊組成。

三相電壓首先在Subsystem4中經(jīng)過3/2變換到兩相靜止坐標系，再在Subsystem5中進行大扇區(qū)判斷并計算出角度，在Subsystem中判斷電壓矢量所在的小區(qū)域，隨后在Subsystem3內計算出作用時間，在Subsystem1中對時間進行分配，在Subsystem2中產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，根據(jù)Vector Status和Switch Status中的開關表對主電路開關管進行觸發(fā)。

圖6 三電平逆變器SVPWM仿真模型

4.1 大扇區(qū)判斷

該模塊主要包含兩個功能：通過參考矢量的角度判斷其所在的大扇區(qū)N；將參考矢量的角度轉換為第一扇區(qū)中對應的角度，仿真模型如圖7所示。

圖7 大扇區(qū)判斷模型

4.2 小區(qū)域判斷

小區(qū)域判斷模型如圖8所示，按照上文區(qū)域判斷部分中所述傳統(tǒng)三電平SVPWM算法判斷小區(qū)域時的邏輯關系直接搭建仿真模型。判斷時按照假設條件逐層遞進，直到判斷出參考矢量仿真結果。

圖8 小區(qū)域判斷模型

4.3 仿真結果

仿真參數(shù)設置如下：直流母線電壓為600 V，載波頻率為50 Hz，開關頻率為1 000 Hz。負載部分采用三相對稱負載代替電機，電阻R=4 Ω，電感L=20 mH。仿真結果如圖9～圖12所示。

圖9 a相電流仿真結果

圖10 小區(qū)域仿真結果

圖11 a相電壓仿真結果

圖12 ab兩相線電壓仿真結果

5 結語

對三電平逆變器的SVPWM的常規(guī)算法進行了詳細的分析和推導，隨后對該方法進行了改進，設計了易于實時實現(xiàn)的SVPWM算法。仿真結果表明，該算法能輸出期望的三電平線電壓波形，所采用的中點電位控制方法能在很大程度上減小中點電壓的波動，而且實現(xiàn)起來也非常容易。

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