NPC三電平逆變器SVPWM的研究

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 孔凡超 胡世杰 劉孟茹大唐山東電力檢修運(yùn)營有限公司 牟振天安徽東至縣供電公司 陳汝巍

?

NPC三電平逆變器SVPWM的研究

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 孔凡超 胡世杰 劉孟茹
大唐山東電力檢修運(yùn)營有限公司 牟振天
安徽東至縣供電公司 陳汝巍

【摘要】現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)和電力電子變頻器，中性點(diǎn)嵌位（NPC）三電平逆變器是應(yīng)用最為廣泛的逆變器。本文以NPC型三電平逆變器電路為平臺(tái)，對(duì)空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法進(jìn)行理論研究。利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行了90°坐標(biāo)系下SVPWM算法的仿真實(shí)驗(yàn)，并給出了仿真結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】SVPWM；三電平逆變器；仿真

0　引言

早在20世紀(jì)80 年代，德國的H.Wvander Broeck 教授等就已經(jīng)提出了電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略［1］。隨著電力電子器件的發(fā)展，SVPWM算法以電壓率利用高（通常比SPWM高15%左右）、極易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到三電平逆變器上。三電平逆變器的空間矢量有27個(gè)，合成某個(gè)空間矢量的選擇性很多，設(shè)計(jì)高效、簡(jiǎn)單的調(diào)制方法成為SVPWM算法的研究熱點(diǎn)［2，3，4］。

本文首先分析了SVPWM的原理，然后從參考矢量的扇區(qū)判斷和合成矢量的選擇入手，設(shè)計(jì)一種基于90°坐標(biāo)系的SVPWM算法，最后利用MATLAB/SIMULINK仿真得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　SVPWM的原理簡(jiǎn)介

圖1　NPC型三電平逆變器主電路

圖1是典型的NPC三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Vdc為直流電源，直流側(cè)有C1、C2兩個(gè)容量相等的電容，每個(gè)電容分得的電壓是Vdc/2；每個(gè)橋臂由4個(gè)IGBT、兩個(gè)嵌位二極管、4個(gè)續(xù)流二極管組成。

根據(jù)橋臂上開關(guān)的三種導(dǎo)通狀體，每個(gè)橋臂可以輸出三種電平，即每個(gè)橋臂有三種工作模式。以第一個(gè)橋臂為例，工作模式1：只有Q1兩個(gè)開關(guān)都導(dǎo)通，橋臂輸出Vdc/2；工作模式2：Q1下和Q2上兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，橋臂輸出電壓為0；工作模式3：只有Q2兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，橋臂輸出-Vdc/2。

當(dāng)三相正弦電壓加在交流電機(jī)的三個(gè)繞組上時(shí)，電機(jī)磁鏈在α-β坐標(biāo)系呈現(xiàn)圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們定義空間電壓矢量：

式中α=ej2/3π，Ua、Ub、Uc是三相交流電。三電平電路一個(gè)橋臂只能輸出Vdc/2、0、-Vdc/2三種電壓值，即每相只有正（P）、零（0）、負(fù)（N）三個(gè)開關(guān)狀態(tài)。所以，三電平逆變器有33=27種開關(guān)組合，對(duì)應(yīng)27個(gè)空間向量，在α-β平面27組向量的分布圖如圖2所示。

圖2　三電平逆變器電壓矢量分布圖

定義電壓參考向量：

其中，Vref是Vref的模值，θ為空間角度。式中，SVPWM算法的核心思想是用矢量合成電壓逼近參考電壓Vref。參考矢量扇區(qū)可以通過θ角來判斷，設(shè)0°＜θ≤60°為第一扇區(qū)，60°＜θ≤120°為第二扇區(qū)，120°＜θ≤180°為第三扇區(qū)，180°＜θ≤240°為第四扇區(qū)，240°＜θ ≤300°為第五扇區(qū)，300°＜θ≤360°為第六扇區(qū)。下面以第一扇區(qū)為例，選擇合成矢量，計(jì)算矢量作用時(shí)間，其他扇區(qū)同理可得。

將第一扇區(qū)，分成A、B、C、D四個(gè)小的區(qū)間，參考矢量Vref落到哪個(gè)小區(qū)間，就用哪個(gè)區(qū)間矢量來合成它。

其中，Vdc是直流母線電壓，Vα和Vβ是參考矢量在90°坐標(biāo)系的x軸分量和y軸分量。

當(dāng)滿足條件（3）時(shí)，參考矢量位于A區(qū)間；滿足條件（4），位于（B）區(qū)間；滿足條件（5），則位于C區(qū)間；都不滿足則位于D區(qū)間。參考矢量的小區(qū)間確定后，應(yīng)該用最近三角矢量法（NTC），來合成參考矢量，這樣可以減小電壓的諧波含量。以參考矢量位于B區(qū)間為例，選擇V0、V10、V20矢量來合成。由“伏秒平衡”原理可知：

由式（6）和式（7）確定基本矢量作用的時(shí)間：

同理可得第一扇區(qū)其他小區(qū)間的作用時(shí)間，如表1所示。其它扇區(qū)矢量的作用時(shí)間可以通過旋轉(zhuǎn)θ角來實(shí)現(xiàn)。

表1　基本矢量作用時(shí)間

對(duì)于矢量的合成方法很多，采用中心對(duì)稱的7段脈沖序列，可以有效降低諧波含量。

2　實(shí)驗(yàn)仿真與分析

為了驗(yàn)證SVPWM算法的有效性，本文在仿真中引入阻感負(fù)載，如圖3所示。電感L為0.02mH，電阻R為11Ω，Vref為400V，Ts為1/2000S。輸入有參考電壓Vref、調(diào)制比m、參考電壓頻率f和采樣周期Ts，輸出是PWM脈沖序列。具體算法，根據(jù)第2節(jié)的原理，通過C語言編程來實(shí)現(xiàn)扇區(qū)的判斷和每個(gè)矢量作用時(shí)間的計(jì)算。因?yàn)樵谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，上下橋臂的1、3開關(guān)和2、4開關(guān)不能同時(shí)開通，所以我們只需計(jì)算兩個(gè)開關(guān)的PWM序列，然后取反就可以得到另外兩個(gè)開關(guān)的PWM序列。

圖3　逆變器帶阻感負(fù)載的仿真模型

圖4　線電壓波形

圖5　線電流的波形

調(diào)制比m的取值范圍是0到1，為保證系統(tǒng)中性點(diǎn)點(diǎn)位的穩(wěn)定，一般m要略小于1，當(dāng)m=√3Vref/Vdc=0.99時(shí)，逆變器線電壓和線電流波形如圖4、圖5所示。

當(dāng)m=0.3時(shí)，線電壓和線電流波形如圖6、圖7所示。

由圖4和圖6可知，調(diào)制比m較小時(shí)，負(fù)載線電壓波形由三種電平組成，參考矢量Vref位于內(nèi)部小六邊形內(nèi)，所以線電壓波形相當(dāng)于兩電平逆變器的波形；當(dāng)調(diào)制比m較大時(shí)，負(fù)載的線電壓變成五種電平，線電壓波形比兩電平逆變器的波形更接近正玄波，驗(yàn)證了三電平逆變器的優(yōu)越性。

圖6　線電壓波形

圖7　線電流波形

由于負(fù)載是對(duì)稱的阻感負(fù)載，m=0.3和m=0.99時(shí)的線電流波形都接近正弦波。當(dāng)m=0.99時(shí)，可選擇的電壓合成矢量更多，合成的磁鏈更圓，所以電流波形更圓滑。

參考文獻(xiàn)

［1］趙輝，胡仁杰.SVPWM的基本原理與應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（14）.

［2］陳光明，包達(dá)飛.基于MATLAB仿真的SVPWM技術(shù)研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化.2014，03.

［3］Bimal K.Bose.Modem Power Electronics and AC Drives［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］王興，楊振強(qiáng).電壓空間矢量的原理及其在DSP上的實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)技術(shù).2005，03.

［5］李新瑞.NPC三電平逆變器及其中點(diǎn)電位平衡研究［碩士論文］.中國石油大學(xué).2009.

［6］ 劉成友，周鑫，張華為，等.三電平逆變器簡(jiǎn)化SVPWM算法仿真與實(shí)現(xiàn)［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2015，30（5/6）.

作者簡(jiǎn)介：

孔凡超（1990-），男，山東科技大學(xué)研究生，電氣工程專業(yè)。