電網(wǎng)中一種消除偶次諧波的逆變器簡易SVPWM策略

鄺文明　鄭宏　李浩

【摘 要】針對電網(wǎng)中逆變器傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制（SVPWM）輸出電壓含有偶次諧波及算法復(fù)雜、實現(xiàn)困難的問題，提出了一種可消除偶次諧波的多電平簡易型SVPWM策略。該策略采用了新型分區(qū)法、60o坐標(biāo)系，并將傳統(tǒng)的七段式開關(guān)序列變?yōu)樾滦臀宥问介_關(guān)序列。給出了偶次諧波的產(chǎn)生原因、消除機(jī)理。與傳統(tǒng)法相比，簡易策略可智能化實現(xiàn)，簡化了設(shè)計量、減少了開關(guān)動作次數(shù)，既消除了偶次諧波，又降低了開關(guān)損耗。仿真驗證了該策略的有效性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】空間矢量調(diào)制 偶次諧波 60°坐標(biāo)系 新型五段式 開關(guān)損耗

伴隨工業(yè)和科技的飛速發(fā)展，電力客戶對電網(wǎng)供電質(zhì)量的要求越來越高，而各種原始電能的質(zhì)量難以滿足所需，必須經(jīng)由逆變器等裝置加工后才能使用。多電平逆變器因其顯著的優(yōu)勢，在電網(wǎng)中大量應(yīng)用[1]，其核心技術(shù)多采用多電平脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，主要有SPWM、SVPWM[2]兩種，后者由于物理概念清晰、母線電壓利用率高、適合于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，成為人們關(guān)注的熱點。

然而，逆變器輸出的交流電壓往往夾帶有大量偶次諧波，極易造成供電電位出現(xiàn)漂移、不穩(wěn)定的情況，而且傳統(tǒng)算法運(yùn)算復(fù)雜，設(shè)計、實現(xiàn)困難；此外，相比于奇次諧波，很多標(biāo)準(zhǔn)（例如IEEE 519-1992）對偶次諧波的限制和要求更加嚴(yán)格。

本文針對以上問題，提出了一種可消除偶次諧波的簡易SVPWM策略。優(yōu)化策略不僅減小了開關(guān)損耗、消除了偶次諧波，而且運(yùn)算量小，設(shè)計大為簡化，可通用于任意電平的多電平逆變器。

1 傳統(tǒng)SVPWM算法

三電平NPC拓?fù)渥鳛榻?jīng)典的電網(wǎng)逆變器，共有27種開關(guān)狀態(tài)，因具有一定的重疊關(guān)系，在空間矢量上共占據(jù)了19個位置，且按電壓矢量幅值可劃分為大、中、小矢量，以及位于矢量圖原點位置的零矢量。

在傳統(tǒng)SVPWM算法中，空間電壓矢量圖是采用正交坐標(biāo)系建立的，并基于此計算出最近三個電壓矢量（NTV）的作用時間。研究表明，傳統(tǒng)算法對于某一電壓矢量在對其所在扇區(qū)位置的判斷、作用時間的分配等過程中，需要耗費(fèi)大量時間進(jìn)行各種反三角函數(shù)、開方等等復(fù)雜的流程中，以致速度慢且精度低，且需要對七段開關(guān)序列的各個開關(guān)組合狀態(tài)分別進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計復(fù)雜，通用性和可移植性差。

2 簡易SVPWM策略

2.1新型分區(qū)法

圖1（a）和（b）分別給出了傳統(tǒng)型和簡易型SVPWM策略的小扇區(qū)分區(qū)法（以大扇區(qū)I為例）。其中，（a）給出的開關(guān)狀態(tài)是用正交坐標(biāo)系表示的三相狀態(tài)；（b）給出的則是600坐標(biāo)[3]下相應(yīng)的狀態(tài)。

小扇區(qū)分類原理：觀察1（a）中各個小三角形的頂點開關(guān)狀態(tài)可知，每個三角形共包含四個或五個狀態(tài)（零矢量此處只取[0，0，0]考慮），且全部三角形呈現(xiàn)非倒即正立的形狀。從而，根據(jù)頂點狀態(tài)個數(shù)及正、倒立形狀的組合，即可將四個小三角形如1（b）所示簡化為三類：T1、T2和T3。

2.2 偶次諧波消除法

電網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制策略中，開關(guān)序列多采用七段式，但這會使得開關(guān)損耗很大。若要改變這種現(xiàn)狀同時又考慮經(jīng)濟(jì)性，降低開關(guān)損耗的最佳手段就是使開關(guān)動作的次數(shù)降低。五段法開關(guān)序列相比傳統(tǒng)七段法可減少開關(guān)次數(shù)，從而可降低開關(guān)損耗。本文在五段法的基礎(chǔ)上，提出一種新型的空間矢量選擇順序法。

2.2.1 偶次諧波產(chǎn)生的原因

傳統(tǒng)七段法采用A型或B型開關(guān)順序，其中B型開關(guān)順序以P型小矢量為首發(fā)矢量。圖2（a）和（b）分別給出了給定矢量位于第I扇區(qū)及旋轉(zhuǎn)1800后（第IV扇區(qū)）得到的波形圖。顯然可知，這兩個扇區(qū)之間，無論是其相電壓抑或是其線電壓，在波形上都有明顯的對稱性，但是，橫軸卻并非其對稱軸，換言之，采用傳統(tǒng)算法所得波形并非半波對稱，而正是這導(dǎo)致了偶次諧波的產(chǎn)生。

2.2.2 偶次諧波消除機(jī)理

文獻(xiàn)[1]等提出了A型和B型開關(guān)順序交替法，即將小扇區(qū)1和2再分別劃分為1a、1b和2a、2b，在各新小扇區(qū)內(nèi)各作設(shè)計。其結(jié)果所得，雖不含偶次諧波，然而，由于此法開關(guān)序列眾多，甚至比傳統(tǒng)七段法的開關(guān)動作次數(shù)還要多，損耗大幅增加，設(shè)計時耗很長。

根據(jù)半波對稱的概念可推知：在任一時刻，當(dāng)任一給定矢量在大扇區(qū)N（N=1，2，3）中采用了開關(guān)狀態(tài)[a，b，c]，則在N+3扇區(qū)，應(yīng)該采用互補(bǔ)的開關(guān)狀態(tài)[-a，-b，-c]，如圖3所示。

3的整數(shù)倍次諧波對電網(wǎng)逆變電壓質(zhì)量影響也較大，為此需要考慮將其消除。從對稱性的角度出發(fā)，可見當(dāng)某狀態(tài)量為[a，b，c]時，若能在1200后變?yōu)閇-b，-c，-a]，則可將該類諧波抵消。

綜上考慮，新的電網(wǎng)逆變器簡易調(diào)制策略采用了如表1所示的全部六個大扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)。

3 仿真試驗

為了驗證提出的可消除偶次諧波的多電平簡易型SVPWM策略，采用MATLAB軟件在三電平NPC逆變器平臺上進(jìn)行了仿真研究。主開關(guān)器件采用IGBT，母線直流電壓Vdc為2000V，直流側(cè)電容為2200μF，采樣周期Ts為1/900s，調(diào)制因數(shù)ma為0.9。

圖4和5分別給出了采用傳統(tǒng)型SVPWM和新型簡易SVPWM得到的NPC逆變器輸出線電壓VAB波形圖及FFT分析圖?？梢?，兩者線電壓均為五電平，主要諧波為17、19次，集中在頻率為900Hz的18次諧波周圍，且總的諧波含量幾乎相同。而且，線電壓FFT分析圖中均不含3的整數(shù)倍次諧波，但采用傳統(tǒng)法時，輸出電壓中含有明顯的偶次諧波如14次和16次，原因在于生成的VAB波形不是半波對稱的；采用簡易法則可顯著消除偶次諧波，VAB波形呈現(xiàn)半波對稱性。這表明，提出的簡易SVPWM策略是正確、可行的。

實際上，簡易SVPWM策略還可便利地移植、通用于五電平及以上電平的各種多電平逆變器。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)算法的不足，提出了一種很適合電網(wǎng)中多電平逆變器的簡易型SVPWM策略。研究了偶次諧波的產(chǎn)生原因及消除機(jī)理，提出了一種新型分區(qū)法，結(jié)合600坐標(biāo)可明顯簡化設(shè)計并提高精準(zhǔn)度。與傳統(tǒng)法相比，簡易策略可完美消除偶次諧波、降低開關(guān)損耗、減少設(shè)計量，同時還具有通用性。借助Matlab軟件對其進(jìn)行了仿真試驗，仿真結(jié)果驗證了算法的正確性和優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Bin Wu. High-power converters and AC drives[M].New York： IEEE Press/Wiley， 2006.

[2] Sanbo Pan， Junmin Pan， Zuohua Tian. A shifted SVPWM method to control DC-link resonant inverters and its FPGA realization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（9）：3383-3391.

[3] 趙輝，李瑞.60o坐標(biāo)系下三電平逆變器SVPWM方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（24）：39-45.

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目；國家自然科學(xué)基金項目（61074019）

作者簡介：鄺文明（1988—），男，江西贛州人，碩士研究生，電力工程師，從事電氣試驗工作。

*通訊作者：鄭宏（1965—），男，福建武夷山人，教授，碩導(dǎo)，從事智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電與儲能技術(shù)等研究。