水利設備中二極管鉗位型五電平逆變器優(yōu)化均壓算法研究

方 麗

(莒南縣嶺泉水利服務中心，山東 莒南 276621)

當今世界的能源缺乏與環(huán)境污染日益成為人類面臨的共同難題。在全球呼吁節(jié)能減排的形勢下，多電平變換技術已成為高壓大功率電力電子技術領域的研究熱點[1-2]。多電平逆變器能夠以耐壓較低的功率器件實現(xiàn)較高電壓輸出，相對于兩電平逆變器具有輸出電壓等級高、諧波特性好、開關損耗小等優(yōu)點，因而在高壓交流電機調速、分布式發(fā)電、靜止無功補償、新型直流輸電等領域有良好的應用前景[3]。目前研究得出的多電平逆變器拓撲結構主要有三種：H橋級聯(lián)型、飛跨電容型和二極管鉗位型。其中二極管鉗位型多電平逆變器由于無須多個獨立直流電源和輔助電路，可靠性較高，相比于其他拓撲結構在應用領域具有更好的發(fā)展前景[4]。

由于二極管鉗位型的主電路結構和調制算法復雜度隨著電平數(shù)的增加而急劇上升，目前只對五電平及以下二極管鉗位型多電平進行研究[5]。在目前的研究中，二極管鉗位型三電平已廣泛應用于HVDC、STATCOM、有源濾波等領域。盡管五電平相對于三電平能夠輸出更高的電壓等級以及具備更好的諧波特性，但卻存在以下問題：直流側電容電壓不均衡，一個奇數(shù)次多電平會逐漸退變?yōu)槿娖?，而偶?shù)次多電平會退變?yōu)閮呻娖?。目前實現(xiàn)二極管鉗位型五電平逆變器均壓的主要方法有：為電容分別獨立供電；通過外接電路輔助均壓；優(yōu)化SVPWM算法選擇合適的冗余矢量均壓。相比于前兩種方法需要外接設備輔助完成均壓，優(yōu)化算法選擇合適的冗余矢量均壓的方法更具備經(jīng)濟性，是當前研究的熱點。張興等[6]、趙志宏等[7]分別研究了二極管鉗位型五電平逆變器在HVDC和STATCOM中的應用，得出SVPWM算法的均壓效果受到逆變器調制比和功率因數(shù)的影響，當調制比小于0.5時，可以利用內(nèi)層較多的冗余矢量實現(xiàn)全功率因數(shù)均壓，當調制比大于0.5時調制比升高會導致功率因數(shù)降低，而當調制比繼續(xù)升高至1附近時，二極管鉗位型五電平逆變器幾乎不能輸出有功功率。本文將高調制比算法類比于低調制比，完成算法編寫，通過仿真驗證得出該算法能夠實現(xiàn)二極管鉗位型五電平逆變器的均壓，且具有較好的動態(tài)性能。

1 二極管鉗位型五電平逆變器拓撲結構

圖1 改進二極管鉗位型五電平逆變器主電路

表1 改進二極管鉗位型五電平逆變器工作狀態(tài)

如表1所列，逆變器每相可以輸出五種電平(Vdc/2、Vdc/4、0、-Vdc/4、-Vdc/2)，將其定義為編號為0，1，2，3，4五種工作狀態(tài)，因此三相共有125種工作狀態(tài)組合，其空間矢量圖如圖2所示。由圖可知，125個開關矢量中61個為有效矢量，剩余的為冗余矢量。

圖2 二極管鉗位型五電平逆變器空間矢量圖

二極管鉗位型五電平逆變器空間矢量圖由四個正六邊形中心嵌套而成，其中絕大部分冗余矢量位于內(nèi)兩層六邊形區(qū)域內(nèi)，因此當逆變器調制比較低時，目前大多SVPWM算法均是利用內(nèi)兩層六邊形數(shù)量眾多的冗余矢量進行均壓，而隨著調制比的增大，冗余矢量個數(shù)逐漸減少，其中最外層六邊形只有一種狀態(tài)，冗余矢量個數(shù)為零，較少的冗余矢量選擇導致直流側電容均壓變得十分困難。

2 二極管鉗位型五電平逆變器控制策略

通過觀察圖2可知，當逆變器的開關序列矢量位于矢量圖最內(nèi)層六邊形上時，逆變器僅對一個直流側電容電壓有影響。例如，假設逆變器此時開關矢量為(100)，如圖3所示，此時逆變器僅對電容C1進行充放電,控制電流為Ia。當開關矢量位于第二、三、四層六邊形上時，逆變器對相鄰的2，3，4個直流側電容電壓起調節(jié)作用。

圖3 開關矢量(100)主電路工作狀態(tài)

基于上述原則，本文所采用的SVPWM算法控制將矢量圖分為如圖4所示兩個區(qū)域。 內(nèi)兩層六邊形即圖4深色部分為區(qū)域1，本文第三節(jié)將介紹區(qū)域1部分的相關五電平控制均壓算法；外兩層六邊形為區(qū)域2，當參考矢量位于區(qū)域2時，此時忽略一些節(jié)點將空間矢量圖轉化成三電平矢量圖，即將四個直流側電容進行成對控制。這樣高調制比下的控制關鍵環(huán)節(jié)(矢量序列選擇，確定最近三矢量)即可采用類比于區(qū)域1的三電平SVPWM算法。

圖4 空間矢量圖區(qū)域劃分

3 二極管鉗位型五電平SVPWM算法

由于空間矢量圖的旋轉對稱性，我們可以將其分成如圖4所示Ⅰ～Ⅵ六個完全相同的扇區(qū)。以下有關算法的討論均以扇區(qū)Ⅰ為例，其余扇區(qū)的控制均可在算法中通過坐標轉換轉化為扇區(qū)I進行處理。

3.1 區(qū)域1部分

扇區(qū)I區(qū)域1部分由四個三角形組成，將其按如圖5所示進行編號。當確定參考矢量Vref所在三角形區(qū)域時，該三角形所在的三個頂點即為當前最近三矢量V1、V2、V3。由于三角形在矢量圖中的方向不完全相同，當參考矢量位于三角形1，2，4中時，最近三矢量V1、V2、V3如圖5(a)所示；當參考矢量位于三角形3中時，最近三矢量V1、V2、V3如圖5(b)所示。

圖5 扇區(qū)I區(qū)域1空間矢量圖

由七段式矢量序列規(guī)則可知，當參考矢量位于三角形1或2時，矢量序列起始點唯一(100/211/322/433為三角形1起始點，110/221/332/443為三角形2起始點)；當參考矢量位于三角形3或4時，矢量序列起始點有2種選擇(100/211/322/433和110/221/332/443均可作為三角形3或4的起始點)。因此按此分類后，我們僅需對三角形1和3進行分析。

3.1.1 三角形1區(qū)域

可是林師父自己畫風，卻要我們畫水！他說：“平遠細皺，起起伏伏，這是畫匠們的畫法，你們要學水奔湍巨浪，隨石曲折，隨物賦形，畫出水的神氣。畫好了水，才畫得出風，畫得出光?！?/p>

在三角形1中，矢量序列起始點共有100、211、322和433四個開關序列，由圖3類比可知這四個序列分別對電容C1、C2、C3和C4電壓起調節(jié)作用。該三角形區(qū)域內(nèi)存在的七段式序列及其控制的電容如表2所列。

表2 三角形1矢量序列

由圖3可知，三角形1中的均壓控制電流為Ia：當Ia大于0時，此時逆變器對所控制的電容放電；當Ia小于0時，此時逆變器對所控制的電容充電。為了達到電容電壓均壓的效果，應該利用控制電流的調節(jié)作用，對當前電壓較低的電容充電或對電壓較高的電容放電。另外，表2所列出的七段式矢量序列均同時控制相鄰的2個電容。因此，控制算法核心思路總結如下：

a.判斷當前控制電流方向，確定此時對電容的調節(jié)方式為充電還是放電。

b.確定當前的調節(jié)方式為充(放)電后，選擇當前電壓最低(高)的電容為目標控制電容。

c.判斷目標控制電容相鄰電容的電壓，選擇其為第二個控制電容，根據(jù)選擇的2個控制電容查找表2確定矢量序列。

舉例分析，假設當前控制電流Ia大于0，電容電壓狀態(tài)為Vc2>Vc3>Vc4>Vc1，由于此時控制電流對電容電壓放電，因此應該選擇電壓最大的電容C2。此外，C2相鄰電容的電壓狀態(tài)為Vc3>Vc1，因此應該選擇 C2和C3為控制電容，選擇矢量序列為211-311-321-322-321-311-211。

依據(jù)以上原則，表3按各電容分類列出了三角形1內(nèi)所有情況下的矢量序列選擇，其中Vc1至Vc4分別代表四個直流側電容的電壓，Vmax為四個直流側電壓的最大值，Vmin為四個直流側電壓的最小值。

表3 三角形1矢量序列選擇

續(xù)表

在三角形3中，存在2個矢量序列起始點，其控制電流分別為Ia和-Ic，我們分別定義其為起始點1和起始點2，首先應確定1和2哪個為矢量序列起始點。文獻[7]提供了一種判斷矢量序列起始點對于電容電壓調節(jié)作用強弱的方法，具體如下：

設起始點1一個周期內(nèi)作用時間為t1，起始點2作用時間為t2。如果|Ia×t1|>|Ic×t2|，則起始點1具有更好的電壓平衡能力，應選擇其為矢量序列起始點，否則應選擇起始點2為矢量序列起始點。

起始點確定后，其余步驟與3.1.1中三角形1區(qū)域內(nèi)相同。

3.2 區(qū)域2部分

在區(qū)域2中，我們將直流側電容C1和C2，C3和C4進行聯(lián)合控制，這樣區(qū)域2中的均壓控制就轉換為三電平SVPWM控制。此時區(qū)域2的空間矢量圖如圖6所示，共分為三角形1，2，3三個區(qū)域，其中三角形1和2中僅有1組矢量序列，三角形3中有2組可選擇的矢量序列。

圖6 扇區(qū)I區(qū)域2空間矢量圖

在三角形3中，由于存在2組七段式矢量序列：200-220-420-422-420-220-200和220-420-422-442-422-420-220需要進行選擇。這里采用與3.1.2中相同的方法：如果|Ia×t1|>|Ic×t2|，則選擇200-220-420-422-420-220-200矢量序列，否則應選擇220-420-422-442-422-420-220矢量序列。

4 仿真驗證

為驗證本文所提出的二極管鉗位型五電平逆變器改進SVPWM算法的有效性，在Simulink仿真平臺下以圖1所示電路拓撲為基礎進行仿真驗證。仿真參數(shù)設置如下：直流側電壓400V，開關頻率2kHz，電容器C1、C2、C3、C4的電容值均為6800μF，負載電阻10Ω，負載電感20mH。

設置調制比為0.2，此時參考電壓位于區(qū)域1內(nèi)，圖7為調制比為0.2時的各項仿真參數(shù)波形圖?？梢詮膱D上看出，直流側電容電壓的波動均在99.8～100.2V之內(nèi)，達到了理想的均壓效果。

圖7 調制比m=0.2仿真波形

設置調制比為0.53，此時參考電壓位于區(qū)域2內(nèi)，圖8為調制比為0.53時的各項仿真參數(shù)波形圖。由圖可知，直流側電容電壓紋波在1.2V以內(nèi)，均壓效果較為理想。

圖8 調制比m=0.53仿真波形

5 結 論

隨著近年來高壓大功率電力電子技術的不斷發(fā)展與應用，五電平的相關研究已成為電力電子領域的研究重點之一。本文在總結與歸納現(xiàn)有研究成果的基礎上，采用一種改進型的SVPWM算法，通過利用七段式矢量序列對于電容電壓的調節(jié)作用，實現(xiàn)了二極管鉗位型五電平逆變器的直流側均壓，最后通過仿真驗證了該算法的正確性及有效性。