低調(diào)制比時(shí)NPC三電平逆變器調(diào)制方法的研究

【摘" 要】為解決NPC三電平逆變器傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方法在低調(diào)制比時(shí)輸出電流諧波大的問(wèn)題，提出基于60°坐標(biāo)系下改進(jìn)的一種空間電壓基本矢量排序方式。該方法在第1、2小扇區(qū)采用零矢量作為首發(fā)矢量，降低相電流波形畸變的同時(shí)提高對(duì)中性點(diǎn)電壓的平衡控制能力。最后通過(guò)搭建Simulink仿真模型驗(yàn)證該方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】NPC三電平逆變器；SVPWM；低調(diào)制比；相電流波形

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）11-0043-03

Research on Method of Modulation Algorithm of NPC Three-level Inverter at Low Modulation Ratio

XU Yamei，ZENG Pin，MIAO Qiang

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】An improved space basic vector ordering method based on 60° coordinate system is proposed to solve the problem that the output current harmonics of traditional SVPWM modulation method of NPC three-level inverter are high at low modulation ratio. Zero vector is used as the first vector in the first and second small sectors，which reduces the distortion of phase current waveform and improves the balance control ability of neutral voltage. Finally，the effectiveness of the proposed method is verified through Simulink simulation.

【Key words】NPC three-level inverter；SVPWM；low modulation ration；phase current wave

多電平逆變器是在1981年由Nabae等人提出的“中點(diǎn)鉗位PWM逆變器”的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其后在高壓大功率變頻調(diào)速器方面得到了廣泛應(yīng)用。由于三電平逆變器與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比具有更適應(yīng)大功率、高壓的場(chǎng)合，降低開(kāi)關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，其控制手段也成為一個(gè)熱門課題。不同的調(diào)制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，也適用于不同的場(chǎng)合，在各種PWM方法中，由于SVPWM以瞬時(shí)空間矢量為控制量，最適合用于高動(dòng)態(tài)性能的控制方法，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等[1]。鑒于此，本文以NPC三電平逆變器SVPWM方法為研究對(duì)象，探索低調(diào)制比狀態(tài)下有效的調(diào)制方法。

1" NPC三電平逆變器

NPC（Neutral Point Clamped）三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。這種電路也稱為中點(diǎn)鉗位型逆變電路，選用的是IGBT，該電路的每一相橋臂有4個(gè)開(kāi)關(guān)元件、4個(gè)續(xù)流二極管和2個(gè)鉗位二極管，2個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過(guò)鉗位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連接。鉗位二極管的作用是把輸出電平鉗位在零電位，使每個(gè)功率器件上承受的電壓限制在Udc/2，通過(guò)一定的邏輯算法控制每相橋臂中4個(gè)IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，在輸出側(cè)合成三電平實(shí)現(xiàn)逆變。

2" 基于60°坐標(biāo)系SVPWM算法的研究

2.1" 空間電壓矢量正六邊形分布

根據(jù)每相不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的組合，NPC型逆變器單相在正常工作時(shí)提供三種電平。以A相為例，表1列出來(lái)輸出電壓與不同開(kāi)關(guān)組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

SVPWM調(diào)制技術(shù)是依據(jù)逆變器空間電壓矢量切換來(lái)控制逆變器的一種控制策略，用不同開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)使交流電機(jī)獲得近似圓形的磁通矢量軌跡。在α-β平面上NPC型逆變器的空間電壓矢量分布如圖2所示。

圖2中，根據(jù)空間電壓矢量的幅值，可以分為4類矢量：零矢量（0）、小矢量（Udc / 3）、中矢量（■Udc / 3）、大矢量（2Udc / 3），矢量分類見(jiàn)表2。

2.2" 基于60°坐標(biāo)系SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)

2.2.1" 坐標(biāo)變換

建立60°坐標(biāo)系（ g-h坐標(biāo)系），將平面直角坐標(biāo)系下的矢量變換到該坐標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算方式的簡(jiǎn)化。將參考電壓矢量Vref從α-β坐標(biāo)系變換到 g-h坐標(biāo)系，可得：

對(duì)Vref進(jìn)行歸一化處理，電壓基準(zhǔn)值為Udc / 3，可得：

2.2.2" 大扇區(qū)判斷

歸一化變換后根據(jù)Vg*、Vh*邏輯運(yùn)算比較判斷出參考矢量電壓處于哪個(gè)大扇區(qū)。定義3個(gè)變量A、B、C，通過(guò)分析可以得出：若Vg*＞0，則A=1，否則A=0；若Vh*＞0，則B=1，否則B=0；若Vg*+Vh*＞0，則C=1，否則C=0。

令N=4C+2B+A，則可以得到與扇區(qū)的關(guān)系，見(jiàn)表3。

2.2.3" 小扇區(qū)判斷

在大扇區(qū)判斷完畢后，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式，將其他大扇區(qū)全部旋轉(zhuǎn)到1扇區(qū)進(jìn)行小扇區(qū)判斷。以2號(hào)大扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到1號(hào)為例，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

可以得到其他5個(gè)大扇區(qū)內(nèi)參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)到第1大扇區(qū)的變換關(guān)系為：

經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換后只需判斷Vref在1號(hào)大扇區(qū)的位置。1號(hào)大扇區(qū)的6個(gè)小扇區(qū)劃分示意如圖4所示。

參照?qǐng)D4，可以根據(jù)Vg*、Vh*的數(shù)量關(guān)系得出參考電壓矢量的小扇區(qū)分布，見(jiàn)表4。

2.3" 基本電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算

在任意一個(gè)空間矢量脈寬調(diào)制周期Ts內(nèi)，按照三矢量原則，Vref將通過(guò)其所處位置最近的3個(gè)基本電壓矢量Vx、Vy、Vz來(lái)合成。按照伏秒平衡原理，計(jì)算得到每個(gè)矢量的保持時(shí)間，其關(guān)系為：

式中：Tx、Ty、Tz——各基本電壓矢量的作用時(shí)間。

2.4" 空間矢量作用順序

本文采用7段式SVPWM，遵循P狀態(tài)禁止直接變換到N，以O(shè)狀態(tài)作為過(guò)渡狀態(tài)的原則進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。在此原則下，當(dāng)前技術(shù)基本采用在每個(gè)控制采樣周期內(nèi)，以正、負(fù)冗余小矢量作為首發(fā)矢量[2-3]。表5為第1大扇區(qū)的開(kāi)關(guān)序列。

3" 改進(jìn)的SVPWM調(diào)制及仿真驗(yàn)證

本文提出一種改進(jìn)的SVPWM調(diào)制方法，在每個(gè)大扇區(qū)的第1、2小扇區(qū)采用首發(fā)矢量為零矢量，其他小扇區(qū)開(kāi)關(guān)序列同上述傳統(tǒng)SVPWM方法。以第1大扇區(qū)的為例，見(jiàn)表6。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建NPC三電平逆變器及控制模型。所采用的仿真參數(shù)為：直流側(cè)輸入電壓311V，直流分壓電流C1=C2=0.0047F，仿真步長(zhǎng)2e-6s，三相對(duì)稱負(fù)載電阻10Ω，電感15mH。當(dāng)調(diào)制比較低時(shí)，即參考電壓矢量運(yùn)行在每個(gè)大扇區(qū)的第1、2小扇區(qū)，分別采用傳統(tǒng)和改進(jìn)后的SVPWM調(diào)制方法進(jìn)行仿真。圖5為中性點(diǎn)電壓波動(dòng)圖，可以看出隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，傳統(tǒng)SVPWM低調(diào)制比狀態(tài)下中性點(diǎn)電壓偏離越來(lái)越嚴(yán)重；改進(jìn)后的SVPWM在低調(diào)制比狀態(tài)下中性點(diǎn)電壓變化緩慢。

圖6為輸出側(cè)相電流波形圖，傳統(tǒng)SVPWM在低調(diào)制比狀態(tài)下相電流畸變嚴(yán)重，總諧波畸變率為5.09%；改進(jìn)后SVPWM總諧波基波率為0.66%，降低了87%；由于改進(jìn)后SVPWM中性點(diǎn)電壓偏移小，故輸出相電流基本沒(méi)有偶次諧波，5次、7次諧波也明顯降低。由此可知，本文所用算法在低調(diào)制比時(shí)能夠明顯降低相電流畸變，而且基本不會(huì)帶來(lái)中性點(diǎn)電壓偏移，可以滿足預(yù)期要求。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了NPC三電平逆變器傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方法，并針對(duì)低調(diào)制比工況提出了一種改進(jìn)的SVPWM算法。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，驗(yàn)證了本文提出的調(diào)制方法在低調(diào)制比工況下的有效性，所提出的調(diào)制策略可以推廣應(yīng)用到三電平逆變器SVPWM算法中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊國(guó)良，李建雄. 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2015.

[2] 李玥，黃孫偉，徐川. 60°坐標(biāo)系下三電平逆變器中性點(diǎn)電壓平衡策略研究[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2020，38（5）：43-48.

[3] 薛艷平. 三電平逆變器的PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安工業(yè)大學(xué)，2022.

（編輯" 楊凱麟）

作者簡(jiǎn)介

徐亞美（1988—），女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電驅(qū)系統(tǒng)控制開(kāi)發(fā)工作。