基于3D-SVPWM的三電平電網(wǎng)模擬裝置的研究與仿真*

劉　鄧，　劉　軍，　陶忠正，　李月凡

上海電機(jī)學(xué)院　上海　201306

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基于3D-SVPWM的三電平電網(wǎng)模擬裝置的研究與仿真*

劉鄧，劉軍，陶忠正，李月凡

上海電機(jī)學(xué)院上海201306

傳統(tǒng)三電平空間矢量調(diào)制算法計(jì)算煩瑣，需占用大量資源，大大降低了系統(tǒng)的性能。提出三維空間矢量調(diào)制技術(shù)對三電平電網(wǎng)模擬裝置進(jìn)行控制，首先針對三電平二極管中點(diǎn)鉗位式變流器的三維空間矢量調(diào)制算法進(jìn)行了研究，然后對三維坐標(biāo)系進(jìn)行矢量建模計(jì)算，最后基于MATLAB進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了該方法的可行性。

1　二極管鉗位型多電平逆變器簡介

目前使用最廣泛的是二極管鉗位型多電平逆變器，圖1為該逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是采用6個(gè)二極管對相應(yīng)開關(guān)元件進(jìn)行鉗位，以保證每個(gè)橋臂可以輸出正、負(fù)、零3種電平。直流分壓電容C1=C2，每2個(gè)相鄰的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通或者關(guān)斷，(Sj1,Sj3)、(Sj2,Sj4)分別互補(bǔ)[1](j=a、b、c)。

圖1　二極管鉗位三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二極管鉗位型多電平逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn)： ① 電平數(shù)越多，輸出電壓的諧波含量就越小；② 利用電容對直流側(cè)分壓，二極管進(jìn)行中點(diǎn)鉗位，可在高壓大功率時(shí)有效減小裝置體積。

缺點(diǎn)： ① 直流側(cè)電容存在分壓不平衡問題；② 每個(gè)橋臂內(nèi)外側(cè)功率器件導(dǎo)通時(shí)間不均衡，會造成負(fù)荷不一致；③ 隨著電平數(shù)的增多，需要的鉗位二極管較多，增加了控制難度，失去了使用價(jià)值[2]。

2　三維空間矢量調(diào)制算法

2.1三維空間矢量坐標(biāo)系的建立

由于αβ平面是在三相對稱前提下對三維空間的一種描述方法，因此，若將矢量在三維空間中進(jìn)行描述，可得到如圖2所示的三電平變流器的三維空間矢量圖。

圖2　三維空間矢量圖

根據(jù)Ua=Ub=Uc=0，3個(gè)平面將整個(gè)空間分為8個(gè)大區(qū)(小立方體)，小立方體的數(shù)目與變流器的電平數(shù)相關(guān)。這些小立方體的內(nèi)部空間構(gòu)成完全相同，包含的8個(gè)矢量只相差一個(gè)直流分量，故可通過坐標(biāo)原點(diǎn)平移的方法將8個(gè)小立方體歸化到一個(gè)立方體中進(jìn)行分析，這樣大大簡化了3D-SVM算法[3]。

2.2三維空間矢量調(diào)制算法理論分析

三維空間矢量調(diào)制算法可分為3步實(shí)現(xiàn)： 通過判斷三相電壓正負(fù)及大小，可判斷三相電壓的合成矢量具體區(qū)域；可以確定合成目標(biāo)所需的矢量；確定具體由哪3個(gè)矢量來合成目標(biāo)后，可以計(jì)算出矢量所需的作用時(shí)間。

2.2.1三相電壓合成矢量所在區(qū)域的判斷

將計(jì)算所得三相參考電壓放在Ua、Ub、Uc3個(gè)坐標(biāo)軸上，根據(jù)A、B、C三相參考電壓的正負(fù)可判斷出三相電壓合成矢量具體位于的區(qū)域，判斷過程大為簡化，避免了煩瑣的乘法運(yùn)算。當(dāng)a>0、b>0、c>0時(shí)，合成矢量位于第一大區(qū)，具體的劃分結(jié)果如圖3所示[4]。

圖3　大區(qū)劃分示意圖

每個(gè)大區(qū)可被其所在平面的斜對角面劃分為6個(gè)四面體小區(qū)。這樣劃分的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)小區(qū)都有一個(gè)大矢量、一個(gè)中矢量和一個(gè)小矢量，3個(gè)非零矢量。大中小相鄰矢量都只有一位不一樣，只要控制變流器3個(gè)橋臂的組合狀態(tài)，按照這個(gè)順序變化，可保證每次只有一相的狀態(tài)發(fā)生變化，從而使每次只有一相的開關(guān)管切換狀態(tài)。根據(jù)A、B、C三相電壓之間的大小關(guān)系，能判斷出三相電壓合成矢量所在的小區(qū)。如圖4所示，當(dāng)a>0、b>0、c>0且a>b、b>c時(shí)，三相電壓合成矢量位于第一大區(qū)的第一小區(qū)。

圖4　第一大區(qū)中小區(qū)劃分示意圖

2.2.2三相電壓合成矢量作用時(shí)間計(jì)算

判斷出三相電壓合成矢量所處的區(qū)域后，可以確定具體合成目標(biāo)矢量的分矢量。假設(shè)目標(biāo)矢量位于圖4所在的小區(qū)1，那么合成目標(biāo)矢量所分解成分矢量有(0,0,0)、(0,0,1)、(0,1,1)、(1,1,1)。由伏秒平衡原理可得：

(1)式中：Vref為三相電壓合成矢量；Ts為開關(guān)周期；V1、V2、V3為合成矢量所在區(qū)域非零分矢量；T1、T2、T3為對應(yīng)分矢量一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)作用時(shí)間。

將式(1)兩邊同時(shí)除以Ts，可得：

(2)

(3)

式中： Vdc為直流母線電壓。

(4)

式中： Va、Vb、Vc分別為A、B、C三相相電壓。

最終得到：

T1=d1·Ts

(5)

T2=d2·Ts

(6)

T3=d3·Ts

(7)

T0=Ts-T1-T2-T3

(8)

其它區(qū)域計(jì)算矢量作用時(shí)間計(jì)算與此類似。

2.2.3三相電壓合成矢量作用順序的確定

三維空間矢量調(diào)制要求從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域進(jìn)行切換時(shí)要平滑，按照這個(gè)原則，基于筆者提出的八象限自然分區(qū)法，可以利用零矢量(0,0,0)進(jìn)行過渡，即每個(gè)區(qū)域的矢量都以零矢量開始，又以零矢量結(jié)束。為了使區(qū)域切換時(shí)的開關(guān)損耗最小，要求每次切換時(shí)只能有一相狀態(tài)變化，同時(shí)為了減小電壓應(yīng)力du·dt-1，變化相的狀態(tài)只能按照類似(0→1→0→-1→0)的狀態(tài)進(jìn)行變化。綜合上述原則，可以確定一套以零矢量為過渡矢量的七段式矢量作用順序，如圖5所示。下面以區(qū)域1為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5　矢量作用順序

圖5中，Ta、Tb、Tc分別為矢量切換時(shí)間，根據(jù)圖5可以推算出其具體表達(dá)式：

(9)

(10)

(11)

3　三維空間矢量調(diào)制算法仿真分析

為驗(yàn)證之前所述理論的正確性，筆者應(yīng)用MATLAB R2012b搭建了三電平變流系統(tǒng)摸型，進(jìn)行了仿真研究。具體仿真參數(shù)如下： 三相參考電壓Va、Vb、Vc有效值為220V，直流側(cè)母線電壓Vdc為800V，開關(guān)頻率fs為20kHz。搭建的SIMULINK模型如圖6所示。

將圖7放大后得到圖8的放大圖，圖7為逆變器A相4個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動波形，在圖8中可以清晰看到，1、3管驅(qū)動波形對稱互補(bǔ)，2、4管驅(qū)動波形對稱互補(bǔ)。

圖9為直流母線電壓，在開始時(shí)有很大的超調(diào)量，但隨后能夠穩(wěn)定在800V左右。圖10為逆變器側(cè)三相負(fù)載的相電壓，可以看到，經(jīng)過很短時(shí)間，輸出相電壓就能夠保持在220V左右。

圖11是對圖10中的A相電壓進(jìn)行FFT分析。由圖11可以知道，逆變器側(cè)A相負(fù)載相電壓的總諧波畸變率(THD)為1.58%，低于國標(biāo)(GB/T 14549—1993)規(guī)定的5%，說明三維空間矢量調(diào)制技術(shù)能夠有效抑制逆變器由于各種原因引起的波形畸變，達(dá)到仿真目的。

4　結(jié)論

目前三電平電網(wǎng)模擬裝置的控制方法很少，筆者提出的三維空間矢量調(diào)制技術(shù)是基于SIMULINK的電氣仿真，能夠?qū)θ娖诫娋W(wǎng)模擬裝置進(jìn)行控制，可有效克服傳統(tǒng)三電平空間矢量調(diào)制算法計(jì)算煩瑣、占用資源多的缺點(diǎn)，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)算性能。

圖6　電網(wǎng)模擬裝置仿真模型

圖7　A相開關(guān)管驅(qū)動波形

圖8　A相開關(guān)管驅(qū)動波形放大圖

圖9　整流器側(cè)輸出直流電壓

圖10　逆變器側(cè)ABC三相負(fù)載相電壓

圖11　逆變器側(cè)A相負(fù)載相電壓FFT分析

[1] 王長兵.三電平逆變器SVPWM控制算法的研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[2] 宋文祥,陳國呈,束滿堂,等.中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器空間矢量調(diào)制及其中點(diǎn)控制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006,26(5)： 105-109.

[3] 吳學(xué)智,劉亞東,黃立培.三電平電壓型逆變器空間矢量調(diào)制算法的研究[J].電工電能新技術(shù)，2002,21(4)： 16- 20.

[4] 張德寬.一種實(shí)用中點(diǎn)鉗位(NPC)逆變器的空間矢量方法[J].電氣傳動,2003(2)： 4-7,17.

Traditional algorithm with three-level space vector modulation is so tedious that will take up intensive resource while reducing the performance of the system enormously. The proposed approach that adopts three-dimensional space vector modulation technique to control three-level grid simulator has conducted an investigation on modulation algorithm with 3-D space vector for the NPC-type converters with three-level diode in the first step, and then performs vector modeling & computing of 3-D coordinate system. Finally, the feasibility of the method is verified through MATLAB-based simulation.

3-D Space Vector； 3D-SVPWM； Three Electrical Level； Grid Simulator

2015年9月

劉鄧(1989—)，男，在讀碩士研究生，

E-mail： 1223829846@qq.com

TM464

A

1674-540X(2016)01-033-04

*上海市教委重點(diǎn)學(xué)科(編號： J51901)