NPC三電平逆變器改進型虛擬空間矢量調(diào)制

賈萬水，張 成,2，熊梓辰

應(yīng)用研究

NPC三電平逆變器改進型虛擬空間矢量調(diào)制

賈萬水1，張 成1,2，熊梓辰1

(1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007；2. 通號(長沙)軌道交通控制技術(shù)有限公司，長沙 410000)

NPC三電平逆變器在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用越來越廣泛，但此類逆變器存在直流母線中點電壓偏移以及共模電壓問題。提出一種改進型虛擬空間矢量調(diào)制策略，該調(diào)制選取共模電壓較小的基本電壓矢量合成虛擬矢量，改進后的調(diào)制產(chǎn)生的共模電壓僅為傳統(tǒng)調(diào)制的50%，并且這些虛擬矢量產(chǎn)生的電流均為零，直流母線中點電壓得以控制。同時，改進型調(diào)制采用g-h坐標系，計算量極大簡化。所提調(diào)制策略通過減少開關(guān)序列的切換次數(shù)使功率器件開關(guān)次數(shù)大幅降低從而提升中點電壓平衡速度62.5%。最后，使用MATLAB/Simulink仿真平臺以及RT-LAB半實物平臺對改進型調(diào)制策略的正確性、可行性進行了驗證。

NPC三電平逆變器 中點電壓平衡 共模電壓 虛擬空間矢量

0 引言

作為使用最廣泛的多電平逆變器之一，二極管鉗位型逆變器(Neutral Point Clamped,NPC)已廣泛應(yīng)用于高壓大功率傳輸、新能源發(fā)電、電網(wǎng)質(zhì)量控制等領(lǐng)域。但是此類逆變器存在著直流母線中點電壓偏移以及共模電壓的問題，這對逆變器的正常使用和安全性有重大影響。

直流母線中點電壓偏移會造成單個功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力增大使器件使用壽命大大縮減并且變換器的輸出波形會發(fā)生嚴重畸變。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多解決方法。最近三矢量法(Nearest Three Vector,NTV)是最常用的解決中點電壓偏移的方法。但在高調(diào)制比和低功率因數(shù)的工況下，NTV方法控制效果一般。為克服NTV方法的局限性，一些能在全范圍內(nèi)控制中點電壓平衡的調(diào)制策略陸續(xù)出現(xiàn)，文獻[1]是西班牙人S.Busquets-Monge于2004年提出的一種新的調(diào)制策略—虛擬空間矢量調(diào)制法(Nearest Three Virtual Vector,NTV2)。該調(diào)制在逆變器輸出電壓的全范圍內(nèi)以及任意負載功率因數(shù)的情況下均能有效地控制中點電壓平衡，但該方法沒有提出相應(yīng)地中點電壓平衡控制策略，在實際應(yīng)用中可借鑒意義不大。

功率變換器中半導(dǎo)體器件的開關(guān)動作會產(chǎn)生共模電壓。共模電壓會對系統(tǒng)造成許多負面效應(yīng)，其產(chǎn)生的漏電流是電磁干擾的來源，并且會導(dǎo)致電機繞組絕緣系統(tǒng)過早失效。文獻[2]提出在空間矢量調(diào)制中移除產(chǎn)生共模電壓較大的兩個零矢量(PPP和NNN)，但是該方法僅能將共模電壓的幅值限定在U/3。文獻[3]使用七段式空間矢量脈寬調(diào)制法將共模電壓幅值限定在U/6，但該方法僅適用于準Z源三電平逆變器。

本文提出一種改進型虛擬空間矢量法，選取共模電壓較小的基本電壓矢量用于合成虛擬矢量，這使得改進后的調(diào)制策略產(chǎn)生的共模電壓僅為傳統(tǒng)調(diào)制的一半。上述虛擬矢量在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的電流值為零，達到控制中點電壓的目的。此外，采用g-h坐標系并且棄用虛擬中矢量，使整體效率大大提升。

1 NPC三電平逆變器

圖1 NPC三電平逆變器拓撲圖

圖1為NPC三電平逆變器拓撲圖。每相由4個IGBT功率開關(guān)管SX1,SX2,SX3,SX4(X=A,B,C)和2個鉗位二極管DY1，DY2(Y=A,B,C)組成。逆變器輸出相電壓為

式中，U代表輸出相電壓，S代表開關(guān)狀態(tài)。輸出相電壓與功率器件開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系見表1，表中1代表功率器件導(dǎo)通，0代表功率器件關(guān)斷。

表1 功率器件開關(guān)狀態(tài)與輸出相電壓對應(yīng)關(guān)系

考慮三相，NPC三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài)，可以用空間電壓矢量表示開關(guān)狀態(tài)，圖2中進行了說明。由三相合成的空間電壓矢量U的表達式為

按幅值大小將這些空間電壓矢量歸納為四類：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。各開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的中性點電流見表2。

表2 各開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的中點電流

2 傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制

圖3 扇區(qū)Ⅰ的虛擬矢量

由表2知，小矢量和中矢量產(chǎn)生的中點電流會流入中性點O使得中點電壓發(fā)生偏移。針對該問題，傳統(tǒng)虛擬空間矢量法將影響中點電壓的基本矢量改造，以達到控制中點電壓的目的。圖3是扇區(qū)Ⅰ五個小區(qū)域三角形及虛擬矢量分布圖[4]。

傳統(tǒng)虛擬空間矢量法對虛擬矢量的定義為

表3 參考電壓矢量位于扇區(qū)Ⅰ各小區(qū)域?qū)?yīng)的開關(guān)序列

表3是參考電壓矢量位于扇區(qū)Ⅰ各小區(qū)域所對應(yīng)的開關(guān)序列。

NPC三電平逆變器共模電壓(Common Mode Voltage,CMV)定義為星型負載的N點與中性點O之間的電壓差。各開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的共模電壓見表4[5]。

表4 各空間電壓矢量對應(yīng)的共模電壓

傳統(tǒng)虛擬空間矢量法在構(gòu)造虛擬矢量時選取了小矢量UONN和UPPO，根據(jù)表4知，上述矢量給系統(tǒng)帶來了較大的共模電壓致使NPC三電平整體系統(tǒng)性能不佳。

3 改進型虛擬空間矢量調(diào)制

傳統(tǒng)調(diào)制中，常用的是圖2中的正交α-β坐標，而改進型調(diào)制采用圖4所示的非正交的g-h坐標系，此坐標系的優(yōu)點是所有矢量在此系統(tǒng)中均具有整數(shù)坐標。因此，α-β坐標中復(fù)雜的三角函數(shù)由代數(shù)運算代替，大大簡化了計算過程。通過(4)式，可以很容易地將參考電壓矢量Vref在α-β坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換到g-h坐標系。

本文棄用虛擬中矢量且選取共模電壓較小的基本電壓矢量合成虛擬矢量，將虛擬矢量定義為

圖5是以扇區(qū)Ⅰ為例給出了每個扇區(qū)中小區(qū)域的重新劃分方式。

表5 扇區(qū)Ⅰ各小區(qū)域?qū)?yīng)的開關(guān)序列

表5為改進型調(diào)制對應(yīng)的開關(guān)序列。由表3和表5對比后得出，改進型調(diào)制策略將開關(guān)序列的切換次數(shù)由傳統(tǒng)調(diào)制的9次降至4次，減少了開關(guān)次數(shù)，從而縮短中點電壓平衡調(diào)節(jié)時間。

4 仿真與實驗

本文所提的改進型虛擬空間矢量調(diào)制方法已在SIMULINK以及RT-LAB半實物平臺中得到驗證，仿真和實驗參數(shù)見表6仿真與實驗所使用的負載均為三相阻感負載。圖6是RT-LAB平臺。

圖6 RT-LAB半實物平臺

表6 仿真、實驗參數(shù)

4.1 仿真驗證

圖7 改進型虛擬空間矢量調(diào)制的電壓仿真波形

圖8 所提調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制輸出相電流及其THD對比

圖7為改進型虛擬空間矢量調(diào)制方法下線電壓及相電壓仿真波形圖，從仿真波形來看，所提調(diào)制策略輸出特性良好。

圖8為所提調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制輸出相電流及其THD對比，從圖8(c)和圖8(d)的對比中看出，傳統(tǒng)調(diào)制諧波較為分散，濾波難度大，而改進型調(diào)制諧波集中分布在低次上，濾波難度小。

人為設(shè)置上、下電容電壓不相等用于模擬中點電壓發(fā)生偏移。電容電壓平衡時間定義為電容電壓從初始值達到最終穩(wěn)定值所需時間，當(dāng)上、下電容電壓差值|ΔU|<|δ|(δ為可接受的電壓差值范圍，這里δ取2V)時，即判定電容電壓到達最終穩(wěn)定值。

圖9 所提調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制電容電壓平衡過程對比

將上電容電壓UC1和下電容電壓UC2的初始值分別設(shè)置為300V和200V。從圖9看出，傳統(tǒng)調(diào)制在0.16s時電容電壓達到動態(tài)平衡。而改進型調(diào)制策略由于降低了開關(guān)次數(shù)，電容電壓達到動態(tài)平衡僅需0.06s，提升電容電壓平衡速度62.5%?？梢姰?dāng)中點電壓出現(xiàn)偏移波動時，改進型調(diào)制策略具備更強的調(diào)節(jié)能力。

圖10 所提調(diào)制策略與傳統(tǒng)調(diào)制共模電壓對比

圖10(a)為傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制產(chǎn)生的共模電壓，UCM約為167 V。圖10(b)為改進型虛擬空間矢量調(diào)制產(chǎn)生的共模電壓，此時UCM約為83 V。改進型調(diào)制將產(chǎn)生的共模電壓由原來的167 V降至83 V，使共模電壓降低50%。

4.2 RT-LAB半實物平臺驗證

圖11 改進型虛擬空間矢量調(diào)制的電壓實驗波形

圖11(a)，(b)分別為改進型虛擬空間矢量調(diào)制方法下線電壓和相電壓實驗波形。NPC三電平逆變器的輸出線電壓為五電平，輸出相電壓為九電平，輸出電壓波形平滑。

圖12 所提調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制相電流及其頻譜展開圖對比

利用示波器的頻譜展開功能將兩種調(diào)制方法中的相電流進行傅里葉展開得到圖12，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖13 所提調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制電容電壓平衡過程對比

由圖13實測波形圖看出，改進型調(diào)制策略將電容電壓平衡時間由原來的0.16s提升至0.06s，提升幅度為62.5%。與仿真結(jié)果契合，這對于實際應(yīng)用意義較大。

圖14 所提調(diào)制策略與傳統(tǒng)調(diào)制共模電壓對比

由圖14實測波形圖看出，相較于傳統(tǒng)調(diào)制產(chǎn)生的27 V共模電壓，改進型虛擬空間矢量調(diào)制產(chǎn)生的共模電壓僅為13 V。改進型調(diào)制將共模電壓減小50%。

5 結(jié)論

本文提出一種改進型虛擬空間矢量調(diào)制，該方法選取共模電壓較小的基本電壓矢量合成虛擬矢量，這些虛擬矢量產(chǎn)生的電流為零不會使中點電壓產(chǎn)生偏移。所提調(diào)制策略采用g-h坐標系且舍棄虛擬中矢量所以在參考電壓矢量位置判斷、虛擬矢量作用時間的計算上大大簡化。同時，棄用虛擬中矢量會使得改進型調(diào)制的開關(guān)次數(shù)明顯降低。仿真與實驗驗證了改進型調(diào)制在中點電壓出現(xiàn)偏移時具備更強的調(diào)節(jié)能力，提升中點電壓平衡速度62.5%。同時，產(chǎn)生的共模電壓僅為傳統(tǒng)調(diào)制的50%。至此改進型調(diào)制策略為實際應(yīng)用提供了有效的控制方法。

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Improved virtual space vector modulation for NPC three-level inverter

Jia Wanshui1, Zhang Cheng1,2, Xiong Zichen1

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou 412007, China 2. China Railway Signal and Communication (Changsha) Railway Traffic Control Technology Co., Ltd, Hunan Changsha 410000, China)

TM612

A

1003-4862（2022）04-0018-06

2022-01-05

賈萬水（1997-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 767051666@qq.com