一種抑制共模電壓的T 型三電平逆變器調制策略

胡 昭, 潘三博

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

三電平逆變器拓撲結構在兩電平拓撲基礎上增加了少量的二極管和電容,改進效果明顯,增大了逆變器工作電壓、改善了輸出波形質量、降低了共模電壓[1]。T型三電平逆變器與其他三電平逆變器相比,開關損耗低,轉換效率高,輸出能力更強[2],是一種有發展前景的拓撲結構。

目前,三電平逆變器主要研究中點電位平衡、共模電壓和開關損耗3個方面的問題[3]。為解決上述問題,主要方法為改變逆變器拓撲結構法和優化脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)控制法。其中,優化PWM 控制法成本低,且更符合應用需求。PWM 技術是研究三電平逆變器的關鍵技術[4-5],能實現逆變器的基本功能,同時維持系統的高效率運行。

文獻[6]選擇矢量時,剔除了零矢量中的兩個矢量,實現了將共模電壓控制在±Udc/3。文獻[7-9]提出了不同的混合控制策略,根據調制比,在參考矢量所在區域變化時,利用切換合成矢量和控制方法實現了中點電位平衡,但共模電壓較大,需進一步抑制共模電壓。文獻[10]研究了共模電壓問題,但僅適用于調制比較小的情況,當調制比增大時,線電流畸變嚴重,需進一步改進。文獻[11]提出的方法易于控制,但增大了波形的諧波,并網效果不好,且開關頻率大大提高。

結合已有方法,提出一種抑制共模電壓的T型三電平逆變器的調制策略,在分析共模電壓產生的原理后,結合開關狀態關系進行改進。詳細介紹了傳統空間矢量調制策略后,分別闡述傳統虛擬空間矢量調制法和改進后的虛擬矢量調制法的區別,最后利用仿真模型,驗證了該方法的可行性,得出新方法對共模電壓的抑制效果。

1 T型三電平逆變器

本文選用T 型三電平拓撲,逆變器的并網拓撲結構如圖1所示。圖中:Udc為直流母線電壓；C1、C2為直流側電容；Li為逆變器側電感；Lg為網側電感；Cf為濾波電容；Ua、Ub、Uc分別為電網電壓；O點為直流側電容中點,n為中性點。

以a相為例,輸出電壓與開關管導通之間的關系見表1。

表1 a相開關管狀態關系

由于每相都有P、O、N 3種電平狀態,一共有三相,對應著有27種組合,27種組合對應著27個基本空間電壓矢量,可得到三電平逆變器的空間矢量圖,如圖2所示(1代表P,0代表O,-1代表N)。

圖2 三電平逆變器空間電壓矢量

按照矢量幅值可分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。從圖2中可知,27個基本矢量中,零矢量有3個,正負小矢量成對存在,大矢量和中矢量均獨立存在[12-19],例如(0,-1,-1)和(1,0,0)為一對開關狀態不同,但是輸出電壓相同的小矢量。

2 共模電壓的來源

在逆變器并網過程中,不可避免地產生了共模電壓,共模電壓會降低并網電流質量,也會減少設備的使用壽命,同時會對相關設備產生干擾,并對設備和操作人員產生傷害,因此,抑制共模電壓非常重要。

由圖1可知,參考電位O 點與負載中性n點之間的電壓即為該逆變器的共模電壓,抑制共模電壓即為減小此處電壓,當電路三相對稱時,根據基爾霍夫電壓定律可知:

其中,SA、SB、SC為開關函數。當開關打開時,用1表示；開關關閉時,用0表示,對3個開關分別進行賦值代入,得共模電壓與開關狀態關系,具體關系見表2。

表2 開關狀態與共模電壓關系

因此,為抑制逆變器共模電壓,應盡可能選擇共模電壓小的矢量。

3 傳統七段式空間矢量調制策略

傳統空間矢量調制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)策略分為以下3個步驟:

步驟1 區域判斷。根據理想電壓矢量的幅值及角度確定其所在空間矢量的具體位置。

步驟2 時間計算。確定合成理想電壓矢量所需的基本電壓矢量,再分別計算各個基本電壓矢量的時間。

步驟3 時間分配。確定開通順序,再將所計算的時間分配給相應的基本矢量,完成矢量控制。

具體過程以矢量坐標轉化作為矢量控制的主要手段。當負載是三相交流時,可以將三相坐標轉化為α-β坐標系,用于分析理想的電壓合成矢量,如圖3所示。

圖3 電壓合成矢量

在SVPWM 算法中,將整體分成6個部分,每π/3為一個大扇區,共有6個大扇區。以大扇區Ⅰ為例進行分析,其他扇區通過旋轉一定角度可以轉換到大扇區Ⅰ,這主要得益于各個大扇區之間具有旋轉對稱性,極大程度地降低工作量,便于觀察、分析和研究。根據大扇區的判斷和轉換,對小扇區的判斷集中在大扇區Ⅰ,轉換到大扇區Ⅰ中的矢量Uref如圖4所示。

圖4 大扇區Ⅰ區域

假設Uref處于大扇區Ⅰ的3小扇區內,選取U1、U2、U7作為基礎合成矢量,將坐標代入,得到作用時間為

若參考電壓矢量落入其他位置,方法相同。在確定大扇區位置后,利用旋轉將其轉換到大扇區Ⅰ中,根據上述公式判斷小扇區位置,同時確定基本矢量,利用式(3)求解出每個基本矢量的作用時間。運用此方法,無論參考矢量落在何區域,所有基本矢量的作用時間都可求解出。

確定電壓矢量作用順序時,要考慮盡可能減小開關損耗,脈沖序列盡可能對稱,基本電壓矢量切換時,不能P-N 間直接轉換,要通過O 進行過渡。以大扇區Ⅰ為例,列舉出6個小扇區的7段式開關順序見表3。

表3 三電平空間電壓矢量發波順序

以大扇區Ⅰ中的小扇區2為例,進行7段式時間分配。采用7段式對稱式發波,滿足消除偶次諧波要求,也使冗余矢量在中點電壓調控得到應用。一個采樣周期Ts內,電壓矢量的時間分布圖,如圖5所示。

圖5 七段式時間分布

同理,其他區域的基本矢量也以此方法來分配時間。

圖6 線電壓仿真效果

圖7 共模電壓仿真效果

4 虛擬空間矢量法及其改進

4.1 傳統虛擬空間矢量法

傳統虛擬空間矢量法有利于控制中點電位平衡,通過選取合適的矢量,合成出新的小、中、大矢量。在合成新的矢量過程中,需滿足一個開關周期內,平均中點電流為零,從而抑制中點電位波動,提高逆變器工作效率[20]。以大扇區Ⅰ為例,傳統虛擬空間矢量法中的空間矢量如圖8所示。之間,與推導范圍一致,為實現減小共模電壓,需選擇合適的開關組合。

圖8 傳統虛擬空間矢量

圖9 傳統虛擬矢量調制法的共模電壓仿真效果

4.2 改進型虛擬空間矢量法

以大扇區Ⅰ為例,改進型虛擬空間矢量法中的空間矢量如圖10所示。

圖10 改進型虛擬空間矢量

圖11 改進法的線電壓仿真效果

圖12 改進法的共模電壓仿真效果

5 結 語

本文針對T型三電平逆變器的調制策略進行優化,使其能夠更好地抑制共模電壓。介紹了T型三電平逆變器的拓撲結構特點以及共模電壓的產生來源、傳統空間矢量調制法的各個步驟,解釋了傳統虛擬矢量調制的差別和優點,同時針對現有問題,對調制方法進行了改進,即得到優化后的虛擬空間矢量調制法。通過選用合理的共模電壓較小的基本矢量,達到了較好抑制共模電壓的效果。在Matlab中建立了仿真模型,驗證了所提出的優化調制策略具有抑制共模電壓的效果。