变频器的电压空间矢量调制控制技术研究

谢中

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司

摘要：文章主要是以二极管箝位型三电平逆变器为主要研究的对象，分析了电压空间矢量调制的主要原理以及有效控制方法，同时提出了一种以小矢量为始发的8段式方法，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键字：三电平逆变器；数学模型；空间矢量调制

1. 前言

近年来，我国许多领域都已经广泛应用到高压大容量系统。多电平变换器在中高压大容量变频领域有着其自身的优势，多电平变换器主要是通过输出波形多电平使得变换器高压容量化。文章主要是分析了三电平逆变器的基本原理，同时对其的控制措施进行了讲解。

2、三电平逆变器工作原理及数学建模

2.1、三电平逆变器基本原理

每个桥臂上串联４个功率开关管，且中间２个开关管并联２个箝位二极管，直流侧通过２个电容均压，相比于两电平逆变电路，使用相同的功率开关管可以将直流侧的电压提升一倍。在稳定工作的情况下每个开关管承受的直流电压仅为分压电容的电压，直流侧电压为Ed，每个桥臂有３种工作情况，输出分别为：Ed／２、０和－Ed／２。为了方便下文的讨论研究，令每个桥臂输出的３种状态分别为P、O、N.

2.2、三电平逆变器数学建模假设

（１）器件均工作在理想情况下；（２）功率开关器件的导通和关断不考虑死区时间。二极管箝位型三电平逆变器的每个桥臂均有３种工作情况，可以把每个桥臂比成同直流侧相连的单刀三掷开关。二极管箝位型三电平逆变器功率开关器件的工作情况表示如下：Sk＝１　　第k相输出与点P相连，输出电平P０　第k相输出与点m相连，输出电平O－１　第k相输出与点N相连，输出电平N（１）其中，k＝a、b、c。电路工作在稳定情况下时，直流侧向分压电容C１和C２充电，２电容将直流侧电压均分为Ed／２，令E＝Ed／２，选择O点为参考点，那么三电平逆变器的k相工作状态为：Uk＝Sk・E（２）那么对于对称负载（Y型连接），负载的中点n同参考点O电压为：UnO＝（Sa＋Sb＋Sc）E／３（３）则三相对称负载电压为：Ukn＝E［Sk-（Sa＋Sb＋Sc）／３。

3、三电平逆变器控制策略

3.1、三电平电压空间矢量调制方法

根据电压空间矢量理论可知，对于输入的参考电压可以用空间矢量图中的一个电压向量来表示，目前最常用的调制方法是取参考电压矢量周边最近的３个基本矢量来近似合成目标矢量。这种调制方法当参考矢量在扇区间切换时，其最近的３个基本矢量也将改变，此时会发生输出波形的突然变化，从而引起波形质量的下降，进而影响调速性能和系统效率。本文在SVPWM算法的基础上采用一种更为高效的调制算法，在调制周期始末全部采用中间电平，即开始和结尾采用相同的小矢量。因为相邻的小矢量的开关状态相差一个，因此保证了参考电压在扇区间切换时输出波形的质量，同时也提高了电压的利用效率。稳态情况下，三电平逆变器每个桥臂有３种工作状态，三相三电平逆变器通过不同的状态组合可有２７工作情况，即有２７种基本电压矢量。通过图３在静止坐标系α—β平面上表示出２７种电压空间矢量。在α—β平面上６个大矢量将矢量图分为６个均等的三角形区域，根据不同的电压空间矢量，将每个大扇区分为６个小三角形。参考电压空间矢量Vref通过最接近的３个空间矢量来合成，可获得最小的谐波畸变。

3.2、参考电压矢量合成原则

由于空间矢量的对称性，对６个扇区的分析可简化为对Ⅰ扇区的分析，进而得到整个区域的工作状态。依伏秒平衡原理得：T１V１＋T２V２＋T３V３＝TsVrefT１＋T２＋T３＝Ts（５）式中，Ts一个调制周期；T１、T２、T３为配合电压矢量V１、V２、V３的工作时间。由式（５）可得参考电压空间矢量的工作时间，然后依据不同的基本电压矢量来确定功率开关器件的工作情况。参考上述原则，得出三电平逆变器的电压空间矢量控制方法。该方法可分为以下几步：（１）区域判断：计算扇区的方法相对比较简单，因为扇区是将电压空间矢量均等六分，因此可依据角度的判断来确定参考电压矢量所在的大区域。小区域的判断可建立直角坐标系，根据几何原理判断参考电压矢量Vref处于哪个区域，（２）时间计算：在确定出参考电压矢量的区域后，根据相邻三矢量合成原理，选定该区域内的３个基本电压空间矢量V１、V２、V３，依据伏秒平衡原理，代入式（５），解出３个作用时间，即可得出基本空间矢量的作用时间。（３）时间状态分配：依据上述方法，分别选出基本电压矢量并算出作用时间后，通过一定的分配原则确定控制方法。根据三电平基本电压空间矢量图可以看出，大矢量与中矢量电路的工作状态只有一种情况，小矢量的工作状态有２种情况———正小矢量、负小矢量，零矢量有３种工作情况。因为中小矢量在每个工作周期中的使用频率大，为了确保输出波形的质量，因此首发矢量选用小矢量。零矢量可根据选取的基本电压矢量不同来确定作用次序。为了避免扇区切换过程中发生矢量突变，即参考电压矢量从一个扇区转移到另一个扇区时无需开关器件动作或需最少开关动作，确保输出波形的质量，电压空间矢量的选取配合控制应遵循以下原则：（１）在P、N、O３个工作状态之间切换时P、N之间不能直接切换；（２）在每个开关周期中任意两相不允许同时开关动作；（３）三相三电平逆变器中每相只允许有２次电平变化。遵循上述原则，本文首发矢量采用负小矢量，以扇区Ⅰ为例，依据对称性原则遵循上述方法可得到整个电压空间矢量的基本电压矢量的作用顺序。

4、仿真试验及结果分析

根据上述三电平电压空间矢量调制方法，实现对三电平逆变器的仿真，并和两电平逆变器进行比较。仿真的采样周期取Ts＝２×１０－４s，仿真中所用交流异步电机参数为定子电阻R１＝１２Ω，转子电阻R２＝１０畅７Ω，转子电感Lr＝０畅８０９０mH，定子电感Ls＝０畅８０９７mH，互感Lm＝０畅７１０４mH，极对数np＝２，转动惯量J＝０畅０１４８６×０畅２N・m２，仿真试验所得电压。根据逆变器输出的电压波形分析谐波次序。仿真输出电压波形为５０Hz，载波比为１００。采用傅里叶分析模块，分析总谐波系数THD，三电平逆变器输出线电压的THD为３３畅２５％，两电平逆变器输出线电压的THD为５２畅１９％，由此验证了三电平逆变器输出电压波形质量更高、谐波更小。分析交流电机定子电流谐波，由两电平逆变器控制的交流电机定子电流总谐波系数THD为１畅９４％，由三电平逆变器控制的交流电机定子电流总谐波系数THD为０畅９３％，由此可见三电平逆变器驱动电流谐波更小，电机转矩和转速更稳定。

5、结束语

由上可知，三电平逆变器和两电平逆变器进行比较，三电平的逆变器输出谐波更小且转速和转矩也更为稳定，值得被广泛应用。

参考文献

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