电压源型逆变器改进的过调制法研究.doc

电压源型逆变器改进的过调制法研究 方成辉，王润新 （上海海事大学物流工程学院，上海xx06） 摘要：为提高三相两电平电压型逆变器的直流电压利用率，通过对空间矢量脉宽调制（SVPWM）原理进行详细分析，提出一种改进的过调制法。该方法通过改变参考电压矢量的轨迹及相应的合成策略，定义了一种新的比传统过调制法所得结果具有更大基波幅值的参考电压波形。仿真结果证明该方法在直流电压利用率及输出电压的总谐波畸变率（THD）两方面都较传统过调制法有优势。 关键词：直流电压利用率；电压型逆变器；过调制法；空间矢量脉宽调制；总谐波畸变率 ：TN911.3?34：A：1004?373X（xx）20?0132?05 ：xx?04?11 StudyonimprovedovermodulationmethodforvoltagesourceinverterFANGChenghui，WANGRunxin（LogisticsEngineeringCollege，ShanghaiMaritimeUniversity，Shanghaixx06，China）Abstract：ToimproveDCvoltageutilizationratioofthree?phasetwo?levelvoltagesourceinverter，animprovedovermodula?tionmethodisproposedbyanalyzingtheprincipleofSVPWMindetail.Bychangingthetrackofreferencevoltagevectorandthecorrespondingsyntheticstrategies，anewreferencevoltagewaveformwhichhasbetterfundamentalvoltageamplitudethanthetraditionalovermodulationmethodisdefined.Thesimulationresultsshowthattheimprovedmethodhasmoresuperioritythanthetraditionalover?modulationmethodintheaspectsofDCvoltageutilizationratioandTHDofoutputvoltage. Keywords：DCvoltageutilizationratio；voltagesourceinverter；overmodulationmethod；SVPWM；THD 0引言 逆变电路将直流转换为交流，在电力电子领域占据着重要地位。其中的三相逆变电路在工程上常常用作交流电机的驱动电路。在交-直-交系统中，通过改变三相逆变器输出电压的幅值和频率可以调节交流电机的运行。在三相电压源型逆变电路中，直流电压利用率是衡量变频器调制性能好坏的重要指标1，提高直流电压利用率能有效提高逆变器的带载能力2。直流电压利用率用有效调制比M来表征：M=Vo/Vdc。其中：Vo是输出相电压基波幅值；Vdc是12的直流电源电压。 在线性调制的范围内，如果采用正弦矢量脉宽调制（SPWM），三相逆变器的Mmax仅为1，应用SPWM时常引入三次谐波注入法3?7，在正弦波中注入三次谐波可以将Mmax提升到1.15；如果采用空间矢量脉宽调制（SVPWM），Mmax能达到1.15。为了更大限度地利用直流电压，目前通常采用的方法是过调制法。 本文将详细考察过调制法的参考电压矢量的选择及合成策略，并在此基础上提出一种能获得更高直流电压利用率，同时还可以进一步降低输出电压的THD的改进的过调制法。 1过调制法的不足及本文方法的原理 调制比M是正弦参考电压对12直流侧电压取的标幺值，而实际调制比M则是输出相电压的基波幅值对12直流侧电压取的标幺值。计算表明14，当调制比M不超过23时，参考电压矢量的轨迹是圆形的，它的轨迹位于空间矢量六边形中，此时调制比M与实际调制比M之间是一种线性关系，即M=M。当调制比超过23时，参考电压矢量的轨迹V0将超出空间矢量六边形，超出部分的电压矢量将无法通过8个静止的空间矢量平均合成得到，因为在超出部分零矢量的作用时间是负值，没有意义，此时参考电压的轨迹不再是圆形，调制比M与实际调制比M之间的关系也不再是线性关系。 1.1过调制法及其不足 根据以上解析式可以画出传统过调制法的a相参考电压波形图，如图2所示，图中的电压值已对Vdc做了标幺化处理。 从图2中可以看出，电压幅值超过1的部分已经被削平，波形发生了畸变。因此，相比于圆形轨迹对应的参考电压的基波幅值，传统过调制法对应的参考电压中的基波分量的幅值将会减小。 1.2本文方法的原理 在圆形轨迹超出六边形区域，通过修改参考电压轨迹使SVPWM技术的合成条件得到满足的方法必定造成波形畸变，基波分量的幅值减小无法避免。图4中，本文方法的参考电压波形同样发生了畸变，但是，本文方法的参考电压中的基波分量的幅值要大于传统过调制法的参考电压中的基波分量的幅值。下面给出两种方法的参考电压中的基波幅值的数据对比。 2两种方法参考电压波形的对比分析 基于上述原理，在23 在调制比M相同的情况下，本文方法对应的参考电压中的基波分量的幅值要大于传统过调制法对应的参考电压中的基波分量的幅值，并且随着M的增大，两种方法对应的参考电压中的基波分量的幅值之间的差值也越来越大。 图5调制比M和两种参考电压的基波幅值的函数关系曲线3逆变器实际输出波形的仿真结果对比 本文通过Simulink仿真分别得到本文方法和传统过调制法的输出电压，然后再对比采用这两种方法得到的输出电压的基波分量幅值和总谐波畸变率（THD），通过仿真结果证明本文方法的优势。 3.1仿真模型和仿真结果 上述仿真结果是当M=1.20时本文方法的仿真结果，对于传统过调制法，本文只给出相应的仿真结果的数据，如表2，表3所示。 3.2输出电压的基波分量幅值的对比 在23 如图9所示，在23 3.3输出电压的总谐波畸变率的对比 在2/3 利用三次样条插值的方法，使用上表数据拟合一条调制比M和THD的函数关系曲线，如图10所示。 图10中，在23 4结论 本文提出了一种改进的过调制法，在传统方法的基础上改变了原有的参考电压矢量轨迹，定义了一种新的参考电压波形。经过计算，在调制比M相同的情况下，本文方法对应的参考电压的基波幅值要比传统过调制法对应的参考电压的基波幅值更大。 仿真结果证明：采用本文方法得到的输出电压在基波幅值和THD这两个指标上都要优于传统过调制法。 因此，与传统过调制法相比，本文方法在直流电压利用率方面和谐波畸变方面都得到了改善。 参考文献 1汪伟，杨宝龙，刘丽琴，等.变频装置中直流电压利用率的分析J.船电技术，xx（4）：35?36. 2梅杨，王立鹏，李正熙.提高五桥臂逆变器电压利用率的调制策略J.电工技术学报，xx，28（12）：208?214. 3IQBALA，LEVIE，JONESM，etal.GeneralisedsinusoidalPWMwithharmonicinjectionformulti?phaseVSIsC/Pro?ceedingsofxxthe37thIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference.California：IEEE，xx：1?7. 4WANGJ，AHMADID，WANGRX.OptimalPWMmethodbasedonharmonicsinjectionandequalareacriteriaC/Pro?ceedingsofxxIEEEEnergyConversionCongressandExpo?sition.SanJose：IEEE，xx：1439?1443. 5ROSUSG，RADOIC，FLORESCUA，etal.Microcontroller?basedWalshfunctionPWMmodulationwithharmonicinjec?tiontechniqueC/ProceedingsofxxIEEEInternationalConferenceonAutomationQualityandTestingRobotics.S.l.：IEEE，xx：1?6. 6COLAKI，BAYINDIRR，KABALCIE.AmodifiedharmonicmitigationanalysisusingthirdharmonicinjectionPWMinamultilevelinvertercontrolC/Proceedingsofxxthe14thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference.Ohrid：IEEE，xx：215?220. 7CARRASCOG，SILVACA.SpacevectorPWMmethodforfive?phasetwo?levelVSIwithminimumharmonicinjectionintheovermodulationregionJ.IEEETransactionsOnIndustrialElectronics，xx，60（5）：2042?2053. 8DURANMJ，BARREROF，PRIETOJ.DC?busutilizationandovermodulationperformanceoffive?phasevoltagesourcein?vertersusingmodelpredictivecontrolC/ProceedingsofxxIEEEInternationalConferenceonIndustrialTechnology.ViadelMar：IEEE，xx：1501?1506. 9GRADITIG，GRIVAG，OLESCHUKV.Overmodulationcon?troloffive?phaseinverterswithfullDC?busvoltageutilizationC/ProceedingsofxxInternationalSymposiumonPowerElectronicsElectricalDrivesAutomationandMotion.Pisa：IEEE，xx：1150?1155. 10MONDALSK，BOSEBK，OLESCHUKV，etal.Spacevec?torpulsewidthmodulationofthree?levelinverterextendingoperationintoovermodulationregionJ.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，xx，18（2）：604?611. 11LEEJS，IMWS，KIMJM.AnovermodulationmethodforspacevectorPWMinverterswithDC?linkshuntresistorC/Proceed?ingsofxxthe8thIEEEInternationalConferenceonPowerElectronicsandECCEAsia.Jeju：IEEE，xx：1997?xx. 12MAHESHWARIR，MUNK?NIELSENS，BUSQUETS?MONGES.Acarrier?basedapproachforovermodulationofthree?levelneutral?point?clampedinverterwithzeroneutral?pointcurrentC/ProceedingsofxxIEEEEnergyConver?sionCongressandExposition.Raleigh：IEEE，xx：1767?1773. 13ILIOUDISVC，MARGARISNI.Anapproachofunifiedvolt?agecorrectingalgorithmforSVPWMovermodulationC