空间矢量PWM在大功率IGCT三电平NPC

1、空间矢量PWM在大功率IGCT三电平NPC变流器中应用的研究绳伟辉1 李崇坚1 朱春毅1 兰志明1 王成胜21. 冶金自动化研究设计院 2. 中国科学院电工研究所，中国科学院研究生院摘要：在高压大容量的交流传动系统中，由新型开关器件IGCT构成的大功率三电平中点箝位式变流器结构正在被广泛采用。由于IGCT器件比拟低的开关频率，使得基于它的变流器的调制方法与一般的基于IGBT的变流器有很大的不同。详细阐述了电压空间矢量PWM方法SVPWM在三电平中点钳位式变流器NPC中应用的原理，并在一套基于IGCT的7.5MVA大功率三电平中点钳位式变流器上进行了验证，实验结果证实了理论的正确性。关键词：空间

2、矢量PWM 三电平 IGCTInvestigation on the Space Vector PWM for Large Power Three-level Convertor Equipped with IGCTsSheng Weihui Li Chongjian Zhu Chunyi Lan Zhiming Wang ChengshengAbstract：In high voltage large power ac drive systems, the three-level NPC convertors equipped with IGCTs are widely used now.

3、The modulate methods for convertors equipped with IGCTs have much more difference from that with IGBTs. In this paper, the principle of space vector PWM (SVPWM) for three-level NPC convertor is introduced. Based on this method, a experiment is carried out on a 7.5MVA three-level NPC convertor system

4、 equipped with IGCTs. The experiment results show that the principle is correct.资料个人收集整理，勿做商业用途Keywords： SVPWM three-level IGCT1611 引言采用高压大电流的电力半导体开关器件和多电平的拓扑结构是中高压大容量变流器的有效解决方案2,3。自1997年IGCT器件进入市场以来，其优良的特性使其在中高压大容量的场合极具竞争力。目前国外著名的电器公司如ABB、Siemens、GE、Ansaldo均推出了各自的基于IGCT的中高压大容量多电平变流器。IGCT大有取代GTO的趋势。

5、三电平中点箝位式变流器在中高压大功率场合应用中相对于传统两电平变流器所表现出来的明显优势，引起了广泛的关注。各种适合于三电平的调制方法中，电压空间矢量调制方式不仅可以降低开关频率，提高电压利用率，而且在中点电压控制方面也易于实现，非常适于大功率场合的应用1,4。本文详细研究了三电平中点箝位式变流器电压空间矢量PWM控制算法，对开关矢量的发送方式进行了优化，提出一种首发小矢量的方法，可以保证在扇区之间和扇区内部各小扇区之间的平滑切换。该算法在一套基于IGCT的7.5 MVA大功率三电平中点箝位式变流器上进行了验证。2 三电平中点钳位式变流器电压空间矢量控制原理三电平中点箝位式变流器逆变侧主回路如

6、图1所示。如果Vdc1Vdc2Vdc/2，那么三电平的每相电压都有3个电平状态：Vdc/2、0和Vdc/2。图1 三电平中点箝位式变流器逆变侧主回路用公式来定义三电平的电压空间矢量为 1式中，代表该矢量的3个开关函数，取值范围为1，0，1；。图2为三电平变流器电压空间矢量分布图，其中P，0，N分别表示交流侧电压为Vdc/2、0、Vdc /2。为表达方便，从a轴开始，沿逆时针方向每60°分为一个扇区，依次为第1扇区至第6扇区。图2 三电平PWM变流器的电压空间矢量分布图根据参考电压矢量Vref的模长Vref和相角，就可以确定出由哪3个电压空间矢量来等效Vref，并计算出各个电压空间矢量

7、的作用时间。3 三电平中点钳位式变流器电压空间矢量调制方法下面将以Vref在第一扇区为例进行详细分析。当Vref的角度大于60°时，可以类似地分析。图3为第一扇区内电压空间矢量作用时间的分配。图3 第一扇区开关矢量作用时间分配图根据式(1)可以计算出在0°60°内的各个电压空间矢量。为了尽快确定Vref处于图3中哪个小三角形区域，可以先假设Vref位于第3区域内。该区域个顶点矢量分别为V01，V12，V02，假设这个顶点相应的矢量作用时间依次为ta0， tb0， tc0，于是有V01·ta0+ V 12·tb0+ V 02·tc0=

8、V ref·Tsta0+ tb0+ tc0= Ts 2式中：为电压空间矢量PWM的开关周期。将Vref和V01，V12，V02代入上式，可以得出，的值，分别为 3根据得到的，值的情况，可以确定Vref所在区域和各3个电压空间矢量持续的时间，如表1和表2所示。表1 给定矢量位置与，的关系区域1yesnoyes2yesyesno3yesyesyes4noyesyes表2 第一扇区各区域开关矢量作用时间分配区域12344 三电平中点钳位式变流器电压开关矢量的顺序选择、优化和时间安排在确定了代替Vref的3个电压空间矢量及各自作用时间之后，就可以进行电压空间矢量发送顺序的选择了。在选择发送顺

9、序时，应尽量保证电压空间矢量在每次切换时只有一个开关函数动作，并且这个开关函数每次只能跳变一个电平。图4 第一扇区小扇区划分本文选用了常用的7段式PWM发送方法。图4为第一扇区小扇区的划分方法，将第一扇区分成了6个小扇区进行电压空间矢量顺序的选择。第2到第6大扇区，可以采用同样的方法进行分区。考虑到主开关器件IGCT的开关频率比拟低，需要尽量减少开关器件的动作次数，所以要对电压空间矢量发送顺序进行优化。下面以位于图4所示的第一扇区第2小扇区的电压空间矢量为例来分析如何对发送顺序进行优化。为了保证不同区域的矢量在相互转换的过程中变化最少，选6个小矢量为起始矢量。同时，为了尽量减少输出电压中共模电

10、压的含量，在每个PWM周期中使起始矢量中P型小矢量和N型小矢量的作用时间相等，这样在在区域2中矢量的发送次序共有8种：1)V01N,V12,V02P,V01P,V02P,V12,V01N2) V01N,V12,V02P,V01P,V02N,V12,V01N3)V01N,V02P,V12,V01P, V12,V02P, V01N4) V01N,V02P,V12,V01P, V12,V02N V01N5) V01P, V12,V02P, V01N, V02P,V12, V01P6) V01P, V12,V02N, V01N, V02N,V12, V01P7) V01P, V02P,V12, V01

11、N, V12,V02P, V01P8) V01P, V02N,V12, V01N, V12,V02N, V01P表3描述了这8种情况下每相桥臂开关状态变化的次数。表3 不同情况下各相开关状态变化次数桥臂开关状态变化次数(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)A26222226B62424264C22626226综合上述的8种情况，可以发现第4种和第6种方法各相的开关状态变换了两次，较其他几种方式开关次数有很大的优化。此方法可以推广到本扇区各小扇区和其它扇区。按此法可得一正一负两套小矢量先发开关次数最少的矢量表。在大扇区之间或者大扇区内不同小扇区间切换时，只要电压空间矢量每步跨过的空间电

12、角度不超过60°就可以保证每次切换只有一个开关函数动作且开关函数每次只跳变一个电平。各个电压空间矢量的时间分配方法如下。假设在某个PWM开关周期内，Vref用、和表示(其中为小电压矢量)，它们对应的时间分别为，和，且有3个矢量的开关顺序和占有时间依次为选取时间的分配公式如下 4式中，是为了进行直流电容电压补偿而专门引入的时间变量。5 三电平中点钳位式变流器电压空间矢量调制方法的实验验证为了验证本文提出的SVPWM算法的有效性，在一套基于IGCT的7.5 MVA三电平中点钳位式变流器系统上针对电抗器负载进行了实验。主回路所采用的IGCT型号为5SHY 35L4503，标称最大值为4 5

13、00 V/4 000 A，直流电容为C1C210.44 mF,正负半边母线电压分别闭环控制。控制系统以TI的TMS320F2812为控制核心，VMIC工控机作为上层管理界面。图5给出了变流器进行大电流实验的波形。此时负载为三相电抗器，电感值2 mH，Y型接法，直流母线电压为Vdc=1 600 V，输出电流最大值为1 650 A，此时变流器运行于三电平状态。图5 大电流实验波形6 结论本文详细阐述了空间矢量调制方法在三电平中点箝位式变流器上应用的机理，提出了一种小矢量先发的开关次数最少SVPWM算法，实验结果证明本文所提出的调制算法是正确且有效的。图6给出了变流器拖动某大型直线同步电机负载时的波形，此时直流母线电压为Vdc=3 200 V，输出电流最大值为675 A，此时变流器运行于两电平状态。图6 带同步电机负载实验波形实验结果验证了本文所提理论是