【《NPC型三电平逆变器SVPWM调制策略》3800字】

NPC型三电平逆变器SVPWM调制策略随着电力电子技术的进步，目前逆变器多采用多电平脉宽调制技术。载波调制和空间矢量调制是PWM技术应用于三电平逆变器的两种具体方案，其中空间矢量调制技术以其更高的直流电压利用率和良好的输出特性因而更受欢迎。本章主要讨论SVPWM方法调制NPC型三电平逆变器的具体流程。1.1NPC型三电平逆变器的空间电压矢量分布SVPWM方法最早应用于电机控制领域，近些年发展成为多电平逆变器优良的调制策略。相比于传统的SPWM方法，该方法输出的谐波电流更小，直流电压利用率更高，更易实现数字化。SVPWM方法的本质是使三相输出电压合成的旋转电压矢量按照圆形轨迹运动，这就要求三相的电压大小按照正弦规律变化。由此定义三个空间电压矢量Va、Vb、Vc，其表达式为： Va=式中Vm为相电压最大值，ω为系统角频率。三个电压矢量合成的旋转电压矢量可表示为： V=23根据2.3章节的推导可知，逆变器每相能输出三种开关状态，用开关状态表示相电压： Va=将（3-3）式带入（3-2）式可求得开关状态与合成旋转矢量的关系式： V=Udc根据第三章结论，逆变器三桥臂可以输出P、O、N三电平，P、O、N也可以代表逆变器的三个开关状态，这意味着SA、SB、SC的取值为1、0、-1，逆变器33=27个开关状态可以构成空间矢量图的27个基本矢量，这些矢量可用PPP、POO、PON、PNN等来表示。结合2.3章节推导及式(3-4)可得出αβ坐标系下的三电平逆变器矢量图由六个大三角构成，共有27个基本电压矢量，每一个电压矢量代表三相桥臂开关状态，根据矢量模长的大小，可以把这些基本矢量划分为基本零矢量、基本小矢量、基本中矢量和基本大矢量，如表3-1所示。基本零矢量的模长为零，由PPP、OOO、NNN三个矢量构成，冗余度为3。其中PPP、NNN对中点电位没有影响。基本小矢量模长为Vdc/3，POO、ONN等都属于小矢量，冗余度为2。中矢量模长为3Vdc/3，例如PON、OPN等都属于基本中矢量，冗余度为1。小矢量和中矢量都至少有一个输出端与中点相连，并和直流侧的正母线或负母线形成回路，对电容进行充放电，导致中点电压波动。基本大矢量模长为2Vdc/3，PNN、PPN等都属于基本大矢量，其冗余度为1。由于大矢量输出端没有与中性点相连，而是全部连接在正母线或负母线上，所以对中点电压不产生影响。由于冗余小矢量的存在，可以通过调整小矢量的作用时间补偿中矢量造成的中点电压偏移，这将在第四章中介绍。图3-1空间电压矢量图表3-1NPC型三电平逆变器空间电压矢量分类矢量类型空间电压矢量冗余度零矢量PPP、OOO、NNN3小矢量POO、ONN、PPO、OON、OPO、NON、OPP、NOO、OOP、NNO、POP、ONO2中矢量PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO1大矢量PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP11.2空间矢量调制策略空间矢量调制技术的理论基础是矢量合成原理和最近三矢量合成法则(NTV原则)。其算法实现主要包含以下几个步骤：(1)确定参考矢量所在位置，主要包括判断矢量所在的大扇形和将大扇形划分为六个小扇区后具体的小扇区。(2)根据NTV合成法则确定各基本矢量的作用时间。(3)确定逆变器的开关顺序。1.2.1参考电压矢量区域的判定首先定义参考电压矢量： Vref=|式中，|Vref|为参考电压矢量的模值，θ参考电压矢量本质上是1.1章节中三个电压矢量合成的旋转电压矢量，需要判断它在空间电压矢量图中的具体位置。表3-2大扇形的判定方法大扇形ⅠⅡⅢⅣⅤⅥθ0~π3~2π3~π~4π35π3~图3-2小扇区的划分方法首先判断参考电压矢量所在的大扇区。根据图3-1可以发现，空间电压矢量图被划分成了6个大扇形，从α坐标轴出发，每旋转60°划分出一个扇区，定义这六个扇区分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。通过参考电压矢量的空间角度θ来判定Vref在求得Vref所在大三角形后，需要明确其所在小区。图3-2将一个大三角形划分成了6个小三角形。图中蓝色矢量为参考电压矢量Vref，V0为基本零矢量，VS1和VS2为两个基本小矢量，VM1为基本中矢量，VL1和VL2为两个基本大矢量。四条直线L1、L L1:式中Vα为αβ坐标系下的α轴分量，Vβ为αβ坐标系下的表3-3子扇区的划分标准子扇区编号线性条件13Vα23Vα33Vα+V43Vα+V516V经过上述分析可以判断参考电压矢量Vref1.2.2NTV法则及基本电压矢量作用时间的计算本文采用使用最为普遍的最近三矢量合成法则进行参考电压矢量的合成，NTV法则定义如下：在一个采样周期Ts内，αβ坐标系下的任意参考电压矢量Vref都可以由相距它最近的三个基本电压矢量来合成。例如对于图3-2中的参考电压矢量，Vref落在Ⅰ扇区的5区域，它可以由VS1、V接下来的步骤是通过计算各基本矢量的作用时间确定各全控开关管的作用时间。基于伏秒平衡原理可以得知采样周期内Vref TSV式（3-7）中，TS为一个开关周期，Vx、Vy、Vz为三个基本电压矢量，Tx现在假设参考电压矢量Vref TSV式中，VS1为基本小矢量，包含开关状态POO和ONN；VM1为基本中矢量，包含开关状态PON；VL1为基本大矢量，包含开关状态PNN。TS1、 VS1=将式（3-9）带入式（3-8）可得合成Ⅰ扇区5区域参考电压矢量Vref TS1=2式中，M为调制度，其表达式为： M=3V对于Ⅰ扇区的其余子扇形，可用同样的方法求得，这里不再赘述，直接给出当参考电压矢量落在其他子扇区时基本电压矢量的作用时间，如表3-4所示。当参考电压矢量Vref'落在其他五个大扇区时，假设 TSV式（3-12）中的Vref Vref'式中，Vref为参考电压矢量Vref'逆时针旋转表3-4Ⅰ扇区基本电压矢量的作用时间小扇区TTT12MT2M22M2MT3TTT4TTT522MT62T2M1.2.3开关序列确定经过前文的基本电压矢量作用时间计算后，需要确定功率开关管的开关时刻，为了降低谐波电流和防止逆变器运行过程中发生空间电压矢量突变由此带来的安全性隐患，此时必须遵循以下原则：（1）逆变器的一个采样周期内，只允许P、O和O、N这两种类型的电平切换，不允许P、N电平直接切换，目的是防止因一相桥臂四个功率开关同时动作可能造成的短路现象而损坏功率开关管。（2）逆变器每次空间电压矢量的变换，只允许一相桥臂的开关状态发生改变，这样能最大程度地降低开关损耗。（3）NPC型三电平逆变器一个采样周期的第一次开关动作应统一选择正小矢量（正小矢量主要包括POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP）或负小矢量（负小矢量主要包括ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO），这样能够确保各子扇区基本矢量的平滑切换，避免空间电压矢量的产生突变，提高直流电压利用率降低。根据以上原则可以设计出七段式对称的发波顺序，以参考电压矢量落在大扇区Ⅰ为例，详见表3-5，本文选择以正小矢量为首发矢量。同理可得当参考电压矢量落在空间电压矢量图的其他扇形时的逆变器开关序列，本文不再单独列出。可用图3-3表示参考电压矢量落在扇区Ⅰ时的七段式发波序列图。图中的T0、T1、T2、T3、T4、T5分别表示图3-2中对应的5个基本电压矢量V0、VS1、VS2表3-5扇区Ⅰ的开关序列小扇区编号开关序列1POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO2PPO-POO-OOO-OON-OOO-POO-PPO3PPO-POO-PON-OON-PON-POO-PPO4POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO5POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO6PPO-PPN-PON-OON-PON-PPN-PPO(a)小扇区1开关序列(b)小扇区2开关序列