三電平空間矢量調(diào)制變流器的研究

1、電力與新技術(shù)專題之微電網(wǎng)中三電平空間矢量調(diào)制變流器的研究姓名：葉青峰 學(xué)號：2015120506019 前言 隨著基于可關(guān)斷電力電子器件的柔性輸配電裝置及高壓變頻設(shè)備的快速發(fā)展,多電平變流器及相關(guān)技術(shù)日益成為研究的熱點(diǎn)"目前,微電網(wǎng)雖然仍以低電壓等級為主,但對于風(fēng)電場這類容量較大的分布式發(fā)電,低壓線路傳輸顯然很不經(jīng)濟(jì),而且多電平變流器還具有開關(guān)損耗小！諧波含量少等優(yōu)點(diǎn),這對于減少諧波污染,改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量有著重要的作用"調(diào)制技術(shù)是多電平變流器的關(guān)鍵核心技術(shù),特別是空間矢量調(diào)制技術(shù)以其直流電壓利用率高!易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)!開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn),一直受到相關(guān)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。 中

2、點(diǎn)箱位式三電平變流器相對于傳統(tǒng)兩電平變流器具有明顯的優(yōu)勢,從而在中高壓大功率的場合得到了廣泛的應(yīng)用:由于開關(guān)器件承受的電壓僅為直流母線電壓的一半,對于給定的功率半導(dǎo)體器件,這種特性使得電壓型變流器的功率等級提高了一倍;而且這種功率等級的提高并不需要增加額外的硬件設(shè)施,進(jìn)一步降低了無源器件的尺寸!重量和費(fèi)用,同時也改善了輸出波形的質(zhì)量。但三電平變流器也存在一些問題值得研究和解決,尤其是中點(diǎn)電壓平衡問題。如果中點(diǎn)電壓波動太大或者發(fā)生偏移,會導(dǎo)致輸出電壓波形發(fā)生畸變,甚至可能擊穿電力電子器件。本章主要對三電平空間矢量調(diào)制變流器的控制原理及特點(diǎn)作一個詳細(xì)的介紹。1 三電平空間矢量調(diào)制原理 對于三電平變

3、流器的控制,目前常用的控制策略有正弦PWM(SPWM)和空間矢量PWM(SVPWM)"本節(jié)主要對SVPWM的控制原理進(jìn)行討論,它是采用變流器可能輸出的矢量組合去逼近目標(biāo)矢量的方式來實(shí)現(xiàn)對開關(guān)器件的控制,分為開環(huán)和閉環(huán)兩種"開環(huán)的方式即為計(jì)算好當(dāng)前所需要得到的矢量,然后決定采用相應(yīng)的輸出矢量去逼近;閉環(huán)的方式通過計(jì)算的方式來得到開關(guān)狀態(tài)和作用時間,同時還對實(shí)際的輸出電量參數(shù)進(jìn)行解禍!辨識,將辨識好的參數(shù)反饋,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行,使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和控制精度大大提高。SVPWM的優(yōu)點(diǎn)是對輸出矢量直接控制,開關(guān)次數(shù)少,直流電壓的利用率高,缺點(diǎn)是當(dāng)電平數(shù)大于三時,計(jì)算量非常大,實(shí)現(xiàn)難度較

4、大"1.1三電平變流器的結(jié)構(gòu) 空間矢量調(diào)制技術(shù)最初源于電動機(jī)磁鏈跟蹤技術(shù),在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,必須保證定子電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)的磁場,這種以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)合理控制開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷控制就是磁鏈跟蹤技術(shù)。圖1一1三電平變流器主電路 圖1一1給出了三電平變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖,對于普遍意義上的SVPWM方法,空間一詞僅具有數(shù)學(xué)上的意義,無實(shí)際物理意義"該方法從數(shù)學(xué)角度出發(fā),將變流器三相電壓定義在互差120"的坐標(biāo)軸上,經(jīng)矢量合成后形成a一坐標(biāo)系下的空間電壓矢量Us為： （1-1）式中,Ua、Ub、Uc為三相輸出電壓。在三電平變流器主電路結(jié)構(gòu)中,

5、每相每次只有相鄰的兩個開關(guān)管導(dǎo)通,這樣就形成了三個開關(guān)狀態(tài),每相的電壓也就只有三種狀態(tài):、0、-。這里我們引入開關(guān)函數(shù) （i=a、b、c），具體定義如下： （1-2） 對于中點(diǎn)箱位式三電平變流器,建立等效的開關(guān)模型,如圖1-2所示。圖1-2 等效開關(guān)模型示意圖從圖中可以看出,三電平變流器三相開關(guān)狀態(tài)的排列組合后一共有27種開關(guān)狀態(tài)"1.2空間矢量的分類在兩相靜止a-坐標(biāo)系中,固定的開關(guān)狀態(tài)形成了固定分布的基本矢量,27種開關(guān)狀態(tài)可以形成27個空間基本矢量,如圖1-3所示。根據(jù)模長的不同,這些矢量可以分為零矢量!小矢量!中矢量和大矢量,其中零矢量和小矢量都是冗余的"每個中矢量

6、和大矢量都對應(yīng)一種固定的開關(guān)方式,而6個小矢量都有兩種不同的開關(guān)狀態(tài),零矢量有三種不同的開關(guān)狀態(tài)。每一種開關(guān)狀態(tài)可以用一個十六進(jìn)制控制字的形式表現(xiàn),這樣便于保證各開關(guān)管輸出的同步性"開關(guān)管編號S1-S12對應(yīng)了從低到高的十二位二進(jìn)制數(shù),”0”表示該開關(guān)管關(guān)斷,”1”表示開通,每四位二進(jìn)制數(shù)表示一相開關(guān)管的開斷組合,比如小矢量336對應(yīng)的C相的二進(jìn)制表示為”0110”,即S2、S3導(dǎo)通,S1、S4關(guān)斷。這樣控制的一個優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)確定了一個矢量以后,可以通過邏輯電路實(shí)現(xiàn)對十二個開關(guān)管的同步控制,而且中間的轉(zhuǎn)換過程比較簡單直觀。圖1-3三電平逆變器空間電壓矢量圖1.3空間矢量的合成圖1-4扇

7、區(qū)I的空間電壓矢量圖三電平變流器中,基本電壓矢量只有19種。因此,對于新增加的空間矢量是不能直接通過開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的,新增加的空間矢量必須通過電壓空間的基本矢量經(jīng)過解空間矢量方程來合理的分配基本電壓矢量作用時間來等效形成的。在對空間電壓矢量進(jìn)行分析時,由于其對稱性可以只取其中一個扇區(qū)分析,其他區(qū)的情況類似,現(xiàn)取第一扇區(qū)作詳細(xì)討論,如圖1-4所示"當(dāng)確定了參考電壓矢量后,就可以按照伏秒平衡原則,由構(gòu)成其所在分區(qū)的基本電壓矢量(U0-U5)來實(shí)現(xiàn)其合成"為了減少變流器輸出電壓的諧波,合成空間矢量時候選取基本空間矢量一般都盡量用空間矢量頂點(diǎn)所在區(qū)域的最小三角形的三個頂點(diǎn)上的矢量。

8、如圖中空間矢量落在C分區(qū)內(nèi),則按照上面的合成原則選取基本電壓矢量U1、U3、U4來形成"三個矢量的作用時間T1、T3、T4可以通過伏秒平衡原則計(jì)算得到:（1-3） 式中,為空間矢量調(diào)制的控制周期。在其他幾個分區(qū)也可以通過類型的方法選取基本電壓矢量并計(jì)算每個矢量分別作用的時間。2中點(diǎn)電壓波動的產(chǎn)生和抑制所謂中點(diǎn)電壓波動,是指在多電平逆變器中,由于直流分壓電容充放電不均衡造成中點(diǎn)電壓不平衡"中點(diǎn)電壓的增減取決于開關(guān)模式的選擇!負(fù)載電流方向!脈沖持續(xù)時間及所選用的電容等,這一電壓不平衡會引起直流側(cè)電容電壓過高和輸出電壓的畸變等一系列不良后果;另外變流器某些開關(guān)管承受的電壓增高,從

9、而降低了系統(tǒng)的可靠性,中點(diǎn)電位波動也降低了直流側(cè)電容的壽命?？傊@種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固有優(yōu)點(diǎn)在中點(diǎn)電位不平衡時喪失殆盡。2.1中點(diǎn)電壓波動的原因造成中點(diǎn)電壓波動的原因主要有兩個:一個是由于開關(guān)器件本身的雜散特性不一致；另一個是由變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自身固有的特點(diǎn)所造成的"這里對于由開關(guān)器件自身特性不一致引起的中點(diǎn)電壓波動問題暫不討論,主要討論一下由第二個原因引起的波動問題。三電平變流器在能量轉(zhuǎn)換時候中點(diǎn)電位參與能量的傳輸,因此會產(chǎn)生兩個電容電壓分壓不均的問題。對于圖1-2所示的等效模型,有以下關(guān)系式：（1-4） 中點(diǎn)電壓和流出中點(diǎn)電流的關(guān)系可以表示為：（1-5）由式(1-5)可以看出,只要

10、中點(diǎn)有電流流過,即只要三相中有開關(guān)連接到中點(diǎn)的時候(三相同時除外),就可能影響中點(diǎn)的電位,且中點(diǎn)電流的方向決定了中點(diǎn)電壓飄移的方向。2.2中點(diǎn)電壓波動的抑制在分析了中點(diǎn)電壓產(chǎn)生波動的原因和引起波動的中小矢量關(guān)系后,就可以通過控制手段對其進(jìn)行抑制。由于中點(diǎn)電壓波動問題是電容箱位式三電平變流器的固有問題,不可能完全消除,因此,通過適當(dāng)?shù)目刂剖挂粋€控制周期后中點(diǎn)電位重新歸于0是首要解決的問題。雖然在控制周期內(nèi)中點(diǎn)電位有所波動,但當(dāng)這一周期很小時,這種波動可以忽略。圖2-1重新分區(qū)后的空間電壓矢量圖對于三電平變流器的中點(diǎn)電壓平衡問題,提出了一種基于中矢量由冗余小矢量合成的空間矢量調(diào)制方法,進(jìn)行了中點(diǎn)電

11、壓控制的研究,取得了較好的結(jié)果,但該文所給出的調(diào)制方法對于系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的中點(diǎn)偏移情況卻沒有討論.本節(jié)在上述方法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法,該算法通過對不同開關(guān)狀態(tài)時電容的充放電特性進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了對中點(diǎn)電壓進(jìn)行精確控制,有效的抑制了中性點(diǎn)電壓的波動。如圖1-6所示,當(dāng)電壓矢量U1作用時,它有兩種不同的矢量狀態(tài)366和6CC,他們對中性點(diǎn)電壓的作用是相反的,前者中性點(diǎn)流出的電流為一ia,在它的作用下,中性點(diǎn)電壓上升(假設(shè)ia>0);后者為ia,在它的作用下,中性點(diǎn)電壓下降。因此,可以利用成對出現(xiàn)的正負(fù)小矢量的這個特點(diǎn)對中性點(diǎn)電壓波動進(jìn)行控制,但是當(dāng)調(diào)制深度較大時,一個控制周期內(nèi)中矢量

12、的作用時間將占絕對優(yōu)勢,其引起的中點(diǎn)電壓偏移將很難通過正負(fù)小矢量來平衡,從而使中點(diǎn)電壓波動較大。本節(jié)在這一基礎(chǔ)上采用如圖1-7所示的分區(qū)方式,圖中將扇區(qū)I分成A-E五個小分區(qū),每個分區(qū)都是由三個基本矢量所張成,與原先的分區(qū)方法(如圖中虛線所示)所不同的是該分區(qū)形式需要引入一個虛擬的中矢量Uv,它是由矢量U1、U2及U4按照中性點(diǎn)電流平衡原則合成的。 由前面的分析可知,小矢量6CC作用時中點(diǎn)電流為ia,小矢量336作用時中點(diǎn)電流為ic,中矢量36C作用時中點(diǎn)電流為魂,在變流器正常運(yùn)行時,三相電流對稱,如果將中矢量的作用時間平均分配給這三個矢量,則它們對中點(diǎn)電流的作用效果可以表示為氣=(ia+ib

13、+ic)/3=0?；谶@個思想,可以定義虛擬中矢量為: （1-6） 式中,Uv為虛擬電壓矢量?；谶@個原理形成新的矢量重新分區(qū)后,構(gòu)成任何一個分區(qū)的矢量都能平衡中點(diǎn)電流,從而對中點(diǎn)電壓的波動起到了很好的抑制作用。3 三電平SVPWM變流器的仿真分析本節(jié)采用PSCAD/EMTDC仿真軟件對本章所提出的三電平變流器空間矢量控制方法進(jìn)行仿真研究。PSCAD/EMTDC允許用戶自定義仿真模塊,為了使仿真研究具有通用性和可移植性,本仿真通過C語言自定義了SVPWM矢量序列的產(chǎn)生模塊使仿真計(jì)算不必受到自帶元件模型的限制,從而增強(qiáng)了仿真的靈活性。3.1仿真參數(shù) 在已知參考矢量的前提下，為了驗(yàn)證本章提出的控制

14、算法的有效性，仿真利用三相對稱的阻感性負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。負(fù)載參數(shù)如下:額定電壓為380V,阻抗為14，功率因數(shù)為0.89。變流器參數(shù)如下:直流電壓為540V,輸出交流電壓為380V,基波頻率為50Hz,直流電容為200uf，控制周期為500us，IGBT最小開通時間為20us。3.2仿真結(jié)果分析 圖3-1為變流器輸出的相電壓!相電流波形,圖3-2為變流器輸出的線電壓波形,從波形中可以看出本章所提出的控制策略能夠很好的控制變流器運(yùn)行。圖3-1輸出相電壓!相電流波形圖3-2輸出線電壓波形 這里對圖1-4和圖2-1所示的兩種分區(qū)格式的控制策略進(jìn)行了對比，圖3-3為這兩種分區(qū)格式下的中點(diǎn)電壓波動情況,0.

15、14秒以前為采用如圖1-4所示分區(qū)格式得到的波形,0.14秒以后采用本章改進(jìn)的分區(qū)算法得到的波形。可以看出采用本章的算法后,中點(diǎn)電壓波動得到了明顯的抑制,振幅降為前者的10%左右。除此之外,本章采用的控制算法還有很好的穩(wěn)定性,這里對三相發(fā)生不對稱故障進(jìn)行了仿真,系統(tǒng)在0.巧秒時發(fā)生AB相間故障,故障持續(xù)0.01秒,如圖3-4所示。從仿真波形中可以看出,當(dāng)故障切除以后,采用中點(diǎn)控制算法的中點(diǎn)電壓半個周波內(nèi)恢復(fù)到故障發(fā)生以前的狀態(tài)而且保持穩(wěn)定。圖3-3兩種分區(qū)格式下的中點(diǎn)電壓對比圖3-4故障情況下的中點(diǎn)電壓波形 本文介紹了多電平變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)：1、可以使用低壓小容量的器件實(shí)現(xiàn)高壓大容量的設(shè)備，并且克服了直接將開關(guān)器件串聯(lián)帶來的不足；2、對于需要的目標(biāo)輸出來講，多電平技術(shù)可以得到多個電平,可以使得系統(tǒng)輸出dv/dt大大的減少；3、由于輸出波形的組成電平數(shù)增多，可在控制技術(shù)中較容易的消除更多諧波；4、可以用較低的開關(guān)頻率來達(dá)到較理想的目標(biāo)輸出波形，大大減少器件的開關(guān)損耗。然后分析了三電平變