一種新型的三相單邊三電平逆變器及其

1、PAGE PAGE 7一種新型的三相單邊三電平逆變器及其調(diào)制策略曹文燕，郭敏，張宇翔，李文鵬，張曉榮（鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，鄭州 450001）摘要：文中提出了一種新型的三相單邊三電平逆變器，其前級通過Boost變換器實現(xiàn)三電平供電，逆變部分采用一側(cè)三電平一側(cè)兩電平的形式來簡化電路結(jié)構(gòu)；分析了該電路的工作原理，并設(shè)計了適用于該電路結(jié)構(gòu)的五段工作模式空間矢量脈沖寬度調(diào)制策略，實現(xiàn)了三電平側(cè)的正常調(diào)制及兩電平側(cè)的低損耗調(diào)制。在該調(diào)制策略下，電路具有相對簡單的控制算法，而且在簡化逆變電路體積的同時仍能實現(xiàn)較低的開關(guān)損耗及輸出電壓電流較少的諧波含量。在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建模仿真，仿

2、真結(jié)果驗證了該新型電路的有效性和優(yōu)越性及其調(diào)制策略的可行性。關(guān)鍵詞：單邊三電平；逆變器；空間矢量脈沖寬度調(diào)制；仿真中圖分類號：TM 464 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1390（2015）00-0000-00A novel three-phase unilateral three-level inverter and itsmodulation strategy Cao Wenyan, Guo Min, Zhang Yuxiang, Li Wenpeng, Zhang Xiaorong(School of Physical Engineering, Zhengzhou Universi

3、ty, Zhengzhou, 450001, China)Abstract：This paper proposes a novel three-phase unilateral three-level inverter which uses Prepre-bBoost converter to implement three-level power supply and adopts three-level on one side and two-level on another side in the inverter part to simplify the circuit structu

4、re. It analyzes tThe working principle is analyzed and proposes a five segment work mode space vector pulse width modulation (SVPWM) strategy is proposed which can implement normal modulation on the three-level side and low loss modulation on the two-level side. Under this strategy, the circuit has

5、a relatively simple control algorithm, and can still achieve lower switching loss and less harmonic content of output voltage and current while reduce the volume of the inverter. Modeling in MATLAB/SIMULINK, the simulation results verify the effectiveness and superiority of the new type circuit and

6、the feasibility of its modulation strategy.Keywords：unilateral three-level, inverter, space vector pulse width modulation (SVPWM), simulation0引 言隨著高壓大功率設(shè)備在生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用對逆變器成本、效率和可靠性的要求越來越高。多電平逆變器以其輸出電壓更接近正弦波，諧波含量少，電壓應(yīng)力小，開關(guān)頻率低等優(yōu)點成為了研究熱點1-3。多電平逆變器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三類：二極管箝位型(Neutral Point Clamped，NPC)，飛跨電容型及級聯(lián)H橋型4。

7、其中二極管箝位型三電平逆變器應(yīng)用最為廣泛，但是其直流側(cè)需要較大容量的分壓電容且存在電壓不均衡問題，逆變側(cè)需要較多的功率管及箝位二極管，這使得逆變器結(jié)構(gòu)及控制變得復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的體積和成本，也影響了系統(tǒng)的性能及效率5-6。本文提出了一種新型三相單邊三電平逆變器，其直流側(cè)通過Boost變換器實現(xiàn)三電平供電；逆變部分采用一側(cè)三電平一側(cè)兩電平的形式，減少了開關(guān)器件數(shù)目，簡化了電路體積；將三相NPC型三電平逆變器的SVPWM方法7-8引入到該電路中，設(shè)計了適用于該電路結(jié)構(gòu)的五段工作模式SVPWM調(diào)制策略。最后在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建模仿真分析，驗證了該新型電路的有效性及其調(diào)制策略的可行

8、性。1新型三相單邊三電平逆變電路及其工作原理新型三相單邊三電平逆變電路如圖1所示，供電電源部分由電源E，電容C及開關(guān)管S、二極管D4、電感L構(gòu)成的Boost變換器組成。電源E一方面直接為后級電路供電，一方面通過Boost變換器升壓，從而為逆變橋路部分提供三個電平V1、V2和V3；以N點為參考點，則V1為零，V2為電源E的電壓，V3可根據(jù)實際需求選擇合適的E，并通過Boost變換器調(diào)節(jié)控制。三相逆變橋路部分由9個功率開關(guān)管及3個二極管組成。圖1 新型三相單邊三電平逆變電路Fig.1 The nNovel three-phase unilateral three-level inverter以A相

9、為例分析逆變電路的工作原理。在逆變器輸出交流電流的正半周，當(dāng)T1導(dǎo)通，T2和T7關(guān)斷時，A相電位為V3，稱此為P狀態(tài)；當(dāng)T7導(dǎo)通，T1和T2關(guān)斷時，A相電位為V2，稱此為O狀態(tài)；當(dāng)T2導(dǎo)通，T1和T7關(guān)斷時，A相電位為V1，稱此為N狀態(tài)；此時后級逆變電路工作于三電平逆變方式。在逆變器輸出交流電流的負(fù)半周，P、N狀態(tài)仍存在，但是由于二極管D1處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電流無法流進O點，A相無法得到V2電位，則O狀態(tài)不存在；此時后級電路工作于普通兩電平逆變方式。由此可見，新型逆變電路僅有半周期的時間工作于三電平方式，因而稱其為單邊三電平逆變器。2五段式空間矢量脈沖寬度調(diào)制策略2.1單邊三電平逆變器的電壓空

10、間矢量及其分布單邊三電平逆變器SVPWM方法的思想是：先假定P、O、N狀態(tài)都成立畫出SVPWM分布圖，再在分布圖中找出O狀態(tài)不存在的區(qū)域，剔除這些區(qū)域中不可以用的矢量，最后用可用矢量合成參考電壓矢量?；谌郚PC型三電平逆變器SVPWM的基本原理7-8，設(shè)相電壓峰值為Vm，頻率為f且=2f，則三相正弦參考電壓瞬時值表達(dá)式為： （1） N為直流側(cè)電壓參考點，則其輸出電壓空間矢量為： （2） 由式（2）可求出不同開關(guān)狀態(tài)（P、O、N）組合下的輸出電壓空間矢量，如表1所示，將其繪制在復(fù)平面內(nèi)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)V3=2V2時，所得圖形與三相NPC三電平逆變器的SVPWM空間矢量圖一致；當(dāng)V32V2或V32V2

11、時的中矢量，藍(lán)色線是V32V2時的中矢量。表1 新型逆變器的輸出電壓空間矢量(X = 2V3/3，Y = 2V2/3，Z = XY，k = ej/3)Tab.1 Output voltage space vector of the novel inverter長矢量負(fù)短矢量正短矢量中矢量PNNXONNYPOOZPONX+Yk2PPNXkOONYkPPOZkOPNY+Xk2NPNXk2NONYk2OPOZk2NPOXk2+Yk4NPPXk3NOOYk3OPPZk3NOPYk2+Xk4NNPXk4NNOYk4OOPZk4ONPY+Xk4PNPXk5ONOYk5POPZk5PNOX+Yk4零矢量NN

12、N OOO PPP圖2 新型逆變器的電壓空間矢量分布圖Fig.2 Voltage space vector diagram of the for novel inverter2.2小區(qū)域的劃分及判斷圖3為六大扇區(qū)在三相正弦參考電壓波形圖上的位置關(guān)系，由圖3可以找出三相電壓（電流）小于零的部分在圖2上的對應(yīng)區(qū)域（圖2中弧線包含的部分）。圖3 六大扇區(qū)在三相正弦電壓上的位置Fig.3 Six sectors on three-phase sinusoidal voltage分析圖2的扇區(qū)I、II如下：扇區(qū)I的0，/6區(qū)域：Vb0，Vc0由電路原理可知，此時B、C相沒有O狀態(tài)，即在該區(qū)域矢量OOO、

13、POO、OON、PPO、PON是不可用矢量，矢量NNN、PPP、ONN、PNN、PPN是可用矢量。而/6，/3區(qū)域：Vc0，C相沒有O狀態(tài)，矢量OOO、POO、PPO是不可用矢量，矢量NNN、PPP、ONN、OON、PON、PNN、PPN是可用矢量。扇區(qū)II的/3，/2區(qū)域：Vc0，C相沒有O狀態(tài)，矢量OOO、PPO、OPO是不可用矢量，矢量NNN、PPP、OON、NON、OPN、NPN、PPN是可用矢量。而/2，2/3區(qū)域：Va0，VcR時,Vref在小區(qū)域2、3、4內(nèi)；若則Vref在小區(qū)域2內(nèi)，若則Vref在小區(qū)域4內(nèi)，否則Vref在小區(qū)域3內(nèi)。圖4的V32V2：判定條件同V3=2V2時，

14、但是中矢量偏離了劃分各相電壓正負(fù)的虛線，導(dǎo)致當(dāng)R/6時Vref本應(yīng)判定在小區(qū)域1內(nèi)，選用扇區(qū)I的0，/6區(qū)域內(nèi)的可用矢量來合成卻被誤判在2、3、4內(nèi)，這樣將會用到本不能選用的矢量造成算法的錯誤。對于圖4的V32V2：當(dāng)/6/6則Vref在小區(qū)域3內(nèi)；若 /6則Vref在小區(qū)域1內(nèi)。（2）當(dāng) R時：若 /6則Vref在小區(qū)域2、3、4內(nèi)，若則Vref在小區(qū)域2內(nèi)，若則Vref在小區(qū)域4內(nèi)，否則Vref在小區(qū)域3內(nèi)；若 /6則Vref在小區(qū)域1內(nèi)。同理，可得到V3、V2任意關(guān)系時扇區(qū)II小區(qū)域的判定條件：（1）當(dāng) /3-R時：若 /6則Vref在小區(qū)域8內(nèi)；若 /6則Vref在小區(qū)域5、6、7內(nèi)，

15、若則Vref在小區(qū)域5內(nèi)，若則Vref在小區(qū)域7內(nèi)，否則Vref在小區(qū)域6內(nèi)。（2）當(dāng) /3-R時：若 /6則Vref在小區(qū)域8內(nèi)；若 /6則Vref在小區(qū)域6內(nèi)。2.3矢量作用次序及時間計算矢量作用次序要遵守：基本矢量必須是該區(qū)域的可用矢量且符合鄰近三矢量合成原則，任一次開關(guān)狀態(tài)變化只能有一相橋臂的開關(guān)動作，符合三電平工作的各相不能在N、P狀態(tài)之間直接切換9。起始矢量為負(fù)短矢量，則扇區(qū)I，II各小區(qū)域只有五段工作模式的矢量作用次序，如表2所示。表2 扇區(qū)I、II各區(qū)域的矢量作用次序Tab.2 Vectors sequence for each section in sector I 、II區(qū)

16、域矢量作用次序區(qū)域矢量作用次序I1I2I3I4ONN PNN PPN PNN ONNOON ONN NNN ONN OONONN OON PON OON ONNOON PON PPN PON OONII5II6II7II8OON NON NNN NON OONNON OON OPN OON NONOON OPN PPN OPN OONNON NPN PPN NPN NON 由表（2）可知扇區(qū)I、II各區(qū)域內(nèi)合成Vref的三個基本矢量由左至右依次是U1、U2、U3，Ts為采樣周期，帶入伏秒方程組： （3） 即得三個基本矢量對應(yīng)的作用時間T1、T2、T310。如圖6、7所示（I4區(qū)域）將作用時間與

17、矢量狀態(tài)結(jié)合得到中心對稱的五段式SVPWM波形，由此可得各相開關(guān)器件的驅(qū)動信號，實現(xiàn)主電路的SVPWM控制11。根據(jù)第2部分的分析，在每個采樣周期內(nèi)依次完成參考電壓矢量的區(qū)域判斷，矢量作用次序確定，時間計算及時間分配即可實現(xiàn)單邊三電平逆變器的SVPWM控制。且分析發(fā)現(xiàn)III、V和I扇區(qū)的矢量選取及作用次序確定方法，小區(qū)域劃分及各小區(qū)域基本矢量的作用時間完全相同，IV、VI和II扇區(qū)的完全相同。這種規(guī)律有效地降低了算法及控制的復(fù)雜度。 圖6 五段式SVPWM波形（I4區(qū)）Fig.6 Five segment SVPWM waveform（I4）圖7 A相開關(guān)驅(qū)動信號（I4區(qū)）Fig.7 Swit

18、ch drive signal of A phase（I4）3仿真模型的建立及結(jié)果分析為驗證新型逆變電路的有效性及其調(diào)制策略的可行性，如圖8所示在MATLAB/SIMUILINK下建模仿真。仿真參數(shù)：V3為660V，V2為360V，Vm為311V，調(diào)制深度M=0.816，f為50Hz，采樣頻率為5kHz，負(fù)載電阻都為3，電容C都為100F，濾波器電感L1(L3、L6）=0.3mH，L2(L4、L5)=1mH。圖8 新型逆變器的SVPWM仿真模型Fig.8 SVPWM simulation model for novel inverter 圖9是區(qū)域的判定仿真結(jié)果，可看出在一個基波周期內(nèi)參考矢量

19、依次掃過大扇區(qū)IVI，且在扇區(qū)I、III、V內(nèi)依次掃過小區(qū)域1、3、4，在扇區(qū)II、IV、VI內(nèi)掃過小區(qū)域7、8、9，與小區(qū)域的劃分相一致。圖10是A相相電壓的仿真結(jié)果，由圖2、3、9可知在0，0.01s大扇區(qū)N正好是A相電壓小于零的區(qū)域，此時A相只有N、P狀態(tài)，電壓只能在V1、V3間切換，且當(dāng)電壓在三相中最低時一直保持N狀態(tài)以減小開關(guān)損耗；在0.01，0.02sA相電壓是正常的三電平狀態(tài)，與設(shè)計算法正好吻合。 （a）大扇區(qū)仿真結(jié)果 （b）小區(qū)域仿真結(jié)果圖9 區(qū)域的判定仿真結(jié)果Fig.9 Section judgment simulation results圖10 A相相電壓仿真結(jié)果Fig.1

20、0 Phase voltage simulation result of A phase 圖11、12是AB相線電壓的仿真結(jié)果及由MATLAB/SIMULINK電力系統(tǒng)工具箱powergui的FFT模塊測得的頻譜圖?？梢钥闯銎洳ㄐ畏蠁芜吶娖降淖兓?guī)律，電壓基波幅值為538.2MV3=（538.6），正好與所想要輸出的三相電壓的線電壓峰值一致，進一步驗證了算法。 圖11 AB相線電壓的仿真結(jié)果 Fig.11 Line voltage simulation result of AB phase 圖12 AB相線電壓的頻譜圖 Fig.12 Line voltage spectrogram of

21、AB phase圖13、14是濾波后三相負(fù)載電壓、電流的波形圖及負(fù)載電流頻譜圖?？梢钥闯鲐?fù)載電壓（前端的波動主要是MATLAB系統(tǒng)本身引起的）與標(biāo)準(zhǔn)三相正弦電壓一致，負(fù)載電流400次以內(nèi)的總諧波畸變率(Total Harmonic Distortion，THD)很小，僅為0.63。圖15給出了V3為720V、660V時，V3、V2不同關(guān)系下負(fù)載電流400次以內(nèi)的THD值，可以看出電路都能保證輸出電流諧波含量少，總諧波畸變率小（0.8%）。這確保了輸出電流的穩(wěn)定性和輸出電能的質(zhì)量，為實際運用提供了理論參考。圖13 負(fù)載電壓及電流仿真波形Fig.13 Load voltage and curren

22、t simulation waveform 圖14 負(fù)載電流頻譜圖Fig.14 Load current spectrogram 圖15 V3、V2不同關(guān)系下負(fù)載電流的THDFig.15 Load current THD under different V3and V24結(jié)束語文中提出了一種新型的三相單邊三電平逆變器，設(shè)計了適用于該電路的五段式SVPWM調(diào)制策略，該策略對非對稱形式的多電平逆變器運用SVPWM也有一定的參考價值。與三相NPC三電平逆變器相比電路結(jié)構(gòu)更加簡單；其調(diào)制策略也能保證電路較低的開關(guān)損耗和輸出電壓電流諧波含量，區(qū)域劃分的特殊性也有效地降低了算法及控制的復(fù)雜度。仿真結(jié)果驗證

23、了新型電路的正確性且在該調(diào)制策略下有較好的性能，因而有一定的研究及應(yīng)用價值。參 考 文 獻1 Samir Kouro, Mariusz Malinowski, K Gopakumar. Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel InvertersJ. IEEE Transactions onIndustrial Electronics, 2010, 57(8): 2553-2580.2 張志, 謝運祥, 樂江源, 等. 二極管鉗位型單相三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法J. 中國電機工程學(xué)報, 2010, 30(27):

24、62-68.Zhang Zhi, Xie Yunxiang, Le Jiangyuan, et al. Study of SVPWM Method for Single-phase Three-level Diode-clamped InverterJ. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(27): 62-68.3 Rodriguez J, Bernet S, Steimer P K. A Survey on Neutral-point-clamped InvertersJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics

25、, 2010, 57(7): 2219-2230. 4 夏長亮, 譚智涵, 張云. 多電平逆變器簡化空間矢量調(diào)制算法J. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013, 28(8): 219-223.Xia Changliang, Tan Zhihan, Zhang Yun. A Simplified Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm for Multi-Level InverterJ.Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(8): 219-223.5 葉斌. 電力電子應(yīng)用技術(shù)M.

26、北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 130-137.6 丁石川, 程明, 王政, 等. 一種新型基于直流電容局部充電的升壓型多電平逆變器J. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013, 28(9): 231-238.Ding Shichuan, Cheng Ming, Wang Zheng , et al. Design and Analysis of a Novel Pumping-Voltage Multilevel Inverter Based on Partial Charging of DC CapacitorJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(9): 231-238.7 李啟明. 三電平SVPWM算法研究及仿真D. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2007.Li Qiming. Method and Simulation of Three-Level SVPWM Control StrategyD. HYPERLINK /link?url=AV4wuG2hMFwAKSR15Mo29zAp-NsLNLD-I6I5EmYAOO2IsOBbgxB4HvlRKpaFyw58 t _blank Hefei: Hefei University of Technology, 2007.8 郭丹. 一種空間矢量的