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2024年7月3日发(作者:)
ELECTRICDRIVE2018Vol.48No.8
电气传动2018年第48卷第8期
三电平NPC逆变器的新型虚拟空间
矢量调制策略研究
王倩
1
,李润秋
2
,王燕
3
,施荣
2
,李宁
1
(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;
2.国网陕西省电力公司经济技术研究院,陕西西安710075;
3.西安工业大学工业中心,陕西西安710021)
摘要:三电平NPC逆变器是目前应用最为广泛的多电平逆变器。针对三电平NPC逆变器存在的直流电
容电压波动问题和共模电压问题,提出了一种新型虚拟空间矢量调制策略。提出的新型虚拟空间矢量调制策
略一方面可以实现任意调制度和功率因数的直流电容波动控制;另一方面又减小了三电平NPC逆变器的输出
共模电压。理论分析、仿真和实验表明,提出的方法较传统SPWM策略和虚拟空间矢量调制策略可减小50%
的共模电压。
关键词:三电平NPC逆变器;直流电容电压波动;共模电压;虚拟空间矢量调制
中图分类号:TM46文献标识码:ADOI:10.19457/18670
ResearchonNovelVirtualSpaceVectorModulationStrategyforThree-level
WANGQian
1
,LIRunqiu
2
,WANGYan
3
,SHIRong
2
,LINing
1
NeutralPointClampedConverter
(
ofAutomationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048Shaanxi,
China;ridShaanxiElectricPowerCompanyEconomicResearchInstitute,Xi
’
an710075Shaanxi,
China;rialCenter,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,Shaanxi,China)
gatthethree-levelNPCconvertertosolvethedirectcurrent(DC)capacitorvoltage
virtualspacevectormodulationstrategywas
virtualspacevectormodulationstrategyproposedcouldachieveDCcapacitorvoltagebalance
Abstract:Three-levelneutralpointclamped(NPC)converteriscurrentlythemostwidelyusedconvertersinceits
er,itcouldreducetheoutputcommon-modevoltageof
tionandexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcanreducethecommon
modevoltagebyhalfcomparedwiththetraditionalSPWMstrategyandvirtualspacevectormodulationstrategy.
modevoltage;virtualspacevectormodulationstrategy
Keywords:three-levelneutralpointclampedconverter;directcurrentcapacitorvoltageimbalance;common
与传统的两电平逆变器相比,三电平NPC逆
变器具有电压等级高、输送功率大、输出波形畸
变率小、电磁干扰低等优点,被广泛应用于电能
质量分析、直流输电、超导储能、新能源发电等众
多场合
[1]
。然而,三电平NPC逆变器存在直流电
容电压波动和共模电压(电流)问题,若不对其进
行抑制,轻则导致三电平NPC逆变器的输出特性
变差,逆变侧谐波增加,重则导致系统故障,引发
基金项目:国家自然科学基金项目(51507140);电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题(EIPE17209);西安市碑林区
科技计划项目(GX1622);广东省绿色能源技术重点实验室(2008A060301002);江苏省配电网智能技术与
装备协同创新中心开放基金项目(XTCX201703);西安理工大学博士启动基金(103-400211421)
作者简介:王倩(1982-),女,博士,讲师,Email:wangqian77@
21
电气传动2018年第48卷第8期
王倩,等:三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究
设备和人身安全问题
[2]
。
在电容电压波动方面,文献[3]采用零序分量
注入法,将零序分量注入到传统调制策略的参考
电压中,取得了一定的效果;文献[4]通过合理分
配冗余矢量的作用时间,让有益于直流电容电压
平衡的矢量作用时间尽量长,也在一定程度上改
善了三电平NPC逆变器的直流电容电压的波动状
况。但以上2大类方法无法实现任意调制度和功
率因数的直流电容电压波动控制,在高调制度、低
功率因数区域的控制效果较差。据此,有学者提
出了虚拟空间矢量调制策略,较好地实现了全调
制度和全功率因数的直流电容电压波动控制
[5-9]
。
在共模电压方面,有学者基于三电平SPWM策略
和三电平SVPWM策略提出了一些相应的共模电
压抑制策略
[10-12]
,但都无法实现全调制度和全功率
因数的直流电容电压波动控制。
本文针对三电平NPC逆变器,建立了数学模
型,分析了其直流电容电压波动机理和共模电压
产生机理。为实现直流电容电压平衡和共模电
压抑制的双重控制目标,本文对传统虚拟空间矢
量调制策略进行改进,提出一种新型虚拟空间矢
量调制策略,该调制策略一方面保留了传统虚拟
空间矢量调制策略对直流电容电压平衡的控制
效果;另一方面将传统虚拟空间矢量调制策略的
共模电压减小了50%。通过仿真和实验论证了
本文方法的有效性。
1三电平
压波动和共模电压问题
NPC逆变器的直流电容电
图1为三电平NPC拓扑图。
图1三电平NPC逆变器拓扑图
Fig.1Topologyofthree-levelNPCconverter
图1中,U
dc
为直流侧总电压;C
1
,C
2
分别为2
个直流电容,一般都取容值相同;
i
C
1
,
i
C
2
分别为
流过2个电容的电流;i
o
为中点电流;u
a
,u
b
,u
c
分别
为逆变器输出相电压;i
a
,i
b
,i
c
分别为负载电流。
图2所示为三电平NPC逆变器空间电压矢量图。
22
图2三电平NPC逆变器电压矢量图
Fig.2Voltagevectorsdiagramofthree-levelNPCconverter
1.1三电平NPC逆变器的直流电容电压波动
由图1和图2可知,当三电平NPC逆变器某
相输出o状态时,中点电流等于相电流,设1个开
关周期内,三相输出o状态的时间与开关周期的
比值分别为
d
ao
,
d
bo
,
d
co
,则有:
i
o
=d
ao
i
a
+d
bo
i
b
+d
co
i
c
(1)
进一步推导可得中点电流
i
o
与两电容电流
的关系如下:
i
o
=i
C
1
+i
C
2
(2)
由于直流电容容值相同,可得:
i
C
1
=-i
C
2
=0.5i
o
(3)
由式(1)~式(3)可知,中点电流的产生与o
状态相关,由于两直流电容电流大小相等,方向
相反,因而当1个开关周期内平均中点电流不为
0时,两直流电容电压必将出现相反的变化趋势,
导致直流电容电压的波动。
1.2三电平NPC逆变器的共模电压问题
三电平NPC逆变器共模电压是逆变器负载
侧公共点与直流电容中点(电压参考点)的电位
差。在传统的两电平逆变器中,由于每相只有2
个状态,因而两电平逆变器的共模电压无法避
免。在三电平NPC逆变器中,由于每相有3个状
态,使得输出开关状态增多,丰富的开关状态为
共模电压的抑制乃至消除提供了可能。
根据图1所示的三电平NPC逆变器拓扑图,
设负载为阻感负载,电感值和电阻值分别为L和
R,设系统的共模电压为U
om
,则有:
ì
ï
ï
u
a
=L
di
a
+Ri
ï
ï
í
d
d
a
+U
om
i
t
b
ï
u
b
=L+Ri
b
+U
om
(4)
ï
dt
ï
ï
di
î
u
c
=L
c
dt
+Ri
c
+U
om
考虑到三相电流存在如下关系:
i
a
+i
b
+i
c
=0
(5)
则有:
U
om
=(u
a
+u
b
+u
c
)/3
(6)
王倩,等:三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究
电气传动2018年第48卷第8期
三电平NPC逆变器各开关状态对应的共模
电压如表1所示。
表1三电平NPC逆变器各开关状态对应的共模电压
Tab.1Common
stateinthree
-mode
-level
voltage
NPC
of
converter
differentswitching
正小矢量ONNPPONONOPPNNOPOP
U
om
-U
dc
/3U
dc
/3U
dc
/3
POOOON
-U
dc
/3U
dc
/3
负小矢量OPONOO
-U
dc
/3
OOPONO
U
om
U
dc
/6
-U
dc
/6U
dc
/6U
dc
/6
中矢量PONOPNNPO
-U
dc
/6
NOPONP
-U
dc
/6
PNO
U
om
000000
大矢量PNNPPNNPNNPPPNPNNP
U
om
U
dc
/6
dc
/6
零矢量
-U
dc
/6U
PPPOOO
-U
dc
/6U
dc
/6
NNN
-U
dc
/6
U
om
U
dc
/20
-U
dc
/2
由表1可知,三电平NPC逆变器27个开关状
态中:零矢量3个,其中,PPP对应的共模电压为
U
dc
/2;NNN对应的共模电压为-U
dc
/2,OOO对应
的共模电压为0;正小矢量6个,其中,ONN,
NON,NNO对应的共模电压为-U
dc
/3;PPO,OPP,
POP对应的共模电压为U
dc
/3;负小矢量6个,其
中,POO,OPO,OOP对应的共模电压为U
dc
/6;
OON,NOO,ONO对应的共模电压为-U
dc
/6;中矢
量6个,对应的共模电压都为零;大矢量6个,
PNN,NPN,NNP对应的共模电压为-U
dc
/6;PPN,
NPP,PNP对应的共模电压为U
dc
/6。
2三电平
矢量调制策略
NPC逆变器新型虚拟空间
2.1新型虚拟空间矢量调制策略的矢量定义
图3所示为三电平NPC逆变器新型虚拟矢
量调制策略的矢量定义空间图,其中V
Z0
代表虚
拟零矢量,V
Zs
(
x
x=1,…,6)代表虚拟小矢量,V
Zmx
x=1,…,6)代表虚拟中矢量,V
Zl
(
x
x=1,…,6)代表
虚拟大矢量。
图3三电平NPC逆变器新型虚拟矢量空间图
Fig.3
of
The
three
novel
level
virtual
NPC
vector
converter
spacemap
其中,以第1扇区为例,各虚拟矢量的定义如
下式:
ì
ï
V
Z0
=V
OOO
ï
ï
V
Zs1
=
1
3
V
OON
+
1
3
V
POO
+
1
ï
ï
3
V
ONO
ï
í
V
Zs2
=
1
ï
3
V
OON
+
1
3
V
POO
+
1
V
OPO
(7)
ï
ï
V
Zm1
=
1
3
V+
1
V+
1
V
ï
ï
3
OPN
3
PON
3
PNO
ï
V
Zl1
=V
PNN
î
V
Zl2
=V
PPN
由式(7)可知,新型虚拟矢量调制策略与传
统虚拟矢量调制策略在虚拟小矢量和虚拟中矢
量的定义上有所区别:在虚拟小矢量中舍弃了传
统的正小矢量,而是采用共模电压更小的负小矢
量来构成;在虚拟中矢量中舍弃了引起共模电压
的小矢量,采用共模电压为0的中矢量来构成,这
种虚拟矢量的构成方式将大大减小由调制策略
引起的共模电压。此外,由式(7)中所选矢量不
难推导,新的虚拟矢量在1个开关周期内引起的
中点电流平均值为零,将仍然保持传统虚拟空间
矢量调制策略对直流电容电压的平衡效果。
2.2新型虚拟空间矢量调制策略的小三角形区
域判断
图4所示为本文所提出的新型虚拟空间矢量
调制策略第1扇区的小三角形划分图。
图4新型虚拟空间矢量调制策略小三角形划分(第1扇区)
Fig.4The
vector
small
space
triangles
modulation
division
strategy
ofnovel
(Set.1
virtual
)
图4中,通过5条辅助线和扇区边界一起将整
个第1扇区虚拟矢量图划分为5个小三角形,5条
辅助线的方程如下式:
ì
ï
l
1
:V
β
=3/9
ï
ï
ï
l
2
:(3/3)V
α
+V
β
=23/9
í
ï
l
3
:V
α
=1/3
(8)
ï
ï
l
4
:3V
α
-V
β
=23/9
ï
î
l
5
:(3/3)V
α
2.3新型虚拟空间矢量调制策略的虚拟矢量作
-V
β
=0
2.3.1
用时间计算
当参考电压矢量位于
各矢量的作用时间
2.2中5个不同小三角形
中时,利用三角形顶点所在虚拟矢量合成参考电
23
(
电气传动2018年第48卷第8期
王倩,等:三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究
压矢量,第1扇区具体选择的合成虚拟矢量及其作
用时间如表2所示,其中k定义为
k=
3|V
ref
|/U
dc
。
表2新型虚拟空间矢量调制策略的矢量选择
及各矢量作用时间(第1扇区)
Tab.2Vectors
virtualvector
selection
space
and
modulation
actiontime
strategy
calculation
(Set.1
of
)
novel
三
角
虚拟矢量1及虚拟矢量2及虚拟矢量3及
形
其作用时间其作用时间其作用时间
1
V
Zs2
,T
Zs2
=
V
Z0
,T
Z0
=
33ksin(θ-30
∘
)T
s
3k
V
cos
Zm1
(
,
θ
T
+
Zm1
30
=
∘
)T
s
T
s
-T
Zs2
-T
Zm1
2
V
Zs1
,T
Zs1
=
V
V
Z0
,T
Z0
=
33kcos(θ+60
∘
)T
s
3
Zm1
ksin
,T
Zm1
θT
=
s
T
s
-T
Zs1
-T
Zm1
3
V
Zs1
,T
Zs1
=
V
V
Zl1
,T
Zl1
=
1.5T
s
[1-3ksin(θ+30
∘
)]
3
Zm1
ksin
,T
Zm1
θT
=
s
T
s
-T
Zs1
-T
Zm1
4
3T
V
-
Zm1
kcos
,T
Zm1
(θ
=
V
Zl1
,T
Zl1
=
V
Zl2
,T
Zl2
=
s
[1-30
∘
)]
T
s
(3kcosθ-1)
T
s
-T
Zl1
-T
Zm1
5
1.5T
V
Zs2
,T
3
Zs2
k
=
s
(1-cosθ)
3k
V
cos
Zm1
(
,
θ
T
+
Zm1
30
=
∘
V
Zl1
,T
Zl1
=
)T
s
T
s
-T
Zs2
-T
Zm1
2.3.2
∘
应用表
各开关状态的作用时间
2可求得各矢量的具体作用时间,下
式给出了第1扇区各开关状态的具体作用时间计
算公式,其它各个扇区的开关状态作用时间公式
可以用类似的方法求解。
ì
ï
T
OOO
=T
Z0
ï
ï
T
OON
,T
POO
=(T
Zs1
/3)+(T
Zs2
/3)
ï
ï
ï
T
ONO
=T
Zs1
/3
í
ï
T
OPO
=T
Zs2
/3
(9)
ï
ï
T
OPN
,T
PON
,T
PNO
=T
ï
Zm1
/3
ï
ï
T
PNN
=T
Zl1
î
T
PPN
=T
Zl2
2.4新型虚拟空间矢量调制策略的输出开关序列
当计算出各开关状态的具体作用时间后,另
一个重要问题就是参考电压位于不同小三角形
中时的输出开关序列。表3给出了参考电压位于
第1扇区不同小三角形时新型虚拟空间矢量调制
策略的输出开关序列。当参考电压位于其它扇
区时,可以利用图2中的对应关系对表3进行替
换,得到相应的不同扇区的输出开关序列。
表3新型虚拟空间矢量调制策略的输出开关序列(第1扇区)
Tab.3Output
vectorspace
switching
modulation
sequences
strategy
ofnovel
(Set.1
virtual
)
三角形输出开关序列
1
PON-OON-OPN-OPO-OOO-POO-PNO
2
PON-POO-PNO-ONO-OOO-OON-OPN
3
ONO-PNO-PNN-PON-POO-PON-OON-OPN
4
PNO-PNN-PON-PPN-OPN
5
OPO-OPN-OON-POO-PNO-POO-PON-PPN
24
3仿真和实验验证
本文在Matlab/Simulink中搭建了三电平NPC
逆变器仿真模型,并在实验室中搭建了原理样机
对本文的理论分析进行仿真和实验验证。仿真
和实验参数为:直流侧电压U
dc
=400V,直流侧电
容容量C
1
=C
2
=1000μF,调制波频率f
s
=50Hz,载
波频率f
c
=2kHz,调制度M=0.8,负载电阻15
Ω
,输
出滤波器采用LCL滤波器(3mH,17μF,3mH)。
图5为采用SPWM策略和新型VSVPWM策
略切换时的仿真模型。
图5M=0.8时,电阻负载仿真波形
Fig.5Simulation
loadwhenM
result
=0.8
ofresistanceandinductance
图5中对比了输出线电压脉冲U
ab
,直流电容
电压
U
C
,
1
U
C
2
和输出负载电流i(
x
x=a,b,c)的波形。
模型在初始工作时应用传统SPWM策略作为调制
策略,在0.19s时,两电容电压值相同,此时切换
仿真模型的调制策略,变为新型VSVPWM策
略。根据图5所示的仿真结果,当调制策略为三
电平SPWM策略时,系统直流电容电压存在波
动,当调制策略切换为本文提出的新型VSVPWM
后,直流电容电压的波动得到了很好的控制。
图6所示分别为传统SPWM策略与新型
VSVPWM策略的实验对比图,系统参数采用仿
真实验参数。图6中共有4个量,输出线电压U
cb
脉冲,输出相电压U
ao
脉冲,直流侧上电容电压
U
C
1
和负载侧c相电流i
c
波形。对比图6a、图6b可知,
新型VSVPWM策略确实可以消除三电平NPC逆
变器的直流电容电压的波动。
图7为采用SPWM策略、传统VSVPWM策
略和本文提出的新型VSVPWM策略的共模电压
对比情况。由图7可知,传统VSVPWM策略与
SPWM策略的共模电压均为U
dc
/3,因此,传统
VSVPWM策略并不能降低共模电压,而本文提出
的新型VSVPWM策略的共模电压为U
dc
/6,因此
王倩,等:三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究
电气传动2018年第48卷第8期
图6电阻负载实验波形(M=0.8)
Fig.6ExperimentresultofresistanceloadwhenM=0.8
图73种PWM策略的共模电压仿真对比
Fig.7
of
Common
threePWM
mode
strategies
voltagesimulationcomparison
本文方法可将传统策略的共模电压降低50%。
4结论
本文针对三电平NPC逆变器的直流电容电
压波动和系统共模电压,分析了现有SPWM调制
策略及VSVPWM策略的特点与不足,并在传统
VSVPWM策略的基础上,提出一种抑制共模电
压的新型VSVPWM策略,仿真和实验验证了理
论的正确性。
采用本文提出的新型VSVPWM策略一方面
可以保持传统VSVPWM策略对直流电容电压波
动的控制效果;另一方面还可以将系统的共模电
压减小50%。因此,本文方法具有很好的实际应
用价值。
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收稿日期:
2018-
01
-08
修改稿日期:2018-03-12
25
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