電網中一種消除偶次諧波的逆變器簡易SVPWM策略

鄺文明　鄭宏　李浩

【摘 要】針對電網中逆變器傳統空間矢量調制（SVPWM）輸出電壓含有偶次諧波及算法復雜、實現困難的問題，提出了一種可消除偶次諧波的多電平簡易型SVPWM策略。該策略采用了新型分區法、60o坐標系，并將傳統的七段式開關序列變為新型五段式開關序列。給出了偶次諧波的產生原因、消除機理。與傳統法相比，簡易策略可智能化實現，簡化了設計量、減少了開關動作次數，既消除了偶次諧波，又降低了開關損耗。仿真驗證了該策略的有效性和優越性。

【關鍵詞】空間矢量調制 偶次諧波 60°坐標系 新型五段式 開關損耗

伴隨工業和科技的飛速發展，電力客戶對電網供電質量的要求越來越高，而各種原始電能的質量難以滿足所需，必須經由逆變器等裝置加工后才能使用。多電平逆變器因其顯著的優勢，在電網中大量應用[1]，其核心技術多采用多電平脈寬調制（PWM）技術，主要有SPWM、SVPWM[2]兩種，后者由于物理概念清晰、母線電壓利用率高、適合于數字實現等優點，成為人們關注的熱點。

然而，逆變器輸出的交流電壓往往夾帶有大量偶次諧波，極易造成供電電位出現漂移、不穩定的情況，而且傳統算法運算復雜，設計、實現困難；此外，相比于奇次諧波，很多標準（例如IEEE 519-1992）對偶次諧波的限制和要求更加嚴格。

本文針對以上問題，提出了一種可消除偶次諧波的簡易SVPWM策略。優化策略不僅減小了開關損耗、消除了偶次諧波，而且運算量小，設計大為簡化，可通用于任意電平的多電平逆變器。

1 傳統SVPWM算法

三電平NPC拓撲作為經典的電網逆變器，共有27種開關狀態，因具有一定的重疊關系，在空間矢量上共占據了19個位置，且按電壓矢量幅值可劃分為大、中、小矢量，以及位于矢量圖原點位置的零矢量。

在傳統SVPWM算法中，空間電壓矢量圖是采用正交坐標系建立的，并基于此計算出最近三個電壓矢量（NTV）的作用時間。研究表明，傳統算法對于某一電壓矢量在對其所在扇區位置的判斷、作用時間的分配等過程中，需要耗費大量時間進行各種反三角函數、開方等等復雜的流程中，以致速度慢且精度低，且需要對七段開關序列的各個開關組合狀態分別進行設計，設計復雜，通用性和可移植性差。

2 簡易SVPWM策略

2.1新型分區法

圖1（a）和（b）分別給出了傳統型和簡易型SVPWM策略的小扇區分區法（以大扇區I為例）。其中，（a）給出的開關狀態是用正交坐標系表示的三相狀態；（b）給出的則是600坐標[3]下相應的狀態。

小扇區分類原理：觀察1（a）中各個小三角形的頂點開關狀態可知，每個三角形共包含四個或五個狀態（零矢量此處只取[0，0，0]考慮），且全部三角形呈現非倒即正立的形狀。從而，根據頂點狀態個數及正、倒立形狀的組合，即可將四個小三角形如1（b）所示簡化為三類：T1、T2和T3。

2.2 偶次諧波消除法

電網逆變器傳統控制策略中，開關序列多采用七段式，但這會使得開關損耗很大。若要改變這種現狀同時又考慮經濟性，降低開關損耗的最佳手段就是使開關動作的次數降低。五段法開關序列相比傳統七段法可減少開關次數，從而可降低開關損耗。本文在五段法的基礎上，提出一種新型的空間矢量選擇順序法。

2.2.1 偶次諧波產生的原因

傳統七段法采用A型或B型開關順序，其中B型開關順序以P型小矢量為首發矢量。圖2（a）和（b）分別給出了給定矢量位于第I扇區及旋轉1800后（第IV扇區）得到的波形圖。顯然可知，這兩個扇區之間，無論是其相電壓抑或是其線電壓，在波形上都有明顯的對稱性，但是，橫軸卻并非其對稱軸，換言之，采用傳統算法所得波形并非半波對稱，而正是這導致了偶次諧波的產生。

2.2.2 偶次諧波消除機理

文獻[1]等提出了A型和B型開關順序交替法，即將小扇區1和2再分別劃分為1a、1b和2a、2b，在各新小扇區內各作設計。其結果所得，雖不含偶次諧波，然而，由于此法開關序列眾多，甚至比傳統七段法的開關動作次數還要多，損耗大幅增加，設計時耗很長。

根據半波對稱的概念可推知：在任一時刻，當任一給定矢量在大扇區N（N=1，2，3）中采用了開關狀態[a，b，c]，則在N+3扇區，應該采用互補的開關狀態[-a，-b，-c]，如圖3所示。

3的整數倍次諧波對電網逆變電壓質量影響也較大，為此需要考慮將其消除。從對稱性的角度出發，可見當某狀態量為[a，b，c]時，若能在1200后變為[-b，-c，-a]，則可將該類諧波抵消。

綜上考慮，新的電網逆變器簡易調制策略采用了如表1所示的全部六個大扇區的開關狀態。

3 仿真試驗

為了驗證提出的可消除偶次諧波的多電平簡易型SVPWM策略，采用MATLAB軟件在三電平NPC逆變器平臺上進行了仿真研究。主開關器件采用IGBT，母線直流電壓Vdc為2000V，直流側電容為2200μF，采樣周期Ts為1/900s，調制因數ma為0.9。

圖4和5分別給出了采用傳統型SVPWM和新型簡易SVPWM得到的NPC逆變器輸出線電壓VAB波形圖及FFT分析圖。可見，兩者線電壓均為五電平，主要諧波為17、19次，集中在頻率為900Hz的18次諧波周圍，且總的諧波含量幾乎相同。而且，線電壓FFT分析圖中均不含3的整數倍次諧波，但采用傳統法時，輸出電壓中含有明顯的偶次諧波如14次和16次，原因在于生成的VAB波形不是半波對稱的；采用簡易法則可顯著消除偶次諧波，VAB波形呈現半波對稱性。這表明，提出的簡易SVPWM策略是正確、可行的。

實際上，簡易SVPWM策略還可便利地移植、通用于五電平及以上電平的各種多電平逆變器。

4 結語

針對傳統算法的不足，提出了一種很適合電網中多電平逆變器的簡易型SVPWM策略。研究了偶次諧波的產生原因及消除機理，提出了一種新型分區法，結合600坐標可明顯簡化設計并提高精準度。與傳統法相比，簡易策略可完美消除偶次諧波、降低開關損耗、減少設計量，同時還具有通用性。借助Matlab軟件對其進行了仿真試驗，仿真結果驗證了算法的正確性和優越性。

參考文獻：

[1] Bin Wu. High-power converters and AC drives[M].New York： IEEE Press/Wiley， 2006.

[2] Sanbo Pan， Junmin Pan， Zuohua Tian. A shifted SVPWM method to control DC-link resonant inverters and its FPGA realization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（9）：3383-3391.

[3] 趙輝，李瑞.60o坐標系下三電平逆變器SVPWM方法的研究[J].中國電機工程學報，2008，28（24）：39-45.

基金項目：江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；國家自然科學基金項目（61074019）

作者簡介：鄺文明（1988—），男，江西贛州人，碩士研究生，電力工程師，從事電氣試驗工作。

*通訊作者：鄭宏（1965—），男，福建武夷山人，教授，碩導，從事智能電網、分布式發電與儲能技術等研究。