空間矢量脈寬調(diào)制方法在單相三電平中點箝位型整流器中的應(yīng)用

段文巖,何英杰,2,劉云峰,劉進(jìn)軍

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室,401121,重慶)

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空間矢量脈寬調(diào)制方法在單相三電平中點箝位型整流器中的應(yīng)用

段文巖1,何英杰1,2,劉云峰1,劉進(jìn)軍1

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室,401121,重慶)

針對單相三電平中點箝位型(NPC)整流器中多個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷的問題,在分析電路拓?fù)浜凸ぷ髟淼幕A(chǔ)上,提出了一種單相空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法。這種SVPWM方法合理地設(shè)計各個扇區(qū)內(nèi)部的調(diào)制序列,并且在扇區(qū)切換時加入過渡調(diào)制序列,從而保證了開關(guān)狀態(tài)的連續(xù)性。在分析各個開關(guān)狀態(tài)對中點電壓影響的基礎(chǔ)上,該方法根據(jù)中點電壓和網(wǎng)側(cè)電流的情況來選擇合適的冗余小矢量,從而實現(xiàn)直流側(cè)中點電壓控制。另外,通過使用冗余零矢量,該方法能夠達(dá)到倍頻的效果。針對這種SVPWM方法,搭建樣機(jī)進(jìn)行了實驗研究,實驗結(jié)果表明:SVPWM方法能夠保證在同一時刻只有一個開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷,而且輸出電壓的跳變量為直流側(cè)電壓的1/2;網(wǎng)側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流保持了較好的同相位,且動態(tài)性能良好;該方法能夠?qū)崿F(xiàn)中點電壓控制,并且具有較好的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)控制精度。

單相三電平中點箝位型整流器;扇區(qū)過渡;中點電壓控制

相比于直流調(diào)速系統(tǒng),交流傳動系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、牽引力大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點,電力牽引交流傳動技術(shù)在高速動車組及和諧號大功率機(jī)車中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于在鐵路供電系統(tǒng)中采用的是單相供電,單相脈沖整流器成為牽引傳動系統(tǒng)的重要組成部分。現(xiàn)有運行的很多高速動車組中,牽引變流器由單相三電平中點箝位型(NPC)整流器和三相三電平NPC牽引逆變器組成。

對于單相三電平NPC整流器,調(diào)制方法是研究的一個關(guān)鍵問題。目前,空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法是一種廣泛應(yīng)用于三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)制策略,具有物理概念清晰、易于數(shù)字化實現(xiàn)、算法靈活方便等優(yōu)點[1]。然而,在單相系統(tǒng)中,SVPWM調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用還較少。文獻(xiàn)[2]通過平面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換,將三相SVPWM調(diào)制技術(shù)引入單相變流器,但其只討論了SVPWM調(diào)制技術(shù)在兩電平逆變器中的應(yīng)用,沒有對多電平逆變器進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3-4]將SVPWM技術(shù)應(yīng)用于單相三電平NPC,并通過在算法中選擇性插入零矢量,使每相橋臂中間兩個開關(guān)管的發(fā)熱量得到降低,但是并未考慮開關(guān)狀態(tài)的連續(xù)性,會導(dǎo)致多個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷,增加開關(guān)損耗和產(chǎn)生電磁干擾。文獻(xiàn)[5]將SVPWM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于對稱三電平變流器拓?fù)浜筒粚ΨQ三電平變流器拓?fù)?文獻(xiàn)[6]提出了一種單相三電平SVPWM方法和一種基于零序分量注入的單相三電平單極性層疊載波的正弦脈寬調(diào)制方法,并對這兩種方法的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了研究,但是不能保證扇區(qū)過渡時開關(guān)狀態(tài)的連續(xù)性。本文通過對單相三電平NPC整流器進(jìn)行研究,提出了一種SVPWM調(diào)制方法。該方法給出了各個扇區(qū)內(nèi)部和扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列,在扇區(qū)內(nèi)部和扇區(qū)過渡時都不會出現(xiàn)多個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷,并且輸出電壓每次的跳變量都為直流側(cè)電壓的1/2。

1 單相三電平NPC整流器的工作原理

圖1 單相三電平NPC整流器主電路

單相三電平NPC整流器的主電路如圖1所示。單相三電平NPC整流器由兩組對稱的橋臂組成,將左側(cè)的橋臂稱為a橋臂,右側(cè)的橋臂稱為b橋臂。其中,US為網(wǎng)側(cè)電壓,i為網(wǎng)側(cè)電流,L為網(wǎng)側(cè)電感,Req為網(wǎng)側(cè)電感的等效電阻,RL為直流側(cè)的負(fù)載電阻,UC1、UC2為直流側(cè)上、下電容電壓。

假設(shè)UC1=UC2=E,E為直流側(cè)電容上的參考電壓。相對于直流側(cè)中點,每個橋臂能輸出0、E、-E3種電平。以橋臂a為例,當(dāng)開關(guān)管Sa1、Sa2導(dǎo)通,開關(guān)管Sa3、Sa4關(guān)斷時,橋臂a輸出E電平;當(dāng)開關(guān)管Sa3、Sa4導(dǎo)通,開關(guān)管Sa1、Sa2關(guān)斷時,橋臂a輸出-E電平;當(dāng)開關(guān)管Sa2、Sa3導(dǎo)通,開關(guān)管Sa1、Sa4關(guān)斷時,橋臂a輸出0電平。定義橋臂a、b的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)

(1)

(2)

每組橋臂有3種開關(guān)狀態(tài),兩組橋臂共有9種開關(guān)狀態(tài),可輸出2E、E、0、-E、-2E5種電平。通過之前定義的開關(guān)狀態(tài)函數(shù),用(SaSb)的形式表示這9種開關(guān)狀態(tài),單相三電平NPC的9種開關(guān)狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知,假設(shè)i>0,對于開關(guān)狀態(tài)(00)、(11)和(-1-1),電流沒有經(jīng)過電容,中點電壓平衡不受影響;對于開關(guān)狀態(tài)(10)、(0-1),這兩種開關(guān)狀態(tài)都是輸出E電平,但是開關(guān)狀態(tài)(10)對上電容充電,開關(guān)狀態(tài)(0-1)對下電容充電,對中點電壓平衡的影響相反;開關(guān)狀態(tài)(01)、(-10)的情況與開關(guān)狀態(tài)(10)、(0-1)類似;開關(guān)狀態(tài)(1-1)對兩個電容都充電,開關(guān)狀態(tài)(-11)對兩個電容都放電,不影響中點電壓平衡。

(a)開關(guān)狀態(tài)(00) (b)開關(guān)狀態(tài)(11)

(c)開關(guān)狀態(tài)(-1-1) (d)開關(guān)狀態(tài)(10)

(e)開關(guān)狀態(tài)(0-1) (f)開關(guān)狀態(tài)(01)

(g)開關(guān)狀態(tài)(-10) (h)開關(guān)狀態(tài)(1-1)

(i)開關(guān)狀態(tài)(-11)圖2 單相三電平NPC整流器的9種開關(guān)狀態(tài)

2 單相三電平NPC的SVPWM調(diào)制方法

單相三電平NPC的空間矢量如圖3所示。V是一個虛擬的電壓矢量,以角速度ω沿逆時針方向旋轉(zhuǎn),矢量V在坐標(biāo)軸上的投影即為單相三電平NPC的輸出指令電壓。圖3中共有9個電壓矢量,可輸出5種電平,其中(1-1)和(-11)為大矢量,(10)、(0-1)、(01)和(-10)為小矢量,(00)、(11)和(-1-1)為零矢量。

圖3 單相三電平NPC空間矢量圖

由圖3可看出,單相三電平NPC的空間矢量圖被分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個扇區(qū)。在各個扇區(qū)中,指令電壓矢量Vref由最近的兩個矢量V0、V1來合成,根據(jù)伏秒平衡原理,矢量應(yīng)滿足

(3)

(4)

式中:T0、T1分別為矢量V0、V1的作用時間;Ts為開關(guān)周期。

由分析可知:(10)、(0-1)互為冗余矢量,二者對中點電壓的影響相反;(01)、(-10)互為冗余矢量,二者對中點電壓的影響相反;(-1-1)、(00)和(11)互為冗余矢量,且都不會對中點電壓產(chǎn)生影響。因此,在合成指令電壓矢量時應(yīng)當(dāng)根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流和中點電壓的情況,選擇合適的冗余小矢量來實現(xiàn)中點電壓的平衡。定義F=sign(ΔUNP)sign(i),ΔUNP=UC1-UC2為上下電容電壓偏差,i為網(wǎng)側(cè)電流。

在扇區(qū)Ⅰ中,用大矢量(1-1)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量。當(dāng)F=-1時,應(yīng)當(dāng)選擇冗余小矢量(10)來控制中點電壓平衡,考慮到調(diào)制序列從上一個開關(guān)周期到下一個開關(guān)周期的連續(xù)性,將(1-1)作為首發(fā)矢量,采用調(diào)制序列(1-1)→(10)→(1-1);當(dāng)F=1時,應(yīng)當(dāng)選擇冗余小矢量(0-1)來控制中點電壓平衡,采用調(diào)制序列(1-1)→(0-1)→(1-1)。

扇區(qū)Ⅰ中的調(diào)制序列如圖4所示,每次開關(guān)狀態(tài)改變時只有一個開關(guān)函數(shù)發(fā)生變化,且沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變,這就保證了在同一時刻只有一個開關(guān)管開通或關(guān)斷,從而減小了開關(guān)損耗,降低了開關(guān)頻率。扇區(qū)Ⅳ的情況與扇區(qū)Ⅰ類似。

(a)F=-1

(b)F=1圖4 扇區(qū)Ⅰ中的調(diào)制序列

在扇區(qū)Ⅱ中,用3個零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量。當(dāng)F=-1時,應(yīng)該選擇冗余矢量(10)進(jìn)行調(diào)制,考慮到調(diào)制序列從上一個開關(guān)周期到下一個開關(guān)周期的連續(xù)性,將(00)作為首發(fā)矢量,采用調(diào)制序列(00)→(10)→(11)→(10)→(00);當(dāng)F=1時,應(yīng)該選擇冗余矢量(0-1)進(jìn)行調(diào)制,采用調(diào)制序列(00)→(0-1)→(-1-1)→(0-1)→(00)。

扇區(qū)Ⅱ中的調(diào)制序列如圖5所示,每次開關(guān)狀態(tài)改變時只有一個開關(guān)函數(shù)發(fā)生變化,且沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變,保證了在同一時刻只有一個開關(guān)管開通或關(guān)斷,從而減小了開關(guān)損耗,降低了開關(guān)頻率。由于在調(diào)制序列中使用了兩個零矢量,輸出電壓變化的頻率是開關(guān)頻率的兩倍,這就實現(xiàn)了倍頻的效果,可使輸出的波形質(zhì)量更好。扇區(qū)Ⅲ的情況與扇區(qū)Ⅱ類似。

(a)F=-1

(b)F=1圖5 扇區(qū)Ⅱ中的調(diào)制序列

為了實現(xiàn)各個扇區(qū)之間的平滑過渡,防止在扇區(qū)過渡時多個開關(guān)管同時動作,加入了扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列。當(dāng)指令電壓矢量從扇區(qū)Ⅰ過渡到扇區(qū)Ⅱ時,上一個開關(guān)周期結(jié)束時的開關(guān)狀態(tài)為(1-1),而當(dāng)前開關(guān)周期開始時的開關(guān)狀態(tài)為(00)。開關(guān)狀態(tài)由(1-1)跳到(00),會導(dǎo)致兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通,兩個開關(guān)管同時關(guān)斷。為避免這種情況發(fā)生,需加入扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列,此時指令電壓矢量位于扇區(qū)Ⅱ中,可用3個零矢量(-1-1)、(00)、(11)和2個正小矢量(10)、(0-1)來合成指令電壓矢量,因此可采用調(diào)制序列(10)→(00)→(0-1)→(00)→(10)作為過渡調(diào)制序列。從上一個開關(guān)周期過渡到當(dāng)前開關(guān)周期時,開關(guān)狀態(tài)由(1-1)變?yōu)?10);從當(dāng)前開關(guān)周期過渡到下一個開關(guān)周期時,開關(guān)狀態(tài)由(10)變?yōu)?00),不會出現(xiàn)兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷的情況。當(dāng)指令電壓矢量在其他扇區(qū)間過渡時,可用類似方法設(shè)計過渡調(diào)制序列。

當(dāng)指令電壓矢量從扇區(qū)Ⅱ過渡到扇區(qū)Ⅲ或者從扇區(qū)Ⅲ過渡到扇區(qū)Ⅱ時,由于在扇區(qū)Ⅱ和扇區(qū)Ⅲ中的調(diào)制序列都是以開關(guān)狀態(tài)(00)開頭和結(jié)尾,不需要加入過渡調(diào)制序列。4個扇區(qū)中的調(diào)制序列和扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列如表1、表2所示。

3 實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證SVPWM調(diào)制方法的正確性和有效性,在樣機(jī)上進(jìn)行了實驗驗證。實驗平臺由DSP+FPGA共同實現(xiàn),DSP選擇TI公司的TMS 320F28335,FPGA選擇Altera公司的EP2C35F484 C8。實驗基本參數(shù):網(wǎng)側(cè)電壓幅值為70 V,網(wǎng)側(cè)電壓頻率為50 Hz,網(wǎng)側(cè)電感值為6 mH,網(wǎng)側(cè)電感等效電阻值為0.5 Ω,直流側(cè)電容為3.94 μF,直流側(cè)總電壓給定值為100 V,直流側(cè)負(fù)載電阻為25 Ω。

表1 4個扇區(qū)內(nèi)部的調(diào)制序列

表2 扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列

(a)橋臂a的輸入端電壓

(b)橋臂b的輸入端電壓

(c)總的輸入端電壓圖6 橋臂a、b的輸入端電壓和總的輸入端電壓

橋臂a、b的輸入端電壓和總的輸入端電壓如圖6所示,橋臂a的輸入端電壓uAO和橋臂b的輸入端電壓uBO為三電平,疊加之后得到總的輸入端電壓uAB為五電平。網(wǎng)側(cè)電壓us和網(wǎng)側(cè)電流i的實驗波形如圖7所示,us和i保持了較好的同相位。直流側(cè)電壓波形如圖8所示,1.6 s前,設(shè)置上下電容電壓存在60 V左右的偏差;1.6 s后,開始采用中點電壓平衡控制,上下電容電壓趨于平衡。由此看出,中點電壓平衡控制具有很好的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)控制精度。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形

(a)上下電容電壓波形

(b)直流側(cè)總電壓波形圖8 直流側(cè)電壓波形

圖9 負(fù)載發(fā)生突變時網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形

負(fù)載發(fā)生突變時的網(wǎng)側(cè)電壓us和網(wǎng)側(cè)電流i的實驗波形如圖9所示,當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時,網(wǎng)側(cè)電壓us和網(wǎng)側(cè)電流i能夠很好地保持同相位。扇區(qū)過渡時橋臂a、b的輸入端電壓波形如圖10所示,當(dāng)指令電壓矢量位于扇區(qū)內(nèi)部及在扇區(qū)間過渡時,橋臂a、b的輸入端電壓沒有出現(xiàn)100 V的電壓跳變,這說明開關(guān)函數(shù)沒有出現(xiàn)從1到-1或從-1到1的跳變;另外,橋臂a、b的輸入端電壓沒有同時發(fā)生跳變,這說明兩個橋臂的開關(guān)函數(shù)沒有同時發(fā)生變化,與本文所提SVPWM算法相吻合。

圖10 扇區(qū)過渡時橋臂a、b的輸入端電壓波形

4 結(jié) 論

本文通過對單相三電平NPC整流器進(jìn)行研究,提出了一種SVPWM調(diào)制方法。該方法給出了各個扇區(qū)內(nèi)部的調(diào)制序列和扇區(qū)過渡時的調(diào)制序列,在扇區(qū)內(nèi)部和扇區(qū)過渡時都不會出現(xiàn)多個開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷的問題,并且輸出電壓每次的跳變量都為直流側(cè)電壓的1/2。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)中點電壓控制,且具有倍頻的效果,通過實驗驗證了該方法的正確性和有效性。

[1] 李睿, 孫巖樺, 邱洪, 等. 三態(tài)空間電壓矢量分布三橋臂開關(guān)功放控制 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2015, 49(12): 71-76. LI Rui, SUN Yanhua, QIU Hong, et al. A control method of switching power amplifiers with triple-arm SVPWM [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(12): 71-76.

[2] 易龍強(qiáng), 戴瑜興. SVPWM技術(shù)在單相逆變電源中的應(yīng)用 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2007, 22(9): 112-123. YI Longqiang, DAI Yuxing. SVPWM technique applied to single-phase inverter power [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(9): 112-123.

[3] SONG Wensheng, WANG Shunliang, XIONG Chenglin, et al. Single-phase three-level space vector pulse width modulation algorithm for grid-side railway traction converter and its relationship of carrier-based pulse width modulation [J]. IET Electrical System in Transportation, 2014, 4(3): 78-87.

[4] 宋文勝, 馮曉云. 一種單相空間矢量脈寬調(diào)制優(yōu)化方法 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(4): 107-113. SONG Wensheng, FENG Xiaoyun. A single phase SVPWM optimized method [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(4): 107-113.

[5] 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(jī)工程學(xué)報, 2010, 30(27): 62-68. ZHANG Zhi, XIE Yunxiang, LE Jiangyuan, et al. Study of SVPWM method for single-phase three-level diode-clamped inverter [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(27): 62-68.

[6] 宋文勝, 馮曉云. 一種單相三電平SVPWM調(diào)制與載波SPWM內(nèi)在聯(lián)系 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(6): 131-138. SONG Wensheng, FENG Xiaoyun. Relationship between single phase three-level SVPWM and carrier SPWM [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(6): 131-138.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

謝楨,付立軍,肖飛,等.三電平直流變換器平衡中點電位的雙移相PWM控制研究.2013,47(4):64-72.[doi:10.7652/xjtuxb201304012]

梁法春,王棟,楊桂云,等.氣液兩相流臨界分配特性及相分離控制.2015,49(1):53-58.[doi:10.7652/xjtuxb201501009]

李睿,孫巖樺,邱洪,等.三態(tài)空間電壓矢量分布三橋臂開關(guān)功放的控制.2015,49(12):71-76.[doi:10.7652/xjtuxb2015 12012]

謝楨,付立軍,肖飛,等.三電平直流變換器全模式小信號建模和控制器設(shè)計.2013,47(6):109-116.[doi:10.7652/xjtuxb201306019]

王昆明,謝建,周召發(fā),等.雙軸旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差參數(shù)標(biāo)定方法.2016,50(10):153-160.[doi:10.7652/xjtuxb2016 10023]

郭仁飛,莊健,于德弘.用于三維形貌定量測量的調(diào)制電流式掃描離子電導(dǎo)顯微鏡.2016,50(7):83-88.[doi:10.7652/xjtuxb201607013]

張平,張小棟,董曉妮,等.滑動軸承潤滑油膜厚度光纖動態(tài)精密檢測模型.2016,50(5):45-50.[doi:10.7652/xjtuxb 201605007]

劉健伶,陳志剛,王磊.一種自適應(yīng)廣義空間調(diào)制及其低復(fù)雜度算法.2016,50(4):48-53.[doi:10.7652/xjtuxb201604008]

常雪劍,彭博,劉凌,等.新型非奇異終端滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無傳感器控制.2016,50(1):85-91.[doi:10.7652/xjtuxb201601014]

(編輯 趙煒)

Application of SVPWM in Single Phase Three-Level Neutral Point Clamped Rectifiers

DUAN Wenyan1,HE Yingjie1,2,LIU Yunfeng1,LIU Jinjun1

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 401121, China)

Aiming at the problem of multiple switches simultaneous turning on or off in single-phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifiers, we put forward a space vector pulse width modulation (SVPWM) method. This method can reasonably design the modulation sequences inside each sector, and add transition modulation sequences in sector switch, so as to ensure the continuity of switching states. On the basis of analyzing the influence of each switching state on the neutral point voltage, this method selects appropriate redundant small vector according to the neutral point voltage and grid current, so as to achieve the neutral point voltage control. In addition, by using redundant zero vectors, this method can achieve the effect of frequency doubling. For this SVPWM method, a prototype was built to carry out experimental research. The experimental results showed that the proposed SVPWM method can guarantee only one switch turning on or off at one time, and the change of the output voltage is always half the DC side voltage, and that the phase of the grid voltage is the same as that of the grid current, with good dynamic performance. This method can realize the neutral point voltage control with fast dynamic response speed and accurate steady control.

single phase three-level neutral point clamped (NPC) rectifier; sector transition; neutral point voltage control

2016-03-29。 作者簡介:段文巖(1990—),男,碩士生;何英杰(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50907052);陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2014JQ7271);輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室訪問學(xué)者資助項目(2007DA10512714405)。

時間:2016-09-14

10.7652/xjtuxb201611014

TM46

A

0253-987X(2016)11-0091-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160914.1805.004.html