棄用大矢量SVPWM在級聯多電平中的應用

譚風雷， 張兆君， 杭 峰， 李義峰， 朱 超

(國網江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

H橋級聯多電平換流器可以模塊化設計，易于擴展，冗余配置簡單，當要求多電平輸出時，只需要在每相中串聯多個H橋模塊即可。當每相串聯N個H橋模塊時，可以實現2N+1電平輸出，且由于不存在串聯分壓的問題，使其在多電平換流器的技術領域有著廣闊的應用前景[1-2]。

空間矢量調制技術(SVPWM)控制效果好，開關損耗低，直流電壓利用率高、輸出電壓諧波含量低等優點，在兩電平和三電平領域有著廣泛的應用。但是，隨著電平數的增加，電壓矢量空間越發復雜，冗余電壓矢量急劇增加，從而使傳統的SVPWM難以實現理想的控制效果[3]。本文針對三電平SVPWM調制技術，重點研究中點電壓平衡。文獻[4]提出合理分配成對小矢量作用時間的均壓方法，即將直流側上下電容電壓的差值經過PI調節器后，平均分配到成對小矢量的作用時間中。文獻[5]提出一種基于平衡因子的均壓控制方法，該方法基于能量平衡原則，推導得到平衡因子，利用平衡因子重新分配成對小矢量的作用時間。文獻[6-8]考慮到零矢量和大矢量不會影響直流側中點電壓的平衡，以及小矢量和中矢量將會影響中點電壓平衡，提出棄用中矢量三電平SVPWM，通過調制算法自身來實現中點電壓平衡。

1 棄用大矢量三電平SVPWM

圖1是二極管鉗位型三電平換流器的拓撲結構，設直流側上、下電容電壓均為Udc且電容中性點電位為零，其工作原理以a相為例進行說明，當功率器件Sa1和Sa2導通時，輸出電壓為+Udc；當功率器件Sa2和Sa3導通時，輸出電壓為0；當功率器件Sa3和Sa4導通時，輸出電壓為-Udc，利用功率器件的切換，可以實現三電平的輸出。假設Sa，Sb，Sc分別表示a、b、c相的開關狀態，則Sa，Sb，Sc可以表示成：

(1)

圖1 二極管鉗位型三電平換流器拓撲結構

文獻[6-7]考慮到中矢量將會導致直流側中點電壓不平衡，而現有均壓控制方法一般是通過合理分配成對小矢量來平衡中點電壓，考慮將中矢量棄用后，剩余電壓矢量中只有小矢量影響中點電壓平衡，同時成對小矢量對中點電壓作用相反，這樣調制方法就可以自動實現中點電壓平衡，無須額外的均壓控制方法。但實驗結果證明由于功率器件的差異，該調制方法很難自動實現中點電壓平衡，仍需借助額外的均壓控制方法。

文獻[8]棄用中矢量三電平SVPWM的思想，考慮到大矢量不會影響直流側中點電壓平衡，在正常調制比范圍內也不制約直流電壓的利用率，在保證良好控制效果的條件下，本文提出了一種棄用大矢量的三電平SVPWM調制方法。該方法棄用6個大矢量，使用剩余的零矢量、小矢量和中矢量來合成參考電壓矢量，并重新劃分大扇區和小區域，計算基本電壓作用時間，合理安排開關序列，在保證控制效果的情況下，簡化了分區，降低了空間復雜度，使算法更利于實現。

1.1 劃分矢量區域

圖2是棄用大矢量三電平SVPWM空間矢量分區圖。矢量空間劃分為6個大扇區，每個大扇區又分為3個小區域，形成了18個基本區域，使得有效空間矢量從27變為21，有效矢量區域從24變為18。

圖2 SVPWM矢量空間分區圖

1.2 合成參考電壓

根據伏秒特性，參考電壓矢量采用與其相鄰最近的三個基本空間矢量來合成。圖3是第Ⅰ扇區參考電壓合成圖，圖中Vref為參考電壓矢量，下面以第Ⅰ扇區為例進行說明：

圖3 第Ⅰ扇區參考電壓合成圖

第Ⅰ1區：由零矢量VZ，小矢量VS1和中矢量VM1合成；

第Ⅰ2區：由小矢量VS1，中矢量VM1和VM6合成；

第Ⅰ3區：由零矢量VZ，小矢量VS1和中矢量VM6合成。

1.3 安排開關序列

合理安排開關序列有利于減少開關器件的損耗，實現中點電壓的均衡控制。原則一：盡量減少開關次數，降低開關損耗；原則二：盡量使得每個開關作用時間相等；原則三：盡量有利于中點電壓的平衡控制。文中采用合理分配成對小矢量作用時間的方法來實現中點電壓平衡。基于以上3個原則可以得到七段式的開關序列，表1給出了第Ⅰ扇區的開關序列。

表1 第Ⅰ扇區的開關序列

2 三電平SVPWM在級聯多電平中的應用

2.1 單個H橋SVPWM

圖4是單個H橋級聯拓撲結構，由三相H橋構成，每相有一個H橋換流器，每個H橋換流器有兩個端點，一端接電網，另一端與其他兩相的相應端構成星型連接。假設電容電壓值為Udc，其工作原理以a相為例進行說明，當功率器件Va1和Va4導通時，輸出電壓為+Udc；當功率器件Va1和Va3或Va2和Va4導通時，輸出電壓為0；當功率器件Va2和Va3導通時，輸出電壓為-Udc，利用功率器件的切換，從而可以實現三電平的輸出。

圖4 單個H橋拓撲結構

二極管鉗位型三電平換流器和單個H橋級聯換流器的工作原理如表2所述。

深入分析表2可以得知：當Va1=Sa1，Va2=Sa3，Va3=Sa4，Va4=Sa2時，單個H橋級聯換流器與二極管鉗位型三電平換流器輸出相同，應用于二極管鉗位型換流器的三電平SVPWM，即可應用到單個H橋級聯換流器中。

表2 二極管鉗位型換流器和H橋級聯換流器的工作原理

2.2 多個H橋級聯SVPWM

當每相串聯N個H橋換流器時，輸出電壓為單個H橋的N倍，還是三電平，難以出現多電平波形。因此，要想提高波形的質量，實現多電平的輸出，必須要將三電平SVPWM與載波移相技術[9-10]相結合。具體實現方法為：三相每組H橋換流器對應一個三電平SVPWM調制，每個三角載波相差1800/N，這樣即可實現2N+1電平輸出。

2.3 直流電壓控制方法

H橋級聯多電平換流器直流電壓控制一般分為兩層，第一層主要用于控制每相直流總電壓，稱為穩壓控制層；第二層主要用于將每相的直流總壓均壓分配到每一個H橋子模塊上，稱為均壓控制層。

2.3.1 穩壓控制層

圖5是穩壓控制層原理圖，圖中Udc*為總電壓目標值，Udca、Udcb、Udcc分別為a、b、c三相的電容總電壓，Usa為a相電壓電壓。穩壓控制層包括兩個部分，分別是相間電壓平衡和相內總壓穩定。相間電壓平衡主要用于保證三相總電壓恒定，現實過程可以表示成：

(2)

式中：KV1,KV2分別為電壓外環PI調節器的比例、積分系數。

相內總壓穩定主要用于保證該相總電壓恒定，實現過程以a相為例進行說明：

(3)

式中：KI1，KI2分別為電壓內環PI調節器的比例、積分系數，Ks為電源電壓P調節器的比例系數。

圖5 穩壓控制層原理圖

2.3.2 均壓控制層

圖6是均壓控制層原理圖，圖中Udcai為a相第i個H橋子模塊的電容電壓，ica為H橋換流器的輸出電流。

圖6 均壓控制層原理圖

均壓控制層主要用于重新分配相內能量，使得相內所有H橋子模塊電容電壓相等。以a相為例說明其實現過程，單個H橋子模塊電容電壓目標值與單個H橋子模塊電容電壓實際值作差，經過P調節器，再乘以±1，即可得到均壓控制參考電壓V2ai，V2ai正負號取值如表3所示。

表3 V2ai正負號取值

3 仿真分析與研究

為了驗證本文所提出的棄用大矢量三電平SVPWM的有效性和可行性，在PSCAD/EMDTC中搭建了基于H橋級聯換流器的五電平靜止無功發生器仿真模型，補償阻感負載，模型參數如表4所示。

表4 模型參數

圖7和圖8傳統三電平SVPWM、棄用大矢量三電平SVPWM驅動信號與輸出電壓波形。相比傳統三電平SVPWM，棄用大矢量三電平SVPWM的功率器件Va1和Va4在半個工頻周期里驅動信號更密集，即功率器件開關次數更多，開關損耗更大，從而驗證了棄用大矢量三電平SVPWM開關損耗相對較大的正確性。

圖7(c)中輸出電壓波形為完美規則的五電平，表明三電平SVPWM采用載波移相技術后可以有效實現2N+1電平輸出，從而驗證了載波移相技術的有效性。由圖8(c)可知，棄用大矢量三電平SVPWM采用載波移相技術后可以實現2N+1電平輸出，但輸出電壓波形的質量相對較差。

圖7 傳統三電平SVPWM驅動信號與輸出電壓

圖8 棄用大矢量三電平SVPWM驅動信號與輸出電壓

圖9是傳統三電平SVPWM電壓、電流仿真結果。由9(a)可知，兩個H橋子模塊的電容電壓都在175V左右波動，波動幅值不超過2V且波動趨勢幾乎完全重合，穩壓和均壓效果好，從而驗證了傳統三電平SVPWM控制策略的有效性。由圖9(b)可知，無功補償后，a相電壓(實際繪圖中電壓縮小了5倍)與a相電流完全同相位，功率因數幾乎為1，補償效果好。圖9(c)(d)分別是三相電源電流和三相輸出電流，顯然三相波形完全對稱，高度正弦化，畸變率低，波形質量較好，驗證了傳統三電平SVPWM在級聯靜止無功發生器中應用的有效性。

圖9 傳統三電平SVPWM電壓、電流仿真結果

圖10 棄用大矢量三電平SVPWM電壓、電流量仿真結果

圖10是棄用大矢量三電平SVPWM電壓、電流仿真結果。由圖10(a)可知，兩個H橋子模塊的電容電壓一個在176 V左右波動，另一個在174 V左右波動，電壓波動范圍都為±2 V，直流側總壓維持在350 V，而子模塊均壓效果稍有偏差，但整體穩壓和均壓效果滿足現場實際要求。由圖10(b)可知，無功補償后，功率因數幾乎為1，補償效果與傳統三電平SVPWM相近。由圖10(c)可知，三相電源電流波形完全對稱，高度正弦化，畸變率低，而三相輸出電流波形有些毛刺，使得波形畸變率有所增加，但考慮到輸出電流幅值為10 A，較小，隨著輸出電流的增加，波形畸變率將進一步降低，補償效果可以滿足實際要求，從而也驗證了棄用大矢量三電平SVPWM在級聯多電平中應用的可行性。

綜上所述，同載波移相技術相結合應用到級聯多電平中時，傳統三電平SVPWM和棄用大矢量三電平SVPWM調制方法特點如表5所示。

表5 兩種三電平SVPWM調制方法特點

4 結論

在深入理解傳統三電平SVPWM特點的基礎上，考慮到大矢量既不會影響直流側中點電壓的平衡，在正常調制比范圍內又不會制約直流電壓的利用率，提出了一種棄用大矢量三電平SVPWM調制方法。將三電平SVPWM與載波移相技術相結合應用到級聯多電平中，并詳細給出了直流電壓控制方法，可以有效實現2N+1電平輸出，最后仿真結果驗證了該調制方法的有效性和可行性。

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