三电平空间矢量调制变流器的研究

1、电力与新技术专题之微电网中三电平空间矢量调制变流器的研究姓名：叶青峰 学号：2015120506019 前言 随着基于可关断电力电子器件的柔性输配电装置及高压变频设备的快速发展,多电平变流器及相关技术日益成为研究的热点"目前,微电网虽然仍以低电压等级为主,但对于风电场这类容量较大的分布式发电,低压线路传输显然很不经济,而且多电平变流器还具有开关损耗小！谐波含量少等优点,这对于减少谐波污染,改善微电网电能质量有着重要的作用"调制技术是多电平变流器的关键核心技术,特别是空间矢量调制技术以其直流电压利用率高!易于数字实现!开关损耗低等优点,一直受到相关领域研究人员的广泛关注。 中

2、点箱位式三电平变流器相对于传统两电平变流器具有明显的优势,从而在中高压大功率的场合得到了广泛的应用:由于开关器件承受的电压仅为直流母线电压的一半,对于给定的功率半导体器件,这种特性使得电压型变流器的功率等级提高了一倍;而且这种功率等级的提高并不需要增加额外的硬件设施,进一步降低了无源器件的尺寸!重量和费用,同时也改善了输出波形的质量。但三电平变流器也存在一些问题值得研究和解决,尤其是中点电压平衡问题。如果中点电压波动太大或者发生偏移,会导致输出电压波形发生畸变,甚至可能击穿电力电子器件。本章主要对三电平空间矢量调制变流器的控制原理及特点作一个详细的介绍。1 三电平空间矢量调制原理 对于三电平变

3、流器的控制,目前常用的控制策略有正弦PWM(SPWM)和空间矢量PWM(SVPWM)"本节主要对SVPWM的控制原理进行讨论,它是采用变流器可能输出的矢量组合去逼近目标矢量的方式来实现对开关器件的控制,分为开环和闭环两种"开环的方式即为计算好当前所需要得到的矢量,然后决定采用相应的输出矢量去逼近;闭环的方式通过计算的方式来得到开关状态和作用时间,同时还对实际的输出电量参数进行解祸!辨识,将辨识好的参数反馈,实现闭环运行,使得系统的动态响应和控制精度大大提高。SVPWM的优点是对输出矢量直接控制,开关次数少,直流电压的利用率高,缺点是当电平数大于三时,计算量非常大,实现难度较

4、大"1.1三电平变流器的结构 空间矢量调制技术最初源于电动机磁链跟踪技术,在交流电机调速系统中,为了产生恒定的电磁转矩,必须保证定子电流产生圆形旋转的磁场,这种以产生圆形旋转磁场为目标合理控制开关导通和关断控制就是磁链跟踪技术。图1一1三电平变流器主电路 图1一1给出了三电平变流器的主电路结构图,对于普遍意义上的SVPWM方法,空间一词仅具有数学上的意义,无实际物理意义"该方法从数学角度出发,将变流器三相电压定义在互差120"的坐标轴上,经矢量合成后形成a一坐标系下的空间电压矢量Us为： （1-1）式中,Ua、Ub、Uc为三相输出电压。在三电平变流器主电路结构中,

5、每相每次只有相邻的两个开关管导通,这样就形成了三个开关状态,每相的电压也就只有三种状态:、0、-。这里我们引入开关函数 （i=a、b、c），具体定义如下： （1-2） 对于中点箱位式三电平变流器,建立等效的开关模型,如图1-2所示。图1-2 等效开关模型示意图从图中可以看出,三电平变流器三相开关状态的排列组合后一共有27种开关状态"1.2空间矢量的分类在两相静止a-坐标系中,固定的开关状态形成了固定分布的基本矢量,27种开关状态可以形成27个空间基本矢量,如图1-3所示。根据模长的不同,这些矢量可以分为零矢量!小矢量!中矢量和大矢量,其中零矢量和小矢量都是冗余的"每个中矢量

6、和大矢量都对应一种固定的开关方式,而6个小矢量都有两种不同的开关状态,零矢量有三种不同的开关状态。每一种开关状态可以用一个十六进制控制字的形式表现,这样便于保证各开关管输出的同步性"开关管编号S1-S12对应了从低到高的十二位二进制数,”0”表示该开关管关断,”1”表示开通,每四位二进制数表示一相开关管的开断组合,比如小矢量336对应的C相的二进制表示为”0110”,即S2、S3导通,S1、S4关断。这样控制的一个优点就是当确定了一个矢量以后,可以通过逻辑电路实现对十二个开关管的同步控制,而且中间的转换过程比较简单直观。图1-3三电平逆变器空间电压矢量图1.3空间矢量的合成图1-4扇

7、区I的空间电压矢量图三电平变流器中,基本电压矢量只有19种。因此,对于新增加的空间矢量是不能直接通过开关状态来实现的,新增加的空间矢量必须通过电压空间的基本矢量经过解空间矢量方程来合理的分配基本电压矢量作用时间来等效形成的。在对空间电压矢量进行分析时,由于其对称性可以只取其中一个扇区分析,其他区的情况类似,现取第一扇区作详细讨论,如图1-4所示"当确定了参考电压矢量后,就可以按照伏秒平衡原则,由构成其所在分区的基本电压矢量(U0-U5)来实现其合成"为了减少变流器输出电压的谐波,合成空间矢量时候选取基本空间矢量一般都尽量用空间矢量顶点所在区域的最小三角形的三个顶点上的矢量。

8、如图中空间矢量落在C分区内,则按照上面的合成原则选取基本电压矢量U1、U3、U4来形成"三个矢量的作用时间T1、T3、T4可以通过伏秒平衡原则计算得到:（1-3） 式中,为空间矢量调制的控制周期。在其他几个分区也可以通过类型的方法选取基本电压矢量并计算每个矢量分别作用的时间。2中点电压波动的产生和抑制所谓中点电压波动,是指在多电平逆变器中,由于直流分压电容充放电不均衡造成中点电压不平衡"中点电压的增减取决于开关模式的选择!负载电流方向!脉冲持续时间及所选用的电容等,这一电压不平衡会引起直流侧电容电压过高和输出电压的畸变等一系列不良后果;另外变流器某些开关管承受的电压增高,从

9、而降低了系统的可靠性,中点电位波动也降低了直流侧电容的寿命。总之这种多电平拓扑结构的固有优点在中点电位不平衡时丧失殆尽。2.1中点电压波动的原因造成中点电压波动的原因主要有两个:一个是由于开关器件本身的杂散特性不一致；另一个是由变流器拓扑结构自身固有的特点所造成的"这里对于由开关器件自身特性不一致引起的中点电压波动问题暂不讨论,主要讨论一下由第二个原因引起的波动问题。三电平变流器在能量转换时候中点电位参与能量的传输,因此会产生两个电容电压分压不均的问题。对于图1-2所示的等效模型,有以下关系式：（1-4） 中点电压和流出中点电流的关系可以表示为：（1-5）由式(1-5)可以看出,只要

10、中点有电流流过,即只要三相中有开关连接到中点的时候(三相同时除外),就可能影响中点的电位,且中点电流的方向决定了中点电压飘移的方向。2.2中点电压波动的抑制在分析了中点电压产生波动的原因和引起波动的中小矢量关系后,就可以通过控制手段对其进行抑制。由于中点电压波动问题是电容箱位式三电平变流器的固有问题,不可能完全消除,因此,通过适当的控制使一个控制周期后中点电位重新归于0是首要解决的问题。虽然在控制周期内中点电位有所波动,但当这一周期很小时,这种波动可以忽略。图2-1重新分区后的空间电压矢量图对于三电平变流器的中点电压平衡问题,提出了一种基于中矢量由冗余小矢量合成的空间矢量调制方法,进行了中点电

11、压控制的研究,取得了较好的结果,但该文所给出的调制方法对于系统运行过程中出现的中点偏移情况却没有讨论.本节在上述方法的基础上提出了一种改进算法,该算法通过对不同开关状态时电容的充放电特性进行分析,实现了对中点电压进行精确控制,有效的抑制了中性点电压的波动。如图1-6所示,当电压矢量U1作用时,它有两种不同的矢量状态366和6CC,他们对中性点电压的作用是相反的,前者中性点流出的电流为一ia,在它的作用下,中性点电压上升(假设ia>0);后者为ia,在它的作用下,中性点电压下降。因此,可以利用成对出现的正负小矢量的这个特点对中性点电压波动进行控制,但是当调制深度较大时,一个控制周期内中矢量

12、的作用时间将占绝对优势,其引起的中点电压偏移将很难通过正负小矢量来平衡,从而使中点电压波动较大。本节在这一基础上采用如图1-7所示的分区方式,图中将扇区I分成A-E五个小分区,每个分区都是由三个基本矢量所张成,与原先的分区方法(如图中虚线所示)所不同的是该分区形式需要引入一个虚拟的中矢量Uv,它是由矢量U1、U2及U4按照中性点电流平衡原则合成的。 由前面的分析可知,小矢量6CC作用时中点电流为ia,小矢量336作用时中点电流为ic,中矢量36C作用时中点电流为魂,在变流器正常运行时,三相电流对称,如果将中矢量的作用时间平均分配给这三个矢量,则它们对中点电流的作用效果可以表示为气=(ia+ib

13、+ic)/3=0。基于这个思想,可以定义虚拟中矢量为: （1-6） 式中,Uv为虚拟电压矢量。基于这个原理形成新的矢量重新分区后,构成任何一个分区的矢量都能平衡中点电流,从而对中点电压的波动起到了很好的抑制作用。3 三电平SVPWM变流器的仿真分析本节采用PSCAD/EMTDC仿真软件对本章所提出的三电平变流器空间矢量控制方法进行仿真研究。PSCAD/EMTDC允许用户自定义仿真模块,为了使仿真研究具有通用性和可移植性,本仿真通过C语言自定义了SVPWM矢量序列的产生模块使仿真计算不必受到自带元件模型的限制,从而增强了仿真的灵活性。3.1仿真参数 在已知参考矢量的前提下，为了验证本章提出的控制

14、算法的有效性，仿真利用三相对称的阻感性负载进行实验。负载参数如下:额定电压为380V,阻抗为14，功率因数为0.89。变流器参数如下:直流电压为540V,输出交流电压为380V,基波频率为50Hz,直流电容为200uf，控制周期为500us，IGBT最小开通时间为20us。3.2仿真结果分析 图3-1为变流器输出的相电压!相电流波形,图3-2为变流器输出的线电压波形,从波形中可以看出本章所提出的控制策略能够很好的控制变流器运行。图3-1输出相电压!相电流波形图3-2输出线电压波形 这里对图1-4和图2-1所示的两种分区格式的控制策略进行了对比，图3-3为这两种分区格式下的中点电压波动情况,0.

15、14秒以前为采用如图1-4所示分区格式得到的波形,0.14秒以后采用本章改进的分区算法得到的波形。可以看出采用本章的算法后,中点电压波动得到了明显的抑制,振幅降为前者的10%左右。除此之外,本章采用的控制算法还有很好的稳定性,这里对三相发生不对称故障进行了仿真,系统在0.巧秒时发生AB相间故障,故障持续0.01秒,如图3-4所示。从仿真波形中可以看出,当故障切除以后,采用中点控制算法的中点电压半个周波内恢复到故障发生以前的状态而且保持稳定。图3-3两种分区格式下的中点电压对比图3-4故障情况下的中点电压波形 本文介绍了多电平变流器的拓扑结构及其优点：1、可以使用低压小容量的器件实现高压大容量的设备，并且克服了直接将开关器件串联带来的不足；2、对于需要的目标输出来讲，多电平技术可以得到多个电平,可以使得系统输出dv/dt大大的减少；3、由于输出波形的组成电平数增多，可在控制技术中较容易的消除更多谐波；4、可以用较低的开关频率来达到较理想的目标输出波形，大大减少器件的开关损耗。然后分析了三电平变