基于矢量分解的多電平逆變器簡化SVPWM算法

發布時間：2021-09-02所屬分類：免費文獻瀏覽：1次

摘 要： 電測與儀表

《基于矢量分解的多電平逆變器簡化SVPWM算法》論文發表期刊：《電測與儀表》；發表周期：2021年06期

《基于矢量分解的多電平逆變器簡化SVPWM算法》論文作者信息：郭佳才( 1988—) ，男，湖南郴州人，工程師，碩士，主要從事多電平變換器方面的研究。

　　摘要: 為進一步提升多電平逆變器空間矢量脈寬調制( Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 算法的計算效率，并增強其拓展性，提出了一種基于矢量分解的簡化算法。介紹了一種基于虛擬作用時間的兩電平 SVPWM 算 法，不需經過區域判斷即可實現基本電壓矢量作用時間的統一計算，從而減少算法計算量; 通過將參考矢量分解為多電平基本矢量和兩電平參考矢量，將多電平空間中電壓矢量的合成轉化到兩電平空間下進行，從而簡化多電平SVPWM 算法的實現。采用該算法生成多電平基本矢量作用序列及計算其作用時間的復雜度與電平數無關，擴展性較強，便于將其應用于多電平逆變器中。通過三相五電平 NPC /H 橋逆變器的 PSCAD 仿真及三電平逆變器的樣機實驗證明了所提方法的有效性。

　　關鍵詞: 多電平逆變器; SVPWM; PSCAD

　　Abstract: In order to further improve the computational efficiency and enhance extensibility of space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm for multilevel inverters, a simplified algorithm based on vector decomposition is proposed in this paper. Firstly, this paper presents a novel two-evel SVPWM algorithm based on virtual time, with a unified calculation method to determine the action time of the basic voltage vector. This algorithm can avoid regional judgment, reducing the amount of computation. Then, the implementation of the proposed multilevel SVPWM algorithm is introduced in detail by decomposing the reference vector into multilevel basic vector and two-evel reference vector, the synthesis of voltage vector in multilevel space is transformed to two-evel space. The complexity of generating the sequence of multileve basic vector and calculating its time of action has nothing to do with the specific level of the inverter, which has strong expansibility and is prone to be used in multilevel inverters. The effectiveness of the proposed method is proved by the PSCAD simulation of a three-phase five-Hevel NPC/H bridge inverter and the prototype experiment of the threedevel NPC inverter.

　　Keywords: multilevel inverters, SVPWM, PSCAD

　　0 引 言

　　在中、高功率領域中，多電平逆變器的應用日漸廣泛[1-2]。多電平逆變器輸出電壓是由多電平直流電壓合成，因此其輸出電壓波形比二電平逆變器更平滑。在多電平逆變器脈沖寬度調制( PWM) 技術中，應用最廣泛的是 SPWM 和 SVPWM。

　　載波移相調制技術( Carrier Phase-shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation，CPS-PWM) 因具有原理簡單，易于實現等特點被用于對模塊化多電平逆變器進行控制等場合[3-4]。與 SPWM 相比，SVPWM 具有直流電壓利用率高、易于數字化實現等優點[5]，各種具有特定功能的 SVPWM 算法相繼被提出[6-7]。一般來說，SVPWM的實現包括電壓參考矢量的扇區識別、開關時間計算、確定開關矢量和切換順序等步驟4]。由于基本電壓矢量的數量與輸出電平數之間滿足三次方關系，隨電平數增多，算法中開關狀態作用時間計算等步驟的程序耗時急劇增加，導致傳統SVPWM算法僅適用于輸出電平數較低的場合[0。因此，多電平SVPWM的簡化實現引起了眾多學者的研究。對于扇區判斷，可以通過采用坐標變換[12或多次比較三相參考電壓回等方式來實現。最優矢量切換順序可用查表法確定回，而基本矢量作用時間的計算可通過將多電平參考矢量映射到三電平空間下的電平轉換技術來減小計算量[1。更進一步地，為簡化開關狀態的確定，使基本矢量與開關狀態一一對應，避免冗余現象，文獻[4]中提出了一種基于三維空間實現的多電平SVPWM算法。

　　為簡化多電平SVPWM算法的實現，本文在文獻05]的研究基礎上，進一步簡化了多電平參考矢量所在區域的判定以及兩電平空間下開關矢量的作用時間計算和作用順序確定等步驟。該方法首先根據參考矢量的幅值和相位，確定用于進行矢量分解的多電平基本矢量，進行矢量分解：然后，利用基于虛擬作用時間的兩電平SVPWM算法來得到兩電平優化開關序列;最后，結合多電平基本矢量，通過開關狀態反修正得到多電平開關狀態序列。利用PSCAD仿真與樣機實驗證明了本文理論的正確性。

　　1 基于虛擬作用時間的兩電平調制算法

　　1. 1 具體實現方法

　　兩電平電壓矢量空間如圖 1 所示。

　　將表1與文獻5]中根據傳統兩電平SVPWM算法計算所得基本矢量優化作用序列完全一致。

　　綜上，采用本文所設計的基于虛擬作用時間的兩電平SVPWM算法，無需傳統兩電平算法中的參考矢量區域判定：采用統一的計算公式直接根據參考矢量得到各基本矢量的作用時間，生成優化開關狀態序列，省去按區調整作用時間計算方式的步驟。

　　2多電平SVPWM簡化算法

　　本節將以五電平逆變器為例來詳細說明本文所設計多電平SVPWM簡化算法的具體實現思路。

　　2.1基本電壓矢量

　　用數字組合"y2"來表示三相五電平逆變器A、B C各相輸出相電壓的電平狀態，其中，xy、z分別可取0.1.2.3.4五種電平狀態"0"代表該相此時的輸出電壓為"-v./2"電平狀態;類似地"1"代表“-V4/4"電平狀態："2”代表"0"電平狀態"3”代表“V44"電平狀態"4"代表"V/2"電平狀態。從而，五電平電壓矢量空間可表示如圖3所示。圖3中，各矢量所對應的開關狀態均只寫出一個。

　　2. 2 矢量空間分區及基本矢量選取

　　對于圖 4 中的每一層，將該層外接正六邊形上的所有三角形頂點與正六邊形的中心連接起來，將該層劃分為若干個區域，并且合并六邊形六個頂點附近的兩個區域，據此對整個矢量空間中的各層進行分區。 以 L3和 L4層為例，其分區情況分別如圖 5( a) 、圖 5( b)所示，其他層可同理劃分。

　　為實現矢量分解，需確定各個分區中所要用到的多電平基本矢量�；�本矢量的選取原則為：各個區域中，以基本矢量頂點為中心的兩電平六邊形空間組合起來應覆蓋整個分區，使得當參考矢量頂點落在該區域時，總能找到一個多電平基本矢量，將參考矢量分解為該基本矢量與一個兩電平矢量。根據該原則，在五電平SVPWM中，對于1，和1，層，本文所選取的多電平基本矢量如圖5所示。對于空間中的其他分區，可同理選取相應的多電平基本矢量。

　　2.3簡化算法

　　根據前述區域劃分方法，對于五電平空間中線性調制范圍內的任意參考矢量V，均可用有序組合

　　"LxSx"來唯一確定其所在區域。

　　假定某一時刻V，位于圖5所示LS，區域，結合圖3與圖5，可知此時用于對V，進行分解的多電平基本矢量V。為"330"，在確定V。之后，經下式計算得到兩電平空間下的參考矢量V：

　　在得到V，之后，再利用本文第一節所介紹兩電平SVPWM算法計算得到兩電平優化開關狀態序列。然后，結合上v。經開關狀態反修正即得多電平開關序列。

　　對于圖4中矢量V，經矢量分解后所得的v，位于圖1中的區域111因此與其對應的兩電平開關序列為：

　　(000)→(010)→(011)→(111)→(011)→(010)(000)。將此序列加上V。所對應的電平狀態"330"，即得五電平開關序列：(330)→(340)→(341)→(441)→(341)→(340)→(330)，開關序列經驅動電路放大后用于對逆變器進行控制

　　綜上，本文所設計的多電平SVPWM簡化算法的實現步驟如下：

　　(1)針對具體的N電平逆變器，對其電壓矢量空間進行分區，也即確定好1，和S，;

　　(2)確定各分區"L，S，"中的N電平基本矢量

　　(3)根據給定的N電平參考矢量V，利用其幅值和相角確定出其所屬分區"L，S，"，從而找到相對應的N電平基本矢量Vo：

　　(4)經矢量減法得到兩電平參考矢量v，通過采用基于虛擬作用時間的兩電平調制算法計算出兩電平空間下的開關序列：

　　(5)利用Vo，經開關狀態反修正即可得N電平開關序列。

　　需要指出的一點是，上述步驟中(1)和步驟(2)為基本準備工作，在具體應用時應事先完成。

　　3仿真與實驗驗證

　　3.1五電平仿真驗證

　　為驗證本文所設計方法的正確性和有效性，搭建了三相五電平NPC/H橋逆變器PSCAD仿真模型，具體仿真參數為：直流側電壓600 v，開頻率20 kHz，三相電阻負載50 2，濾波電感20 mH，三相參考電壓頻率50 Hz。考慮到驗證的全面性，本文在高低兩種調制度下進行了仿真實驗，仿真結果如圖6、圖7所示。

　　分析圖6可知，當m=0.173時，參考矢量位于L，層，此時逆變器A相輸出電壓相對直流側中點只有"1"、"2、"3”三種電平狀態，AC線電壓為5電平，負載相電壓約為60 V：隨著調制度的上升，參與合成參考矢量的基本矢量中所含的電平狀態種類有所增加，根據圖7，當m=0.6時，逆變器A相輸出電壓相對直流側中點呈現五電平，AC線電壓為9電平，負載相電壓約為210V。所得仿真結果的波形效果與文獻[6]中采用基于三電平簡化的多電平SVPWM算法基本一致。

　　3.2 三電平實驗驗證

　　為進一步驗證文中理論研究的正確性，利用三電平逆變器樣機進行實驗驗證。實驗參數與3.1節仿真設置相同。實驗時，利用Boost三電平斬波器來平衡直流側中點電位，保證逆變器正常工作。

　　在不同調制度下，分別統計本文所提算法和傳統算法[7]的程序各執行1200次的用時，求出單次平均用時，實驗結果如圖 8 所示。

　　根據圖 8 可知，在整個線性調制范圍內，所提算法的程序執行時間較傳統算法縮短約 55% 。

　　當設置參考矢量的幅值為 100 V 時，所得調制實驗結果如圖 9 所示。

　　由圖 9 可知，在本文所設計多電平 SVPWM 簡化算法的 控 制 作 用 下，逆變器的輸出電壓波形品質良好。

　　綜上，通過仿真與實驗驗證，可知本文所設計多電平SVPWM簡化算法在保證輸出波形質量與傳統多電平SVPWM算法相同的同時，可降低算法復雜度，減少程序耗時。

　　4結束語

　　本文對傳統多電平逆變器的SVPWM算法在拓展性、計算效率方面的不足進行針對性研究，提出一種基于矢量分解的簡化算法，經理論分析與仿真、實驗驗證，得出以下結論：

　　(1)本文提出一種基于虛擬作用時間的兩電平SVPWM算法，可直接根據兩電平參考矢量三相電壓值生成開關序列，無需區域判斷，可以避免視區域情況分配基本矢量的作用時間等步驟，從而提高了計算效率

　　(2)以(1)中所述兩電平算法為基礎，提出一種適用于N電平逆變器的SVPWM簡化算法。該算法中，基本矢量作用時間的計算與電平數無關，拓展性較強;

　　(3)本文所提算法可減少程序執行時間，降低對控制器的運算速度要求，適用于需要使用電平數較高的多電平逆變器應用場合。

　　參考文獻

　　[1]Abu Rub H，Hops J，Rodriguez J，et al.Medium-toltage multilevel converters-state of the art，challenges and requirements in industrial applications[D].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(8)：2581-2596.

　　[2]Wiechmann E P，Aqueveque P，Burgos R，et al.On the Efficiency ofVoltage Source and Current Source Inverters for High-Power Drives[].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(4)：17714782.

　　[3]許字翔，王培良，雷能瑋，等，多模塊矩陣變換器改進型線電壓合成閉環控制策略研究[].電測與儀表，2020，57(8)：122427.

　　[4]Carrara G，Gardella S，Marchesoni M，et al.A new multilevel PWM method：a theoretical analysis[].IEEE Transactions on Power Electronics，1990，7(3)：497505

　　[5]周衛平，吳正國，唐勁松，等.SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質聯系0].中國電機工程報，2006，26(2)：133-437.

　　Zhou Weiping，Wu Zhengguo，Tang Jinsong，et al.A novel algorithm of SVPWM and the study on the essential relationship between SVPWM and SPWM[].Proceedings of the CSEE，2006，26(2)：133-437.

　　[6]都小利，費萬民，多電平逆變器半周期對稱SHEPWM方法D].電1術2，2010，25(4)：95-02.

　　[7]李繼華，阮新波，王學華，級聯型多電平逆變器線電壓諧波優化的SVPWM 策略[J]. 電工技術學報，2014，29( 6) : 120-128.

　　Li Jihua，Ruan Xinbo，Wang Xuehua. A SVPWM strategy with optimal line-to-line voltage harmonic spectrum for cascaded multilevel inverters [J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29 ( 6 ) :120-128.

　　[8]Celanovic N，Boroyevich D.A fast space-vector modulation algorithm for multilevel three-phase converters[].IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(2)：637641.

　　[9]Somasekhar V T，Srinivas S，Kumar K K.Effect of Zero-Vector Placement in a Dual-nverter Fed Open-End Winding Induction-Motor Drive With a Decoupled Space-Vector PWMStrategy 0].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(6)：2497-2505

　　[10]Deng Y，Teo K H，Duan C，et al.A Fast and Generalized Space Vector Modulation Scheme for Multilevel Inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(10)：5204-5217.

　　11]Seixas P F，Mendes M A S，Donoso-Garcia P，et al.A space vector PWM method for threedevel voltage source inverters[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000.Apec 2000.Fifteenth IEEE.IEEE，2002：549-555 vol.1.

　　[12]Yao W，Hu H，Lu Z.Comparisons of Space-Vector Modulation and Carrier-Based Modulation of Multilevel Inverter[].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(1)：4551.

　　[13]吳瑕杰，熊成林，侯聶，等，一種適用于任意電平數三相級聯H橋變換器的簡化多電平SVPWM算法.國電機1程報，2016，36(10)：27532761.

　　Wu Xiajie，Xiong Chenglin，Hou Nie，et al.A simplified multilevel space vector pulse-width modulation algorithm for three-phase cascaded H-bridge converters with any level[].Proceedings of the CSEE，2016，36(10)：27532761.

　　[4]王翠，唐雄民，馮鏘健，等，一種通用的多電平逆變器三維空間矢量調制算法研究[].電工技術學報，2016，31(21)：125432.

　　Wang Cui，Tang Xiongmin，Feng Qiangjian，et al.A Generalized Three-Dimensional Space-Vector Modulation Algorithm for Multilevel Converters[].Transactions of China Electrotechnical Sociely，2016，31(21)：125432.

　　[15]夏長亮，譚智涵，張云，多電平逆變器簡化空間矢量調制算法[].電工技術學報，2013，28(8)：218-223.

　　Xia Changliang，Tan Zhihan，Zhang Yun.A simplified space vector pulse width modulation algorithm for multilevel inverter[].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(8)：218-223.

　　[16]孟鑫，多電平變流器SVPWM簡化算法研究[D].中國礦業大學，2014.

　　[17]宋文祥，陳國呈，束滿堂，等，中點箍位式三電平逆變器空間矢量調制及其中點控制研究D].中國電機工程學報，2006，(5)：105-09.