PDF《基于虚拟矢量三电平 NPC 逆变器 SVPWM 调制算法》

刘昌明 /副教授 关键词/Keywords 三电平・ 中点电压・ 虚拟矢量・ 零序电流・ 电气控制 | Electric Control

28 ・冶金电气・2011 年第

30 卷第

16 期 基于虚拟矢量三电平 NPC 逆变器 SVPWM 调制算法 针对传统的三电平 NPC 逆变器 SVPWM 算法存在中 点电压不平衡的原因,讨论了基于虚拟矢量 SVPWM 调 制算法,分析了该算法利用三相零序电流分量为零的原 理,能实现对中点电压的完全平衡控制,实验结果验证了 该算法的可行性和平衡控制的有效性.

刘昌明 /四川建筑职业技术学院 邢强/北京合康亿盛变频科技股份有限 公司 在中高压变频调速和电网无功功率 补偿等高压大容量电力电子变换系统 中,三电平 NPC ( Neutral Point Clamped) SVPWM 逆变器是目前研究和应用最成 熟的多电平逆变器拓扑之一.相对于传 统两电平逆变器,三电平 SVPWM 逆变 器功率器件的耐压要求低,输出电压电 流谐波含量小,因此得到广泛了重视和 应用. 三电平 NPC 逆变器在具有上述优 点的同时,也存在着一个固有的问题, 即中点电压不平衡,其表现为中点电位 的波动和偏移.中点电位的波动主要与 逆变器的调制策略和工作条件有关,它 会增大输出电压的低次谐波,降低输出 波形质量. 国内外学者针对中点电压不平衡问 题的认识,提出了许多中点电压平衡的 控制策略.其中从 SVPWM 调制算法出 发的平衡控制策略较多,其解决方法是 通过检测输出电流方向和中点电位的偏 差方向对正负小矢量进行取舍.这种方 法虽然实现简单且鲁棒性强,但由于对 小矢量采取粗略调节,中点电位依然存 在波动且含有高频分量 [1,

2 ] . 针对上述平衡控制方法的优点与不 足,本文提出了虚拟矢量 SVPWM 调制 算法,分析该算法利用三相零序电流分量 为零的原理,能实现对中点电压的完全平 衡控 制.实验结果验证了该算法的可行性. 虚拟矢量 SVPWM 调制的基本思想 三电平 NPC 逆变器 SVPWM 矢量图如 图1所示,三电平逆变器有

27 个开关状 态,19 个空间电压矢量,按模量大小可 分为四类: 零矢量、小矢量、中矢量和大 矢量.其中零矢量和大矢量对中点电压没 有影响;

小矢量和中矢量至少有一相与中 点连接,对中点电位有影响.每个中矢量 只有一种开关状态,其对中点电压的影响 没有选择余地.每个小矢量有两个开关状 态,它们对中点电位平衡的作用相反,可 以用来调节中点电位平衡.这种方法是传 统SVPWM 调制算法中常用的控制中点电 压平衡的策略.但是当调制系数较高或者 功率因数较低时,该方法很难达到中点电 压平衡控制的目的,其原因在于小矢量作 用时间小于中矢量作用时间,导致小矢量 产生的中点电流 i0 不能完全补偿中矢量产 生的中点电流 [3 ] . 图1三电平 NPC 逆变器 SVPWM 矢量图 基于虚拟矢量三电平 NPC 逆变器 SVPWM 调制算法 Electric Control | 电气控制 www. eage. com. cn

2011 年8月下・冶金电气・

29 为了解决上述问题,可以对

19 个空间矢量进 行重新组合,使每个开关周期内流过中点电流 i0 为零,下面参照图

2 来说明新矢量的组合方法 [4 ] . 图2虚拟矢量第一扇区图 对于小矢量 V1 重新组合的小矢量为 Vs1 =

1 2 * V1( POO) +

1 2 V1( ONN) ,其产生的中点电流为 i0 = -

1 2 i ( ) q +

1 2 iq = 0,因此虚拟小矢量不影响中点 电压平衡. 对于中矢量 V8 ,重新组合的中矢量为 Vs8 =

1 3 V1( ONN) +

1 3 V2( PPO) +

1 3 V8( PON) ,其产生的中点电 流为 i0 =

1 3 iq +

1 3 ic +

1 3 ib =

0 ,因此新的虚拟中 矢量也不影响中点电压平衡. 对于零矢量和大矢量,由于不直接和中点相 连,所以对中点电压没有影响.其他扇区根据上 述虚拟矢量的分配与合成思想,同样可以定义新 的虚拟矢量,完整重新定义后的空间电压矢量图 如图

3 所示,与传统 SVPWM 空间矢量图相比, 其不同之处在于

6 个中矢量位置发生了变化,其 方向不变,但是幅值变为原来的

2 /3. 图3虚拟矢量 SVPWM 图 基于虚拟矢量的 SVPWM 调制方法 1. 输出矢量发送顺序 在确定参考矢量空间位置后,应确定输出电 压矢量发送次序,图2所示第一扇区输出电压矢 量如表所示. 表 第一扇区各小三角形电压输出矢量

1 ONN,OON,OOO,POO,PPO

2 ONN,OON,PON,POO,PPO

3 ONN,PNN,PON,POO,PPO

4 ONN,PNN,PON,PPN,PPO

5 ONN,OON,PON,PPN,PPO 2. 输出电压矢量作用时间 假设参考矢量落在第一扇区的三角形

2 中, 由空间矢量的幅秒平衡原则,可以得到如下方程: Vs1 T0 + Vs8 T1 + Vs2 T2 = Vref Ts T0 + T1 + T2 = T { s 解得 T0 = Ts

2 - 2Vα Udc -

2 3Vβ U ( ) dc T1 = Ts 6Vα Udc +

2 3Vβ Udc - ( )

3 T2 = 2Ts

1 - 2Vα U ( ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? dc 式中,Vα = Vref cos θ;

Vβ = Vref sin θ;

θ 为参考电压 矢量位置角;

Vref 为参考矢量电压幅值;

Udc 为逆 变器直流母线电压;

Ts 为采样周期. 同理可以得到参考矢量位于其他三角形中合 成三矢量的作用时间,在此略去推导.需要说明 的是,在三角形

2 中,T0 、T2 对应虚拟小矢量 Vs1 、Vs2 的作用时间,分别被 V1 、V2 的正负小矢 量均分,T1 对应虚拟中矢量 Vs8 作用时间,被V1 、 V2 及V83 个矢量均分. 实验结果 为了验证虚拟矢量 SVPWM 调制算法的有效 性,建立三电平 NPC 逆变器实验平台,控制电路 采用 TMS320LF2407A DSP 为控制核心;

主电路 IGBT 采用英飞凌的 FF200R17KE3;

钳位二极管 采用丹尼克斯的 DF451;

负载接110 kW电动机. 电气控制 | Electric Control

30 ・冶金电气・2011 年第

30 卷第

16 期图4所示为三电平 NPC 逆变器运行在50 Hz时系 统的线电压和中点电压波形.通过实验可知基于 虚拟矢量的 SVPWM 调制算法在高调制区内运行 可以很好地抑制中点电压的偏移. 结束语 基于虚拟矢量 SVPWM 调制算法在采样周期 内零序电流为零的原理重新分配小矢量和中矢量, 组合成新的虚拟小矢量和虚拟中矢量,虚拟矢量 在采样周期内能够控制中点电压的偏移.通过实 验验证该方法可以解决传统 SVPWM 算法在高调 制区中点电压不平衡的问题. 参考文献 [ 1] Zhou Dongsheng,Didier Rouaud. Experimental com- parisons of space vector neutral point balancing strate- gies for three level topology [ J] . IEEE Transactions on Power Electronics, 2001,16 ( 6) : 872- 879. [ 2] 宋文祥,陈国呈,束满堂,等.中点钳位式三电平 逆变器空间矢量调制及其中点控制研究 [ J] . 中国 电机工程学报,2006,26 ( 5) : 106- 109. [ 3] 罗勇吉,尹华杰,周艳青 . 三电平 NPC 逆变器中点 电位平衡的软件算法 [J] . 电气传动,2008,38 ( 5) : 3- 7. [ 4] Sergio Busquets- Monge, Josep Bordonau, Dushan Boroyevich,et al. The nearest three virtual space vector PWM- a modulation for the comprehensive neutral- point balancing in the three- level NPC inverter [J] . IEEE Power Electronics Letters,2004,2 ( 1) : 11- 15. ( 收稿日期:

2011 01 25) EA 信息动态 邯钢炼铁部优化烧炉煤气消耗降本

630 万元 邯钢炼铁部深入挖掘热风炉烧炉这一节能降耗 点,大力降低煤气消耗.7 月份以来,该部高炉煤 气消耗比去年同期降低 4. 82% ,降本

630 万元. 据了解,该部加强检测与控制烧炉时废气的含 氧量,将各高炉热风炉正常烧炉时的废气含氧量控 制在 0. 02% ,确保煤气充分燃烧.按照 "一炉一 策"优化烧炉方案,各高炉在炉况正常时及时换炉, 减少热量损失,降低煤气消耗. 根据

5 号高炉

4 座热风炉蓄热面积不同,导致 烧炉时间差别较大的情况,该部在烧炉过程和送风 流程随机调整煤气和空气比例,准确制定换炉标准, 杜绝了由于烧炉时间差异造成的闭炉现象.7 号高 炉利用焦炉煤气资源稳定的优势,改变以往提高空 气过剩系数控制炉顶温度的办法,通过调低烧炉总 煤气量控制温度和节约煤气. 该部

3 200 m3 高炉采用自动与手动烧炉双模式, 在正常情况下使用自动烧炉系统,当高炉需要风温 低于

1 100 ℃ 和刚复风时,采用手动模式调节空气 和煤气配比,使顶温和废气参数达到最佳状态.同 时全面维护煤气脱水器,保证煤气管道中的水分 及时排出,提高燃烧温度,最大限度地降低煤气 消耗. ( 信息来源: 中国冶金网)