一种改进的三电平逆变器空间矢量脉宽调制算法研究
三电平逆变器SVPWM控制策略的研究
三电平逆变器SVPWM控制策略的研究一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，逆变器作为高效、可靠的电力转换装置，在新能源发电、电机驱动、无功补偿等领域得到了广泛应用。
其中，三电平逆变器因其输出电压波形质量好、开关损耗小、动态响应快等优点，受到了研究者的广泛关注。
空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）作为一种先进的调制策略，通过合理分配三相桥臂的开关状态，可以实现对输出电压波形的精确控制，进一步提高逆变器的性能。
本文旨在深入研究三电平逆变器的SVPWM控制策略，通过理论分析和实验验证，探索其在实际应用中的优化方法和潜在问题。
文章首先介绍了三电平逆变器的基本结构和工作原理，为后续的控制策略分析奠定基础。
随后，详细阐述了SVPWM的基本原理和实现方法，包括空间矢量的定义、合成和分配等关键步骤。
在此基础上，本文重点分析了三电平逆变器SVPWM控制策略的优化方法，包括减小开关损耗、提高直流电压利用率、改善输出电压波形质量等方面。
本文还通过实验验证了三电平逆变器SVPWM控制策略的有效性。
通过搭建实验平台，测试了不同控制策略下的逆变器性能，包括输出电压波形、开关损耗、动态响应等指标。
实验结果表明，采用SVPWM控制策略的三电平逆变器在各方面性能上均表现出明显的优势，验证了本文研究的有效性和实用性。
本文总结了三电平逆变器SVPWM控制策略的研究现状和未来发展趋势，为相关领域的进一步研究提供了有益的参考。
二、三电平逆变器的基本原理三电平逆变器是一种在电力电子领域中广泛应用的电能转换装置，其基本原理在于利用开关管的导通与关断，实现直流电源到交流电源的高效转换。
与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器在输出电压波形上拥有更高的精度和更低的谐波含量，因此在大规模电力系统和电机驱动等领域具有显著优势。
三电平逆变器的基本结构通常包括三个直流电源、六个开关管以及相应的控制电路。
一种改进的SVPWM算法研究
ｔ ｎ ，ｗ ｉｈ ｃ ｎ ｒ ｄ ｃ ｅ ｃ ｍｐ ｔｔ ｎ，ｓ ｖ ｈ ｏ ｕ ｉ ｇ ｔ ｎ ｕ ｔ ｏ ｉｉ ｌ ｍｐ ｅ ｎａ ｉｎ ｈ ｉ ｌｔｄ ｉ ｓ ｈ ｃ ａ ｅ ｕ ｅ ｔ ｏ ｕａ ｉ ｏ ｈ ｏ ａ ｅｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｍｅ ａ ｄ ｓ ｉ ｆ ｒｄｇｔ ｌｍｅ ｔｔ ．Ｔ ｅｓｍｕ ａｅ ｎ ｉ ａｉ ｏ
第２卷 第９ ７ 期
文 章 编 号 ：０ ６—９４ （ ００）９—０２ ０ １０ ３８ ２１ ０ ３ ８— ５
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算
机
仿
真
２１年９ ００ 月
一
种 改进 的 Ｓ Ｐ Ｖ ＷＭ 算 法 研 究
刘 嫣
（ 陕西科技大学电信学 院， 陕西 西安 ７０ ２ ） １０ １
摘要 ： 针对二极管箝位 三电平逆变器的研究 ， 传统 的基于直角坐标系下的空间矢量脉宽调制算法（ Ｖ ＷＭ） ＳＰ 需要大量的三角 函数运算 ， 增大了运算量 ， 以进行数字实现。为 了提高 实时性 ， 难 改进算 法 ， 研究 了一 种基于斜 角坐标系下 的 Ｓ Ｐ Ｖ ＷＭ 改进 算法 ， 核心是通 过 Ｃａｋ ｌｒｅ—Ｐ ｋ联合变换将基于三相静止坐标 系下的三相 电压转换 为基 于非正交 ６ 。 角坐标 系下的两相 ｒ ａ ０斜
ｏ ｃ ｎ ｅ ａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ｉａ ｈ ｎ ｉ １ ０ １ Ｃ ｉ ） ｆ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｘ ’ ｎ Ｓ ａ ｘ ７ ０ ２ ， ｈｎ Ｓｅ ａ
Ａ Ｓ Ｒ Ｃ Ｔ ｅｓｏ ｃｍ ｎｓ ｆｒｄｔ ｎｌ ｐ ｃ ｅｔｒ ｕｓ ｗｄｈｍｏｕ ｔ ｎ（ Ｖ ＷＭ）ｂｓｄｏ ｌ ｋ ｒ ｈ Ｂ Ｔ Ａ Ｔ：ｈ ｈｒ ｏ ｉｇ ａ ｉ ａ ｓａｅｖｃ ｌ ｉｔ ｄ ｌ ｉ Ｓ Ｐ ｔ ｏｔ ｉ ｏ ｏｐ ｅ ａｏ ａｅ ｎＣａ ｅｆ ｅ ｒ ｏｔ
基于三电平逆变器的改进的空间矢量PWM控制算法
摘 要 ：首先 确定 电压 矢量 所在 的 区域 ， 然 后通 过伏 秒平 衡原理 推 导 出基本 矢量 的作 用 时 间， 根 据 三 电平 逆 变器 输 出性 能 要 求优 化 了空 间 电压 矢 量 的作 用 顺 序 。ＭＡＴＬ Ａ Ｂ ／ Ｓ Ｉ ＭＵＬ Ｉ ＮＫ 仿 真 实验表 明， 该 控 制算 法 可 以减 小 控制 算 法 的复杂 性 ， 提 高逆 变器 的输 出性 能 。
ｏ ｎ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｌ ｅｖ ｅＩ ｉ ｎ ｖ ｅｒ ｔ ｅｒ
ＬＩ Ｕ Ｐｅ ｎｇ — ｐ ｅ ｎ ｇ， Ｗ Ａ ＮＧ Ｙｕ — ｈｕ ａ， Ｍ Ａ Ｈｕ ａ ｌ＆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｃｈ ａ ｎｇ ｃ ｈ ｕ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｃｈ ａ ｎｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ １ ２，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ Ｓ ｄ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｖ ｏ ｌ ｔ — ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ． Ｔｏ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ｅ ｓ ｏ ｆ
ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ． Ｍ ＡＴＬＡＢ／ Ｓ Ｉ Ｍ ＵＬ Ｉ ＮＫ
器具有 更好 的输 出性 能 ， 对 三 电平 逆 变器 的控 制 就显得 尤 为重 要 。 目前 ， 三 电平 逆 变 器 的 主要 控
三电平逆变器空间电压矢量调制算法的研究与实现
（）一 个采样 周期 内各个 电压空 间矢量作用 时间 ３ 当参考适 量 落在小 扇 区 Ｃ内时 ，按 照电压空 间 矢 量等 效原则 。
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陈世浩 （９３ １８ 一）男 ，河南新野人 ，硕士生 （ 收稿 日期 ：２０ —０ ０ ） ０８ ９— ３
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铁 道 机 车 车 辆
第 ２ 卷 ８
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图 ７ 定 子 三 相 电流 仿 真 结 果
图 ４ 空 间 电压 矢 量 的 合 成
（）合 成矢 量选 择 以及 矢量发 送方式 ２ 采用 ７ 式 Ｐ Ｍ 发 送方式 ，由上 述扇 区判断方 法 段 Ｗ 可知参考 电压矢 量所 在 的扇 区号 ，根 据扇 区 号可 以确 定 由哪些基 本适 量合 成 参考 电压矢 量 。 为 了保 证 不 同
第 ２ 卷 增刊 ８ ２ ０ 年 １ 月 ０ ８ ２ 文章编号 ：１０ ７４ ２０ ）Ｓ ０９— ２ ０８— ８２（０８ 一０６ ０
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡ ＷＡ Ｉ ０Ｍ０ⅡＶ ＆ Ｃ Ⅱｌ Ｙ ＤＣ Ｅ ＡＲ
Ｖｏ ．８ Ｓ ｐ ｌ １ ２ ｕ ｐ
Ｄｅ ． ｃ
２ｏ ０８
Ｕ ＝ ２ ｕ＋ ｖ＋ ｕ ） ３ （ ｗ ／ （） １
式 中 ：
。 当三 相对 称 电压 为正 弦变 化 时 ，电 压
空 间 矢 量 为 圆形旋 转 矢 量 。当 三 电 平 逆 变器 输 人 为恒 定 直流 电压 且 Ｕ ｌ 时 ，其 电压 空 间矢 量 可 能 ｃ＝Ｕ
实 验验证 。 １ 三 电平逆变 器 空间 电压矢量 原 理 对 电机供 以三 相对称 电压 为 “ ，“ ｕ 与 “ ｗ时 ，按
基于ANPC三电平逆变器的同步空间矢量脉宽调制策略
基于ANPC三电平逆变器的同步空间矢量脉宽调制策略摘要：随着电力电子技术的不断发展，三电平逆变器作为一种新型的交流电源逆变器，被广泛应用于工业和电力领域。
本文研究了。
通过对三电平逆变器的工作原理进行分析，提出了一种基于同步空间矢量的脉宽调制方法，并对其进行了仿真验证。
结果表明，该调制方法能够有效提高逆变器的输出质量和效率。
关键词：ANPC三电平逆变器；同步空间矢量；脉宽调制；输出质量；效率1. 引言三电平逆变器是一种具有较高电压和较低谐波失真的逆变器，被广泛应用于风力发电、太阳能发电和电动汽车等领域。
然而，传统的脉宽调制方法在控制三电平逆变器时存在一定的缺陷。
因此，研究一种更优秀的调制方法对于提高逆变器的性能具有重要意义。
2. ANPC三电平逆变器的工作原理ANPC三电平逆变器由两个半桥逆变器和一个全桥逆变器组成。
其工作原理是通过改变半桥逆变器的工作状态来实现输出电压的调节。
在正常工作状态下，半桥逆变器工作于逆变状态，全桥逆变器工作于正常工作状态。
通过控制半桥逆变器的开关状态，可以实现三电平输出电压的调节。
3. 同步空间矢量脉宽调制策略同步空间矢量脉宽调制策略是一种基于矢量控制的脉宽调制方法。
通过将逆变器输出电压表示为空间矢量的形式，并将其与参考电压进行比较，可以得到控制信号。
通过调节控制信号的脉宽，可以实现对逆变器输出电压的调节。
4. 仿真结果与分析本文采用Matlab/Simulink进行仿真，验证了同步空间矢量脉宽调制策略的有效性。
通过改变参考电压的大小和频率，观察了逆变器输出电压的变化情况。
仿真结果表明，同步空间矢量脉宽调制策略能够有效提高逆变器的输出质量和效率。
5. 结论本文研究了基于ANPC三电平逆变器的同步空间矢量脉宽调制策略。
通过对逆变器的工作原理进行分析，提出了一种基于同步空间矢量的脉宽调制方法，并进行了仿真验证。
结果表明，该调制方法能够有效提高逆变器的输出质量和效率。
这对于进一步提高三电平逆变器的性能具有重要的实际意义。
三电平NPC逆变器的空间矢量混合段法调制策略的开题报告
三电平NPC逆变器的空间矢量混合段法调制策略的开题报告一、选题背景随着电力电子技术和智能电网技术的发展，三电平NPC逆变器成为了电力电子领域的重要研究方向之一。
在交流电力传输过程中，为了解决各种电力质量问题，降低电网对环境的影响，提高电力系统的效率和稳定性，三电平NPC逆变器得到了越来越广泛的应用和研究。
然而，在三电平NPC逆变器的控制策略中，空间矢量调制技术一直是研究的热点和难点之一。
因此，对于三电平NPC逆变器的空间矢量混合段法调制策略进行深入研究，具有重要意义和应用价值。
二、研究意义空间矢量调制技术是一种高效的控制策略，能够降低逆变器的开关损耗和滤波器容量，提高逆变器的输出性能，并且能够实现高精度的电流和电压控制。
然而，传统的空间矢量调制技术在三电平NPC逆变器中的应用存在一些问题，如混合段的控制策略比较复杂，难以实现实时控制等。
因此，采用新的空间矢量混合段法调制策略，能够有效提高逆变器的性能，并且具有较高的实用性和可行性。
三、研究内容本文将研究三电平NPC逆变器的空间矢量混合段法调制策略。
具体研究内容如下：1. 三电平NPC逆变器的原理及控制方法2. 空间矢量调制技术的基本原理及算法3. 空间矢量混合段法调制策略的设计与实现4. 基于空间矢量混合段法调制策略的逆变器模型的建立与仿真5. 空间矢量混合段法调制策略在三电平NPC逆变器中的应用与效果分析四、研究方法在研究中，将采用实验室仿真、数学模型分析和实际操作等方法，进行三电平NPC逆变器的空间矢量混合段法调制策略的研究。
具体方法如下：1. 利用Matlab/Simulink等仿真工具，建立三电平NPC逆变器的模型，进行仿真和优化。
2. 根据空间矢量调制技术的原理和算法，设计空间矢量混合段法调制策略，并将其应用到三电平NPC逆变器中。
3. 根据实验数据和仿真结果，分析空间矢量混合段法调制策略的优缺点，探究其在三电平NPC逆变器中的效率和实用性。
一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PWM控制技术
第33卷增刊2003年9月 东南大学学报(自然科学版)JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition ) Vol 133Sup.Sept.2003 一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术李 明 马小平 陈爱丽(中国矿业大学信电学院,徐州221008)摘要:根据三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制原理,针对过调制问题,提出了一种改进的空间电压矢量PW M 控制技术,并推导了三电平逆变器空间电压矢量在各个过调制区域内的等效作用时间算法.仿真实验结果表明该方法在过调制时能够保证线性调制关系,有效抑制谐波,提高电压利用率.关键词:三电平逆变器;空间电压矢量PW M ;过调制中图分类号:T M464 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2003)增刊20179204A improved SVPWM technique for three 2level inverterLi Ming Ma X iaoping Chen Aili(In formation and E lectrical Engineering Institute ,China University of M ining and T echnology ,Xuzhou 221008,Chinese )Abstract : T o s olve the problem of over 2m odulation ,this paper proposes a im proved technique based on the principle of three 2level inverter space v oltage vector pulse 2width m odulation and derives the correspond 2ing time alg orithm of three 2level inverter space v oltage vector in the over 2m odulation sectors.Simulation ex 2perimental results show that the method can restrain the content of harm onious and increase v oltage utiliza 2tion.K ey w ords : three 2level v oltage inverter ;space v oltage vector PW M ;over 2m odulation 收稿日期:2003206226. 作者简介:李 明(1962-),男,博士,副教授,xzmingli @.电压型逆变器在交流传动、不间断电源和有源滤波器等高性能电力电子装置中得到广泛应用.近年来,为适应高电压、大功率应用场合,多电平逆变器的研究和应用日益受到人们的关注和重视,例如,矿井提升机、通风机等的交流电动机调速系统,其电压等级为6kV ,功率可达数千千瓦,是典型的多电平逆变器应用对象.作为核心技术的PW M 控制方法也得到了越来越深入的研究,迄今为止,已提出了多种PW M 控制方法和技术[1,2].本文主要针对过调制问题,在原有三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术的基础上提出一种改进的控制方法,使逆变器的输出基波在过调制下也能保证线性调制关系,同时具有输出谐波含量小以及算法的实时性强等特点.最后给出了在Simulink 环境下的仿真实验结果.1 三电平逆变器结构及空间电压矢量PW M 控制原理111 三电平逆变器主电路结构目前,应用较广的是二极管中点钳位(neutral point clam ped ,NPC )式三电平逆变器,其主电路的拓扑结构如图1所示.这种二极管钳位式结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行钳位,输出相应三电平的相电压.112 三电平逆变器的空间电压矢量PW M 控制原理如果把三相三阶中点钳位逆变器每一相的3种输出状态组合起来,则逆变器共能获得27种不同输出状态,其中包括6个长矢量,6个中矢量,12个短矢量和3个零矢量,如图2所示.其中6种幅值为E 的长矢量图1 三电平逆变器的主电路结构图将圆等分为6个扇区,每个扇区占60°空间角.每个扇区又被幅值为E 2及32E 的短矢量和中矢量分为4个小三角形.由于三电平的27个矢量,远大于二电平的8个矢量,因此矢量选择范围大,能更好地逼近正弦输出,获得更好的性能.11211 空间电压矢量的等效作用时间图3为V 0,V 7,V 9形成的等边三角形,在这个三角形中包含长矢量V 7=E e j0,V 9=E ej π3,中矢量V 8=32E e j π6,短矢量V 1=12E e j0,V 2=12E e j π3以及零矢量V 0=0,把图2 三电平逆变器的空间电压矢量图V 1,V 2,V 8的顶点连接起来,大三角形被分成4个小三角形A ,B ,C ,D.如果参考矢量V ref =V e j θ处于三角形B 中,就用V 1,V 7,V 8三个矢量合成参考矢量V ref ,根据伏秒平衡原则,各矢量作用时间可由式(1)求解,即 V 1t 1+V 7t 7+V 8t 8=V ref T st 1+t 7+t 8=T s (1)式中,T s 是采样周期;t 1,t 7,t 8分别为V 1,V 7,V 8的作用时间.把V 1=12E e j0,V 7=E e j0,V 8=E e j π6,V ref =Ve j θ代入式(1),可得V 1,V 7,V 8的作用时间 t 8=4V 3E T s sin θt 7=4V 3ET s sin π3-θ-T s t 1=T s -t 8-t 7(2)图3 V 0,V 7,V 9形成的三角形同理可以得出参考矢量V ref =V e j θ处于其他三角形A ,C ,D 的作用时间.112.2 空间电压矢量的作用顺序设参考矢量落在小三角形A 中,则可供选择的矢量为V 0,V 1,V 2,按七段式SVPWM 的产生方法,得到开关序列V 0(000)—V 1(100)—V 2(110)—V 0(111)—V 2(110)—V 1(100)—V 0(000).其脉冲波形如图4所示.只要参考电压矢量V ref 的端点轨迹位于六边形的内切圆内,则都可以利用逆变器的输出矢量合成,其输出电压就为正弦波形.此时,能达到线性最大调制.如图5所示,如果参考电压矢量V ref 的端点轨迹位于六边形的内切圆和外接圆之间,SVPWM 将出现过调制.此时,若仍按式(2)计算电压矢量的作用时间,则t 1+t 8+t 7>T s .因此有必要对上述空间电压矢量PWM 算法作适当的改进.2 改进空间电压矢量PWM 控制方法参考二电平逆变器处理过调制的思想[3,4],可以研究三电平逆变器过调制问题.如图5所示,对V ref 端点081东南大学学报(自然科学版)第33卷图4 三角形A 内的PWM 脉冲波形轨迹超出六角形的部分,保持V ref 的相位角不变,将V ref 的端点强制固定在六边形上,同时未超出六角形部分仍保留为圆形,因此,最后V ref 的端点轨迹为ab 段圆弧、bc 段直线、cd 段圆弧.对端点轨迹未超出六角形的部分,作用时间仍按照式(2)计算,对端点轨迹强制固定至六角形的部分,作用时间推导如下:对于图5中三角形V 0V 8b ,由正弦定理得 |V 0V 8|sin (θ+π3)=|V 0b |sin π2(3)图5 过调制轨迹示意图式中,|V 0V 8|=32E ,|V 0b |=V ′,代入式(2)、(3)得 V ′=3E 2sin θ+π3(4)根据等效原则并将式(4)代入式(2)可得V 1,V 7,V 8在过调制的作用时间为 t ′8=2sin θsin π3+θT s t ′7=2sin π3-θsin θ+π3T s -T st ′1=T s -t ′8-t ′7(5)由以上分析可知,改进的空间电压矢量PWM 方法中需要对电压矢量轨迹是否超出六角形进行判断,然后分别对应地应用式(2)和式(5)计算矢量作用时间.3 仿真研究为验证上述改进算法的正确性,在Matlab/Simulink 环境下进行仿真实验.基本参数为:三相异步电动机额定功率为212kW ,额定电压为380V ,频率为50H z ,定子电阻为3118Ω,电感为101304mH ,转子电阻为11308Ω,电感为7162mH ,转动惯量为01089kg ・m 2,极对数为2;直流侧电感为4700μF ;采样周期T s =2ms ,E d =400V.仿真结果如图6和图7所示.图6 正常PW M 调制输出线电压及电流波形 图7 过调制输出线电压及电流波形图181增刊李 明等:一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术281东南大学学报(自然科学版)第33卷 图6为正常PW M调制输出线电压及电流波形,给定参考电压346V,频率50H z,调制比01866.图6(a)为异步电动机定子AB间线电压波形,从图中可以看出电动机定子线电压有±400,0和±200V五种电平.图6 (b)为异步电动机定子三相电流波形,从图中可以看出电动机定子电流最大幅值为912A,而且三相电流波形是非常好的正弦波.图7所示为过调制输出线电压及电流波形图,给定参考电压为367V,频率为50H z,调制比为01911.图7 (a)为异步电动机定子AB间线电压波形.图7(b)为异步电动机定子三相电流波形,从图中可以看出电动机定子电流最大幅值为819A,而且三相电流波形接近正弦.4 结 论本文根据三电平逆变器空间电压矢量PW M控制原理,针对过调制问题,提出了一种改进的空间电压矢量PW M控制技术.该方法能够有效地抑制谐波,提高电压的利用率,仿真实验结果表明了该方法的有效性.参考文献(R eferences)[1]Halase Sandor.Optimal control of three2level PW M inverter[J].IEEE2T on Industrial Electronics,1997,44(1):99106.[2]钟彦儒,高永军,曾 光.采用空间电压矢量PW M方法三电平逆变器研究[J].电力电子技术.2000,34(1):1013.Zhong Y anru,G ao Y ongjun,Z eng G uang.S tudy on three2level inverter using v oltage vector PW M method[J].Power Electronics,2000, 34(1):1013.(in Chinese)[3]李 伟,蒋学润,毛宗源.一种基于8XC196MC的新型空间电压矢量算法[J].电力电子技术.2002,36(4):4143.Li Wei,Jiang Xuerun,Mao Z ongyuan.A novel space v oltage vector PW M technique based on8XC196MC[J].Power Electronics,2002, 36(4):4143.(in Chinese)[4]刘风君.正弦波逆变器[M].北京:科学出版社,2002.148155.。
《2024年四线制三电平逆变器空间矢量调制及并网控制技术研究》范文
《四线制三电平逆变器空间矢量调制及并网控制技术研究》篇一一、引言随着电力电子技术的飞速发展，逆变器作为电力转换和能量回馈的核心设备，其性能的优劣直接影响到电力系统的稳定性和效率。
四线制三电平逆变器作为一种新型的逆变器结构，具有较低的谐波失真、较高的电压利用率以及良好的电磁兼容性，被广泛应用于并网发电、电机驱动等场合。
因此，对四线制三电平逆变器的空间矢量调制及并网控制技术进行研究，具有重要的理论价值和应用意义。
二、四线制三电平逆变器基本原理四线制三电平逆变器通过中点箝位（NPC）结构实现三个电平的输出，相较于传统两电平逆变器，其具备更好的谐波特性与更高的电压利用率。
其基本原理在于每个桥臂均具有两个开关器件与一个箝位二极管，通过不同的开关组合实现三个电平的输出。
三、空间矢量调制（SVM）技术空间矢量调制（SVM）技术是一种广泛应用于多电平逆变器的调制策略。
在四线制三电平逆变器中，SVM技术能够根据参考电压矢量，合理分配各桥臂的开关状态，从而减小谐波失真，提高输出电压的波形质量。
在四线制三电平逆变器中实施SVM技术时，首先需要根据当前时刻的参考电压矢量，计算各桥臂的开关状态。
然后根据开关状态，更新各桥臂的开关器件，实现电压矢量的合成。
此外，为了进一步提高SVM的性能，还可以采用优化算法，如预测控制、模糊控制等，以实现更精确的电压控制。
四、并网控制技术并网控制是四线制三电平逆变器的重要应用之一。
在并网过程中，逆变器需要与电网保持同步，以实现能量的高效传输和回馈。
因此，并网控制技术需要解决的关键问题包括同步检测、功率控制以及电流谐波抑制等。
在同步检测方面，通常采用锁相环（PLL）技术实现电网电压与逆变器输出电压的同步。
在功率控制方面，需要采用合适的控制策略，如MPPT（最大功率点跟踪）算法、下垂控制等，以实现逆变器与电网之间的功率平衡。
在电流谐波抑制方面，可以通过优化SVM算法、引入无源滤波器等方式，降低并网电流的谐波含量。
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一种改进的三电平逆变器空间矢量脉宽调制算法研究曹 ,阳春华,喻寿益(中南大学信息科学与工程学院,湖南 长沙 410083)摘要:二极管中点箝位型三电平逆变器广泛用于中高压大容量交流调速系统,具有对器件耐压要求低,输出谐波含量低等优点,但同时存在如何保持中点电压平衡和防止电压跳变等问题。
空间矢量脉宽调制(SPVW M)算法能很好地跟踪转矩和磁链的设定值,有效地降低转矩和磁链的脉动,但算法复杂,运算量大。
本文在分析了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素的基础上,提出一种改进的S VPW M算法。
该算法用中矢量、长矢量和两个短矢量合成参考矢量,并采用矢量调制的方法,利用短矢量的电流特性,消除中矢量对中点电压的影响,简化了算法,有效地控制了逆变器的中点电压,抑制了电压跳变。
仿真结果证明了这种方法的可行性。
关键词:三电平逆变器;中点电压平衡;空间矢量脉宽调制中图分类号:T M464 文献标识码:A 文章编号:100327241(2006)0520065204An Imp rove d Sp ace Vect or Puls e Widt h M o d ulatio nAlg orit h m of Thre e-Le vel InverterCAO Yu,YANG Chun-hua,YU Shou-yi(School of In formation Science and Engineering,Central S outh University,Changsha410083,China)Abstract:The space vector pulse width m odulation(S VPW M)provides the advantage of superior harm onic quality,but S VPW M of a three level inve2 rter is m ore complex than that of a tw o level inverter.In this paper,an improved S VPW M alg orithm is presented to s olve the problems of v oltage unbalance of the neutral point and high dvΠdt of the out v oltage.S imulation results are als o given.K ey w ords:three-level inverter;v oltage balance of the neutral point;S VPW M1 引言随着电力电子技术和微电子技术以及控制理论与控制技术的高速发展,交流传动调速技术的研究取得了极大的进展,出现了多种交流传动控制策略。
其中异步电动机直接转矩控制变频调速技术具有控制结构简单、动态响应快以及参数鲁棒性好等优点[1],得到了广泛的研究和应用。
当前高性能的高压大容量交流调速技术,已成为学术研究和工业应用的热点之一。
三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比,由于用三个电平台阶合成输出电压正弦波形,能够在较低的开关频率下得到较好的输出波形;每个功率开关管的电压额收稿日期:2005-10-27定值只为直流母线上电压的一半,降低了开关器件的耐压绝缘要求,开关过程中dvΠdt较小;具有动态性能好、输出电压谐波较少、控制性能好等优点[2],在高压大容量的变频调速领域有着广阔的应用前景。
对于广泛应用的二极管中点箝位型三电平逆变器而言,存在有如何保持中点电压平衡和防止输出电压跳变等问题;同时由于控制矢量选择更多,导致控制策略更加复杂。
在三电平异步电动机直接转矩控制算法中,空间矢量脉宽调制(SPVW M)算法与传统的直接转矩固定矢量控制方法相比,由于能合成任意方向,一定大小的参考矢量,可以更好地跟踪转矩和磁链的给定值,从而能有效降低转矩和磁链的脉动,减少电流谐波,但通常采用的SPVW M算法存在运算量大,算法复杂等问题。
本文提出一种改进的三电平逆变器S VPW M 算法,该算法利用中矢量、长矢量和与中矢量相邻的两个短矢量合成参考矢量,并采用矢量调制的方法,使短矢量流入中点的电流与中矢量流入中点的电流大小相等,方向相反,从而消除中矢量对中点电压的影响,实现了二极管中点箝位型三电平逆变器的中点电位平衡,同时简化了计算,减小了运算量,较好地实现了直接转矩控制的矢量选择,抑制了输出电压的跳变。
2 三电平逆变器2.1 三电平逆变器拓扑结构二极管中点箝位型三电平逆变器主回路结构如图1所示。
图中V 1～V 4为可关断功率器件。
通过控制功率器件V 1～V 4的通断,每相都可获得三种不同电平+E 、0、-E ,用电压状态符号P 、O 、N 表示,见表1。
例如A 相,当V 1和V 2导通,V 3和V 4关断时,电压为+E 。
同时规定输出电压只能是+E 到0,0到-,或相反地变化,不允许在+E 和-E 之间直接变化。
作这样的规定是为了增加输出PW M 控制的自由度,防止出现过大的dv Πdt ,损坏元器件,产生强烈的电磁干扰。
图1 三电平NPC 逆变器基本拓扑结构输出电压电压状态V1V2V3V4+E P ON ON OFF OFF 0O OFF ON ON OFF -ENOFFOFFONON表1 三电平逆变器每相电压组合表三电平逆变器有27种不同开关组合,对应的有27个空间电压矢量,如图2所示。
可将三电平逆变器空间电压矢量分为四类:长矢量、中矢量、短矢量和零矢量,长矢量6个,矢量长度为E ,位于图中外六边形的6个顶点与原点间;中矢量6个,矢量长度为3E Π2,位于相邻长矢量之间;短矢量12个,矢量长度为E Π2,位于内六边形的顶点上,成对出现;零矢量3个,矢量长度为0,全位于原点,如图2所示。
对于电压矢量还有多种分类法,例如按照中点电流的正负,矢量的电平分类[3],这里就不再赘述。
图2 空间电压矢量图2.2 三电平逆变器中点电压不平衡的原因由图1、图2和表1可看出长矢量所对应的逆变器开关状态使得对应的输出和正Π负母线相连,不会产生中点电流也就不会影响中点电压;零矢量使得负载三相短路,并挂在正(负Π零)母线上,也不会导致中点电压的变动;而中矢量和短矢量至少有一相输出和零母线相连,并和正(负)母线形成电流回路,受到负载的影响,中线会有电流流过,从而导致电容C 1和C 2的充放电,中点电压就会偏离零电位。
由此可知三电平逆变器中点电压不平衡是因为有不为零的中点电流存在,因此可采用矢量调制的方法,通过控制中点电流来控制中点电压。
在一个采样周期内使得流出中点的电流和流入中点的电流值相等,达到动态平衡,从宏观上来看中点电压不变。
由于同一方向上的短矢量成对出现,它们产生的线电流方向相反,只要使它们的作用时间相等,则电流相互抵消,不影响中点电压平衡。
消除中矢量对中点电压的影响则要借助与它相邻的两个短矢量来实现。
3 三电平逆变器SVPW M 控制算法空间矢量脉宽调制(S VPW M )可以很好地跟踪转矩和磁链的设定值,有效地降低转矩和磁链的脉动,减少了电流谐波,具有较高的电压利用率,易于数字实现等优点,成为多电平逆变器普遍采用的控制方法[4]。
通常采用的S VPW M 控制算法———“最近三矢量”合成法,可以合成一定大小、任意方向的参考电压矢量,但为了保证中点电压平衡,抑制电压跳变,使得算法复杂,计算量大。
本文提出一种改进的三电平逆变器空间矢量脉宽调制算法,用中矢量 长矢量和与中矢量相邻的两个短矢量合成参考电压矢量。
在一个采样周期内,使两个短矢量的作用时间与中矢量的作用时间相等,短矢量流入中点的电流与中矢量流入中点的电流大小相等,方向相反,消除中矢量对中点电压的影响。
以6个长矢量为边将αβ平面分为6个三角区间。
取其中一个三角形为例,如图3所示。
图中角θ为合成矢量V r ef 与长矢量V L (PNN )的夹角,且0≤θ≤πΠ6,V M (PON )为中矢量,V S (ONN 、POO 、PPO 、OON )为短矢量,B 点为矢量V B 的顶点,A 点为长矢量V L 的顶点。
图3 电压矢量合成短矢量ONN 、PPO 和中矢量PON 的电流回路如图4所示。
中矢量PON 的中点电流i N P =i b =i c -i a ,短矢量ONN 的中点电流为i a ,短矢量PPO 的中点电流为-i c ,如果它们的作用时间相等,则中点平均电流i NP =i b -i c +i a =0,消除了中矢量对中点电压的影响。
调制后得到的矢量V B 与中矢量PON 方向一致,矢量长度为3E Π3。
根据平行四边形法则,在由虚线AB 、长矢量V L 和矢量V B 构成的小三角形内,可用长矢量V L 和矢量V B 合成参考矢量V ref 。
图4 矢量电流回路根据伏秒平衡原则,矢量作用时间可由下式求解,即V B ・t B +V L ・t L =Vre f ・T S t M =t S =t B /3(1)式中,T S 为采样周期,t L 、t M 、t S 、t B 为V L 、V M 、V S 、V B 的作用时间。
将V ref =V r ef cos θ+jV r ef sin θ、V B =E /2+j 3E Π6、V L =E 代入式(1),解得t B =23V r ef T S sin θ/Et L =2V ref T S sin(π/6-θ)/E t M =t S =23V ref T S sin θ/3E (2)式中0≤θ≤πΠ6。
参考电压矢量V ref 只要落在以虚线AB 为界的小三角形内,可由式(2)计算各矢量的作用时间,达到线性最大调制。
当V ref 落在AB 上时,t L +t B =T S ,由正弦定理得V Bsin (θ+π/6)=V refsin (2π/3)(3)将V B =3E Π3代入式(3)得V ref =E /2sin (θ+π/6)(4)将式(4)代入式(2)得t B =3T S sin θ/sin (θ+π/6)tL =T S -t Bt M =t S =3T S sin θ/3sin (θ+π/6)(5)式中0≤θ≤πΠ6。
当V ref 落在AB 外时,如按式(1)计算则t B +t L >T S ,S VPW M 出现过调制。
因此当V ref 落在AB 外时,只能按式(5)对各矢量的作用时间进行计算。
加入短矢量对中矢量进行调制后,不但保证了中点电压平衡,还能防止电压跳变,非常适合直接转矩控制。
以短矢量ONN 、PPO 、中矢量PON 和长矢量PNN 合成参考矢量V ref 为例,如图3所示。