基于空间矢量调制的三电平四桥臂逆变器设计_杨雨彬.pdf

4 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学标：对于三相参考电压矢量向下取整，整数部分a,b,c为参考矢量所在小立方体的原点坐标，建立三个参考平面。（2）每个子立方体考虑六个四面体。利用图2算法的结构图比较，判断出对应情况。该方法较为简单，选择切换向量的计算量始终相同，并且与电平数无关。（3）占空比计算。利用生成的每个参考向量状态向量计算占空比。开关状态占空比或接通状态持续时间的数值可简化为简单加法。（4）绝对开关的计算。利用绝对0 引言逆变技术在新能源发电中是非常关键的环节。随着电力电子功率器件开关频率的不断提高，逆变器的调制技术也不断发展和完善。1 研究背景现有的控制方法脉宽调制（PWM）、二维空间矢量调制（2D-SVM）、三维空间矢量调制（3D-SVM）等。其中2D-SVM是利用三相输出电压之和为零的特点，适用于三相平衡系统中，针对三相三桥臂逆变器有中性点电压漂移现象，导致三相输出电压不对称，因此采用三相四桥臂逆变器来精确控制中性点电流1,2；3D-SVM算法多使用坐标表示电压向量，算法复杂，因此在abc坐标系下用四面体顶点代表矢量状态合成矢量进而得到开关函数与占空比时间计算3,4，3D-SVM适用于任何系统，且计算量小易于调试。2 三电平四桥臂逆变器 图1为三电平四桥臂逆变器的主电路图。3 模块技术描述（1）计算参考向量的子立方体参考顶点的坐基金项目：河北省大中学生科技创新能力培育专项（22E50334D）。作者简介：杨雨彬，东北大学秦皇岛分校；研究方向：电气工程及其自动化。收稿日期：2022-07-03；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述三电平四桥臂逆变器的设计，提出一种基于abc坐标系下的空间矢量调制方法，将三相参考电压归一化处理，确定参考矢量所在的四面体，利用相对开关函数与绝对开关函数的关系，得到开关矢量序列。利用Matlab/Simulink对该方法进行仿真验证。关键词：四桥臂逆变器，三维空间，矢量调制，开关切换序列。中图分类号：TM464文章编号：1000-0755(2023)04-0004-02文献引用格式：杨雨彬，邵虹君，刘捷，骆新，段洪君.基于空间矢量调制的三电平四桥臂逆变器设计J.电子技术,2023,52(04):4-5.基于空间矢量调制的三电平四桥臂逆变器设计杨雨彬，邵虹君，刘捷，骆新，段洪君（东北大学秦皇岛分校，河北 066099）Abstract This paper describes a space vector modulation method based on abc coordinate system for three-level four leg inverter.The three-phase reference voltage is normalized to determine the tetrahedron where the reference vector is located,and the switching vector sequence is obtained by using the relationship between relative switching function and absolute switching function.The method is simulated and verified by Matlab/simulink.Index Terms four-leg multilevel converters,three-dimensional space,vector modulation,switching vectors sequence.Design of Three Level Four Leg Inverter Based on Space Vector ModulationYANG YuBin,SHAO Hongjun,LIU Jie,LUO Xin,DUAN Hongjun,(Northeastern University at Qinhuangdao,Hebei 066099,China.)图1 三电平四桥臂逆变器的主电路电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 5Electronics 电子学开关与相对开关的关系，得到绝对开关函数。首先利用相对开关函数，求得最小值min=x,y,z,0，其中x,y,z为（a,b,c）（a+1,b+1,c+1）的8种情况），进一步得到绝对开关函数=x+(-min),y+(-min,z+(-min),(-min)。因此，通过算法可以直观得到相对开关序列及对应的占空比情况计算，进一步求得绝对开关函数。（5）冗余矢量判断：每个矢量都可能含有冗余分量，如果四面体仅有一个冗余矢量，则可调节该冗余分量比例控制中点电流。如果有多个冗余矢量，选择开关状态最低的一对对其进行调节。该过程判断可以利用简单示例进行验证。（6）生成桥臂状态并输出脉冲。通过冗余矢量的不同，得到对应的切换时间和桥臂状态时间。通过开关状态函数输出脉冲调制三电平四桥臂逆变器的开关，进行开关的导通与断开，输出交流信号。通过上述步骤可以利用三维空间矢量法进行调制，保证三电平四桥臂逆变器电平的输出电压随输入电压的变化实时进行变化调整。4 仿真结果与分析应用Matlab/Simulink软件，对所提控制策略进行仿真验证研究。为了验证提出的技术，使用两个参考向量4：（1）基波幅值20V、20%的零序和20%的负序组成的不平衡基准电压源；（2）基波幅值为40/31/2V，120%的三次谐波。采用本文所提的控制策略将两组电压源输入分别进行仿真，通过补偿电流的实时调节参数Kp，对仿真的时间脉冲进行调整，得到a相的输出电压，见图3所示。通过图3观察与分析，可以看出输出电压能够较好地跟随输入电压变化,表现了良好的一致性。在调制过程中，引入补偿电流参数对脉冲时间相关参量Kp进行实时调制，保证了中点电位的平衡。通过观察补偿电流的值域范围来验证加入补偿电流调制的效果，通过Kp随补偿电流变化和Kp=0.5两种情况，观察补偿电流的值域。在此展示图4，为仿真较为明显的补偿电流变化。通过输出的补偿电流大小范围，发现利用补偿电流调节Kp情况下，输出的补偿电流范围小，数值更为稳定，证明了本文提出的3D-SVM具有中点电位平衡的控制能力。通过上述分析，得出本文提出的3D-SVM既保证了输出电压随输入电压变化图形具有良好的一致性与拟合性，也保证了三相四桥臂逆变器的中点电位平衡控制能力，有较好的实用价值。5 结语针对三电平四桥臂逆变器，本文提出一种基于三维空间矢量调制的方法，给出了相对开关函数与绝对开关函数的关系，并利用补偿电流对调制过程中的参数实时调节，具有以下优点：（1）减小了开关频率，简化了电压矢量的三维区域选择，降低了控制系统的复杂，提高了效率与时间利用率；（2）优化了绝对开关函数的选择方法，减小了开关频率与损耗；（3）加入补偿电流进行参数调试，具有中点电位平衡控制能力，提高了直流电压利用率。参考文献1 夏长亮，邵虹君.一种三电平变换器中点电压平衡控制方法P.中国专利:CN102361409A.2 X i a C,S h a o H,Z h a n g Y,e t a l.Adjustable Proportional Hybrid SVPWM Strategy for Neutral-Point-Clamped Three-Level InvertersJ.IEEE,Transactions Industrial Electronics,2013,60(10),4234-4242.3 邵虹君,郭峰.优化开关频率的三电平四桥臂逆变器矢量控制J.河南师范大学学报(自然科学版),2016,44(06):57-61.4 Leopoldo Garcia Franquelo,et al.Three-Dimensional Space-Vector Modulation Algorithm for Four-Leg Multilevel Converters Using abc CoordinatesJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(2):458-466.图2 四面体判断流程图3 两种电压输入情况下的输出电流与电压图4 向量1输入且Kp变化的补偿电流仿真