3 抑制共模电压SVPWM原理
从表1中的27种状态可以看出, 对于可控的PWM输出波来讲, 其输出共模电压的幅值在0Vdc~Vdc/2之间变化。欲减小共模电压,应尽量不使3个输出端与同一“+”极性端或“-”极性端连接, 避免2个端子一起接到“+”极性端或“-”极性端,而另一个端子接到直流中性点, 如使用表中D类的7个状态字, 此时逆变器的输出共模电压为0,但不能只选用D类矢量,因为那样虽能很好的抑制共模干扰,但却因为少的合成矢量会造成参考电压过渡不平滑,使得逆变器输出线线间电压波形变差,因此需要均衡考虑共模差模问题。本文所研究的SVPWM算法中,就是选择合理输出共模电压较小的矢量来合成参考电压矢量。由表1可见(111,-1-1-1),(110,101,011, 0-1-1,-10-1,-1-10)八个开关状态造成了很大的共模干扰,因此,本研究就避开这八个开关状态(即图2中方框中的矢量),这样就能从源头上降低逆变器的共模输出电压。
本文具体采用CDE三类矢量,这样,理论上即可以把逆变器输出共模电压幅值降为Vdc/6。然而可用矢量的减少使得无法采用传统的七段式脉冲触发序列,因此,本策略采用五段式脉冲触发序列。
基于以上分析,可依据下列步骤实现SVPWM算法:
① 确定当前矢量的幅值和角度;
② 判断参考矢量所处的扇区及区域;
③ 确定构成该矢量的实际开关矢量;
④ 确定开关矢量的作用时间及工作顺序。
具体矢量计算方法见文献[3],本文以图4Ⅰ扇区F区为例,在F区中各矢量持续时间为:
(2)
式2中:ta,tb,tc分别表示矢量V1、V8、V7在一个PWM周期内的持续时间; ;A为输出电压调制比;Ts为开关周期。开关变换次序为(100,10-1,1-1-1,10-1,100),考虑共模电压抑制后的输出矢量时序如图5所示。对于该扇区的其它小三角形,按照以上过程,确定矢量作用顺序,计算三角形顶点开关矢量作用时间。同理,可以计算出其他扇区内各三角形顶点开关矢量作用时间。
4 仿真验证和分析
根据三电平NPC逆变器数学模型和控制策略,验证本文提出的三电平空间矢量调制算法及其共模电压抑制策略的有效性,针对三相电网负载进行了仿真研究,使用的是MATLAB7.0。以Simulink为平台,SimPower System工具箱为辅助。考虑到用最短的时间得到结论,模块中的控制算法用基于解释的S文件实现。
三电平五段法在每个采样周期内有一相开关不动作,比三电平七段法减少了每个采样周期内开关次数,从而减小了开关损耗,提高了效率。由于在一个开关周期内开关次数减少了,逆变输出电压(电流)的THD有所增大,这就对控制器参数和输出滤波器的设计有了更高的要求。
图6为NPC三电平逆变器的总体结构框图,其中Three-level Bridge为NPC逆变器主拓扑,Three-phase V-I Measurement为主测量模块,SVPWM模块负责产生PWM波。
图6 NPC三电平仿真模型
仿真参数和试验波形如下:电网参数:Em=200V,f=50Hz;滤波电感:LS=1.28mH。直流母线电压Vdc=600v。开关频率fS=10kHz,采样频率fN=10kHz。图7至图10为仿真试验结果波形图。对三相输出的相电压和线电压的频谱进行分析,线电压的THD为1.25%,经输出电感滤波后得到正弦波幅值为311.4V, THD下降到0.27%,如图8所示。相电压的THD为23.96%,主要表现为3次谐波,与普通SVPWM/控制策略下输出相电压(图9)相比较可知,谐波含量还略有下降。