革新变频器研讨及应用

　应用SVPWM技术可实现逆变器对电机的高性能控制。SVPWM技术已被广泛应用于两电平系统。随着电平数的增加，开关状态数和电压矢量数急剧增多，造成SVPWM算法过于复杂，难以应用于实际系统。本文提出了最优电压矢量控制法，算法简单，只需选择距离Vref（实际参考矢量）最近的电压矢量即可完成矢量的选取，因此易于实现。

　　级联多电平逆变电路拓扑结构多电平逆变器实现的结构一般主要有：二极管箝位Fig.1Systemtopologyofcascademultilevelinverter出了最小误差算法SVPWM控制。经过MATLAB／Simulink仿真验证，该方法能满足控制要求，充分发挥空间电压矢量法优点，非常适合数字化实现。多电平最优空间矢量PWM控制法多电平最优空间矢量PWM控制法基于空间电压矢量控制原理，通过选取最优空间矢量来确定三相最佳电平组合，得到三相电压实际电平值，从而生成三相电压PWM控制模式。本文提出的多电平最优空间电压矢量控制方法，首先借助电平圆整法将成百上千的待选矢量限制为接近参考电压矢量的4个矢量，而不管多电平变频器的电平级数多大，然后根据这4个矢量与实际矢量进行比较，由于十三电平逆变器电压矢量在空间分布的高密度性，因此，选取距离最接近实际电压矢量的为最优空间电压矢量。

　　单个功率模块线电压为5电平，分别为±2Vdc、0、型、飞跨电容箝位型、具有独立直流电源的级联型及具有多绕组变压器输出的多重化型等等。本研究的对象为株洲变流技术国家研究工程中心开发的6000kV／1MVA级联高压变频器，其输出电压波形为接近正弦的阶梯波；输入与24脉波整流方式类似，输入电流谐波小；三相输出，每相由3个模块级联而成，整个变频器由9个模块组成。其中每个单元功率模块为二极管箝位三电平H桥电路，输出3电平相电压。在电平数不是太多的情况下，采用SVPWM能满足实时性方面的要求。但对于级联型高压变频器，如果采用常规的空间电压矢量控制会使计算非常复杂。因此，在参考相关文献之后，提±Vdc，其中Vdc为中点直流电压的1／2.每相电路由3个功率模块级联而成，每相的电平数为13，因此可以得到的电压矢量个数为133＝2197.由于存在不同的矢量之间的位置重合，实际空间电压矢量个数可根据公式N＝1＋6＊（n＝13）计算，得到实际空间电压矢量为469个矢量。如果按照常规的矢量选取方法，在一个采样周期Ts里进行矢量的选择与计算，以目前的CPU技术难以保证控制的实时性，因此采用一种最优矢量选取算法。

　　实时空间电压矢量的计算和选择三相电压Ua、Ub和Uc所合成的电压矢量为：（1）式中：。电压空间矢量Us在α轴、β轴上进行分解，可得到：（2）（3）按式（4）、式（5）进行变换：（4）（5）则三相电压合成矢量为：（6）对实时电压进行采样，通过计算可得：（7）（8）式中：Fix（A）――将A按照距0最近的方向取整数值的函数；Sign――符号函数。通过对Na、Nb进行查表，得到相应的参考电压矢量Vh、Vl以及相关系数a和b.实际空间电压矢量为Vsel＝Vh＋Vyxj。上述Na和Nb的和即为查表的地址。级联变频器模块脉冲的选择和触发十三电平高压变频器共有2197个空间电压矢量。

　　Fig.3DistributionofvoltagevectorspaceFig.4ChoiceofoptimalvectorFig.5Blockdiagramoftheoptimalvectorchoice当实际空间电压矢量Vsel确定之后，可按照如下规则确定各相电压的电平数：⑴每相电压最高电平数｜m｜＜6；5最优矢量选择流程图⑵每次只允许1个开关管动作；⑶为了抑制共模电压，（Van＋Vbn＋Vcn）／3值为最小。根据以上3条规则，使得空间中的每一个点只对应唯一的空间电压矢量。因此，可以将这所有唯一对应电压矢量所包含的三相电平数进行存表。当确定某时刻具体的空间电压矢量后，通过查表便得到了该时刻的级联变频器三相输出电压的电平数，由此决定每个模块开关管的触发脉冲。

　　模块的功率平衡从长期运行的角度看，在模块级联对称逆变器中，各逆变单元的功率平衡将影响装置的可靠性。为使各逆变单元工作应力平衡，需要对其相应的脉冲循环进行控制。该6000kV／1MVA级联高压变频器采用循环变换阶梯调制控制法，即传统的等周期循环法。在相邻的3个控制周期中，对一相各串联单元的控制脉冲进行轮换，以保证各单元功率平衡。中点电位平衡中点电压不平衡是由直流分压电容充放电不均衡造成的，与开关模式的选择、负载电流方向、脉冲持续时间及所选用的电容等有关，它会引起直流侧电容电压过高和输出电压的畸变。可采用模块输出正电平时使用上电容、输出为负电平时使用下电容的方法解决中点电压平衡问题。这样，在一个周期内，统一了上下电容充放电时间，使得长时间内两电容的电压值相等。

　　仿真结果针对上述控制算法，用M语言编写相关函数，在Simulink环境下进行仿真验证。采用ode45算法，系统相关参数如下：电源输入电压（三相）U有效：6kV；电源输入频率f：50Hz；移相变压器连接方式：Y／△；移相角：20°；负载：三相对称阻感负载；负载额定线电压：6kV；有功功率P：0.8MVA；无功功率Q：0.6MVA；开关周期T：2e－5s.

　　可以看出，电压波形为典型的十三电平阶梯波，接近正弦波。输出电压经FFT分析后的谐波频谱图，其中谐波含量仅为0.77％，主要是9次及9次以上的谐波。呈现标准的正弦波。利用Simulink示波器模块，观测出高压变频器系统总体输入功率因素为98％，通过软件仿真证明了最优矢量控制算法的可行性和高效性。本文详细论述了级联型高压变频器空间电压矢量调制的工作原理及其实现方法。由于多电平空间矢量数目繁多，按照常规的SVPWM控制，在一个周期内，难以完成矢量的选取，故采用了最优空间电压矢量控制算法。为确保模块间的功率平衡，采用传统的等周期循环法，同时采取等效的电容使用时间以满足模块中点电位的平衡。

　　通过仿真验证了所提出调制算法的正确性和有效性。仿真结果表明，在调制深度足够的情况下，最优矢量控制法完全能够满足输出精度的要求，且只需2次查表和少量的运算便可很方便地在DSP等控制器件上实现。

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