- 頭條零序注入的載波調制方法，能有效解決SVPWM和VSVPWM的不足2019-09-26 作者：陳兮、黃聲華、李炳璋、吳芳 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）、華中科技大學文華學院的研究人員陳兮、黃聲華、李炳璋、吳芳，在2019年第2期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“一種零序注入的三電平中點鉗位型變換器中點電位平衡控制策略”），對三電平的兩種調制方法空間矢量脈寬調制（SVPWM）和虛擬空間矢量脈寬調制（VSVPWM）進行深入比較，詳細分析VSVPWM方法線電壓dv/dt高和諧波含量大、功率器件開關損耗大以及中點電壓平衡動態響應特性慢等問題的本質原因。 為克服SVPWM和VSVPWM的不足，提出一種零序注入的載波調制方法。該方法將一種適用于兩電平的零序注入法引入到簡化的三電平空間矢量圖的小六邊形中，在每個小六邊形中建立中點電流與零序分量之間嚴格準確的數學關系，并結合6個小六邊形開關函數符號特點，只需一路載波和6個等式即可實現三電平載波調制和中點電位平衡控制，且具有計算量小，執行時間短，中點電壓平衡動態響應快等優點。最后，本文方法與SVPWM和VSVPWM的實驗對比，驗證了提出方法的可行性和有效性。
相比于傳統兩電平變換器，多電平變換器具有更好的輸出電壓波形，較小的電壓畸變率，以及功率器件只承受部分直流母線電壓的特點，因而廣泛應用于電機驅動、光伏系統、風力發電和高壓直流輸電等領域。大量研究表明，多電平變流技術不僅僅只適用于高壓大功率場合，同樣適用于中壓或低壓（小功率）領域，由于使用更低額定電壓的功率器件，可以有更好的性能表現以及更低的經濟成本。
在多電平拓撲結構中，三電平中點鉗位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）變換器是研究和應用最為廣泛的電路拓撲。普遍應用于2.3～4.16kV場合，也有應用于6 kV電壓場合。當前大量文獻主要致力于三電平的調制過程簡化，以及中點電位平衡控制。
文獻[11]提出了一種簡化的三電平空間矢量調制方法。該方法將傳統的三電平空間矢量分解成6個兩電平空間矢量，因此適用于兩電平的調制方法，也適用于分解得到的6個兩電平空間矢量，這樣可以大大簡化三電平的調制過程。
對于三電平NPC變換器，中點電位平衡控制是核心問題。文獻[2]指出，中點電位不平衡分為直流不平衡和交流不平衡。通常直流不平衡容易通過控制算法實現抑制。相比于直流不平衡，交流不平衡（中點低頻電壓振蕩）研究最多。低頻振蕩電壓頻率為3倍輸出基波頻率，其幅值大小受輸出電流、功率因數和直流母線電容影響，且低頻振蕩電壓幅值過大時會造成輸出電壓畸變，以及功率器件過高的電壓應力。
為了抑制中點低頻電壓振蕩，提出了大量控制方法，其中文獻[12]提出一種虛擬空間矢量調制（Virtual Space Vector Pulsewidth Modulation, VSVPWM）方法，該方法可以使變換器在線性或非線性，以及不同功率因數負載條件下，保持中點電壓平衡。但該方法計算量大，實現過程復雜。
文獻[13]提出了一種基于零序注入的載波調制策略來簡化VSVPWM。文獻[5,6,13,14,19-22,24]也提出了類似的方法，雖然都能較好地抑制中點低頻電壓振蕩，但是這些方法會導致線電壓出現以下問題：
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（1）線電壓的dv/dt較高，可能導致在長線驅動的電機端產生反射過電壓，造成電機絕緣損壞，同時也會產生高頻共模電流，影響電機軸承壽命。
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（2）線電壓畸變嚴重。
文獻[5,6,12,13,19-22]方法的功率器件等效開關頻率比空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）增加1/3，這將顯著增加三電平NPC變換器的開關損耗，降低變換器效率以及功率密度。此外，VSVPWM還存在中點電壓平衡動態響應特性慢的問題。目前，很少有工作對VSVPWM這些不足的本質原因進行分析。為了便于理解和分析，本文將以SVPWM方法為對照，深入分析VSVPWM不足的本質原因。
同時，提出一種零序注入的載波調制方法。該方法既能夠克服VSVPWM方法線電壓dv/dt高和諧波含量大，功率器件開關損耗大，以及中點電壓平衡動態響應特性慢等不足；又能夠大大簡化SVPWM復雜的調制過程，改善SVPWM中點電位平衡能力。具有實現過程簡單、代碼量少、執行效率高、中點電壓平衡能力強且動態響應快等優點。
圖10 實驗樣機
結論
本文以SVPWM對照，深入分析和討論VSVPWM存在不足的本質原因。同時為了克服傳統SVPWM和VSVPWM的缺點，提出了一種零序注入法，實現三電平NPC變換器的載波調制以及中點電壓平衡控制。主要工作概括如下：
1）對VSVPWM輸出線電壓dv/dt高和諧波含量大、功率器件開關損耗大、以及中點電壓平衡動態響應特性慢的本質原因進行分析，定義補償能力值，解釋不同方法調節中點電壓速度快慢的本質原因。
2）在6個小六邊形中，建立中點平均電流與零序分量之間嚴格準確的數學關系，這是實現中點電位補償的關鍵因素。
3）利用開關函數在6個小六邊形的符號特點，只需一路載波實現三電平的載波調制；同時利用表5給出的6個零序分量表達式就能夠實現對中點電壓平衡控制，整個算法具有實現簡單，計算量小，執行時間短，以及中點電壓平衡動態響應快等優點。
最后，給出了三種方法實驗結果比較，本文方法具有更明顯優勢，仿真和實驗結果驗證了本文方法的可行性和有效性。
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