可有效改善三电平逆变器输出电流质量的优化策略
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心（天津工业大学）、天津大学电气自动化与信息工程学院的研究人员谷鑫、刘潮、张国政、史婷娜、夏长亮，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“三电平逆变器同步不连续空间矢量调制输出电流优化策略”），以中点钳位型三电平逆变器为研究对象，对同步不连续空间矢量调制展开研究，提出一种平均误差电流矢量幅值最小的输出电流优化策略。
首先对同步不连续调制开关序列构成原则进行研究，根据各参考矢量所处区域将调制度进行分段，对空间矢量平面进行合理划分。其次依据同步性与对称性原则，确定各调制度区段内的备选开关序列，并将零电平钳位状态开关序列加入备选序列，扩充了备选开关序列集合。最后计算各开关序列对应的平均误差电流矢量幅值，以平均误差电流矢量幅值最小为原则，确定线性调制范围内的最优作用开关序列。
仿真与实验结果表明，该优化调制策略能有效降低输出电流谐波畸变率，实现对逆变器输出电流质量的优化。
中点钳位（Neutral-Point-Clamped, NPC）型三电平逆变器具有输出电压和电流质量高、dv/dt低、逆变效率高等优势，在轨道牵引、舰船推进、挖掘盾构等中压大功率场合得到越来越广泛的应用。在大功率电机驱动应用场合，为了满足系统对逆变效率的要求，逆变器通常运行在低开关频率下，此时基波周期内脉冲数P（开关频率fsw与基波频率fo之比）非常低，导致逆变器输出电流中含有大量的低次谐波，会引起定子电流畸变、转矩波动变大等问题。因此，在低开关频率工况下提高输出电流质量，是中压大功率三电平逆变器调制面临的关键问题。
当脉冲数P<21时，采用异步调制策略会导致逆变器输出波形中产生大量的谐波，同步空间矢量调制策略通过设计保证输出波形满足同步性与对称性条件的开关序列，可以有效降低逆变器输出电流谐波畸变率。
此外在低开关频率应用场合，不连续空间矢量调制仅使用一个冗余开关状态参与参考矢量的合成，逆变器在某些输出区间内保持钳位，与连续调制相比，不连续调制作用下的逆变器开关频率降低1/3，可有效降低开关损耗。
学者们提出了多种适用于低开关频率运行条件下的逆变器输出波形质量优化调制策略，以有效改善逆变器的运行性能。文献[8]在脉冲数P相同的条件下，在波形满足同步性与对称性条件的同步调制开关序列中，选取输出电压加权谐波畸变率最低的开关序列，从而在低开关频率下有效改善了逆变器输出。
文献[9]将传统不连续调制下的开关序列进行了改进，同一有效矢量在采样周期内作用两次，并对改进后的开关序列作用下的定子磁链波动矢量进行了计算，选择波动矢量有效值最小的开关序列作用于逆变器。相比传统不连续调制，改进型不连续调制策略在一定调制度范围内，进一步降低了系统的输出电流波动。
文献[10]以传统连续调制和不连续调制开关序列作为备选序列，以输出电流波动量有效值最小为目标进行开关序列的选取。文献[11]利用开关状态的冗余性，将同步空间矢量调制策略中波形的对称性与不连续调制中低开关切换次数的特性相结合，在减少开关次数的基础上，保证输出波形的同步性、三相对称性以及半波对称性，有效地降低了输出电流谐波。
本文针对低开关频率下逆变器输出电流质量优化问题，提出了一种NPC型三电平逆变器同步不连续空间矢量调制输出电流优化策略。首先在不同的参考矢量数量下，依据参考矢量数量与各参考矢量所处区域之间的关系将调制度进行分段，对空间矢量平面进行合理划分。
在每个调制度区段内设计满足同步性与对称性的开关序列，并利用开关状态的冗余性，将“0”钳位状态开关序列加入备选序列，扩充了备选开关序列集合。其次通过分析逆变器输出电流谐波畸变率与平均误差电流矢量幅值之间的等效关系，得到同步不连续调制策略作用下开关序列选取的评价指标。
最后以平均误差电流矢量幅值最小为原则，选取满足同步性与对称性的开关序列，确定不同备选开关序列的最优作用区域，从而有效优化了逆变器输出电流质量。
图1 中点钳位型三电平逆变器拓扑结构与输出状态以及空间矢量图
本文首先对不同参考矢量数量下，参考矢量所处区域与调制度的关系进行研究，根据参考矢量所处区域的不同，对调制度区间进行分段并设计了满足同步性与对称性原则的五种备选开关序列组合。与传统同步不连续调制开关序列相比，由于引入了“0”钳位状态开关序列，使备选开关序列组合得到了扩充。其次以平均误差电流矢量幅值最小为原则，确定不同备选开关序列的最优作用区域。
在此基础上，提出了一种同步不连续空间矢量调制输出电流优化策略，该策略在不同调制度区段选用输出电流谐波畸变率最小的开关序列组合，可以有效改善逆变器输出电流质量。