- 頭條新方法！徹底解決多電平逆變器采用SVPWM策略的通用性問題2021-02-18 作者：陳息坤 李婷娜 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語上海大學機電工程與自動化學院的研究人員陳息坤、李婷娜，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，提出基于兩電平SVPWM的矢量移相、虛擬載波移相以及虛擬載波層疊三種簡化多電平SVPWM法。新型控制策略適用于任何級聯數的H橋多電平逆變器，徹底解決了模塊化級聯多電平逆變器采用SVPWM控制策略的通用性問題。
多電平逆變器使用低耐壓開關器件即可實現高壓輸出，電壓變化率dV/dt小、輸出電壓電平數多，具有效率高、電磁干擾低以及輸出電壓諧波特性好等優點，被廣泛應用于柔性交流電傳輸、電機變頻調速等中高壓大功率場合。
相對于鉗位式多電平逆變器（包括二極管鉗位式、飛跨電容式多電平逆變器），H橋級聯型多電平逆變器不使用鉗位二極管及鉗位電容，因此，不存在復雜的電容電壓均衡問題；同時，每個H橋功率單元可獨立控制，在輸出電平數相同的情況下，H橋級聯型多電平逆變器所需功率器件最少，易于實現模塊化，便于拓展。因此，得到廣泛的應用。
其中，空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）控制策略能明顯減小逆變器輸出諧波成分，降低脈動轉矩，且其數字化實現方便、電壓利用率高，相比于正弦脈寬控制方式優勢明顯。但是，其開關矢量個數隨著輸出電平數的增加而呈幾何級數增加，因此，傳統的SVPWM會占用大量的計算時間，實現難度大，且不具備級聯單元模塊化設計所必需的通用性。為配合級聯型逆變器模塊化的應用，目前，相關文獻針對多電平逆變器SVPWM的通用性做了以下研究。
有學者分別采用不同的方法找到SVPWM法的零序電壓，提出向三相調制波注入零序電壓，并采用多載波脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）方法，從而使得逆變器性能上具備SVPWM法電壓利用率高的優點。隨著電平數的增加，零序分量增加且推導零序分量的過程變得越來越復雜。不同零序分量對應不同的控制效果，目前無相關研究從理論上全面分析不同零序分量所對應的控制效果。因此，零序分量的選擇無所適從。
有學者提出一種基于坐標變換以及開關序列映射的SVPWM法，需要坐標變換確定參考矢量的位置，并采用兩電平SVPWM法確定占空比。該方法需要一個預先存儲的映射表來確定開關序列。而隨著電平數的增加，開關序列數量增加。因此，在應用于更高電平數的逆變器時，需更改映射表且要求更多的內存以及更長的映射時間。
針對相關文獻所需存儲映射表不具備通用性的缺點，有學者提出的SVPWM法基于兩個通用的映射表，生成所有可用開關狀態及序列，并且提供可調開關序列和占空比兩種自由度，使得多電平逆變器性能的優化具備更大的靈活性。有學者提出一種在60°坐標系下，采用最近基本矢量代替參考矢量的SVPWM法。但是近似代替會帶來誤差，且不同電平數對應不同的矢量表，仍有失一般性。
以上文獻所提通用SVPWM法，均對多電平矢量空間進行處理，再定位并合成參考矢量。而矢量空間始終會隨著級聯數的增加而呈級數增長，使得計算或存儲表變復雜，工程實現的便利性較差。另外一種思路是將參考矢量進行分解，再由級聯單元采用兩電平SVPWM合成分解的小參考矢量。
有學者針對m單元H橋級聯多電平逆變器，提出將參考矢量分解成2m個具有一定相移的等幅小矢量，各單元橋臂采用兩電平SVPWM法合成小矢量，并行輸出合成目標參考矢量。而相關學者研究的不同之處在于：將H橋視為一個單元，各單元采用三電平SVPWM法合成小矢量。該類方法中，每單元基于低電平SVPWM法合成小矢量，并行輸出，具有較強的拓展性與通用性。但是，分解的等幅矢量間存在相位差，使得總電壓利用率不足1.15。
綜上所述，尋求便于模塊化級聯多電平逆變器工程應用的控制策略，具有重要理論意義及重大應用價值。深入研究發現，基于矢量分解的思想可以衍生出一類通用SVPWM簡化算法。
上海大學機電工程與自動化學院的研究人員以三相H橋級聯多電平逆變器作為研究對象，對兩電平SVPWM中的虛擬三角載波與調制波的控制自由度進行解構與重組，提出了基于控制自由度組合的簡化SVPWM法控制思想，分析了三種基于該思想的VPS-SVPWM法、VCPS-SVPWM法以及VPD-SVPWM法。
該類控制算法采用矢量分解的手段，改變了傳統控制策略在繁雜多電平矢量空間定位及合成參考矢量的慣常做法；將復雜的多電平SVPWM簡化為兩電平SVPWM，各單元并行輸出，提高了系統合成效率與控制精度；最重要的是，該類方法徹底解決了模塊化級聯多電平逆變器采用SVPWM控制策略的通用性問題；更有意義的是，基于所提出的控制思想，可根據系統性能的指標需求，通過自行組合控制自由度產生相應的控制算法。最后，通過理論分析與實驗驗證算法的有效性與可行性。
VCPS-SVPWM及VPD-SVPWM法僅需一次簡單的矢量分解，各橋臂同一時間合成同一參考矢量，因此，計算量相對于VPS-SVPWM法而言更少；同時，仿真與實驗結果說明VCPS-SVPWM及VPD- SVPWM法在輸出電壓諧波性能上也略勝一籌。
該類控制策略的通用性為H橋級聯多電平逆變器的模塊化架構提供了重要技術支撐，工程上可應用于對可靠性要求較高的大功率三相電機驅動系統，如發電廠的給水系統、高爐的引風系統及石油管道的增壓系統等。
以上研究成果已發表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基于控制自由度組合的簡化多電平空間矢量脈寬調制控制策略”，作者為陳息坤、李婷娜。
