采用单Z源网络的空间矢量调制三电平中性点箝位逆变器

R.Arjunan¹, D.Prakash²

印度哥印拜陀罗摩克里希纳工程学院电力电子与驱动系pg -学者
印度哥印拜陀罗摩克里希纳工程学院EEE系助理教授

摘要

具有z源网络的中性点箝位(NPC)三电平逆变器是一种相对较新的转换器拓扑结构，具有降压和升压能力。这个概念可以应用于所有的交流、直流、交流和交流电源转换，无论是两级还是多级。然而，多电平逆变器为更高功率的应用提供了许多好处。现有的出版物已经展示了使用基于载波的调制技术控制z源飞行电容逆变器。本文提出了利用空间矢量调制技术对中性点箝位三电平逆变器进行z源网络控制的方法。这在实现和谐波性能方面都带来了许多好处，使z源排列的操作能够以数字方式优化和实现，而无需引入任何额外的换流。

关键字

中压(MV)，中性点箝位(NPC)逆变器，空间矢量调制(SVM)，脉宽调制(PWM)

我的介绍。

随着高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)和栅控晶闸管(GCT)等半导体器件技术的进步，现代多兆瓦变频驱动器越来越多地应用于石油化工、采矿、钢铁金属、交通运输等行业，以节约电能，提高生产率和产品质量。这些公司在他们的驱动产品中使用了各种功率转换器技术。例如，ABB生产三电平中性点箝位逆变器馈电驱动器，罗克韦尔生产电流源逆变器驱动器，卢比肯推广级联h桥多电平逆变器技术，东芝使用多电平NPC/ h桥混合逆变器，阿尔斯通正在开发飞行电容多电平逆变器驱动器。所有这些驱动系统工作在中压(MV)水平，通常从2300V到7200V。本论文主要研究采用空间矢量调制的高功率三电平中性点箝位逆变器。三电平中性点箝位逆变器因其电压高、功率大、谐波性能好等优点，主要用于驱动中压大功率交流电机。这种电机驱动器用于许多大功率变速应用，如大功率泵，风扇等，导致显著的能源节约。在脉宽调制控制逆变器中，每个逆变器支腿输出电压是PWM调制的步进电压。[1]

提出了用多相电机代替三相电机用于变速变频器的初步设想。它具有降低铜损耗、衰减相带谐波等优点。用于多相机的多级多相逆变器脉宽调制开关信号的产生策略是控制多相机的重要手段。[２]

多级逆变器作为中压和高功率应用的电子功率转换选择，在工业中受到越来越多的关注，因为逆变器改善了输出波形，减少了其各自的谐波含量，从而减少了所使用滤波器的尺寸和开关操作产生的电磁干扰水平。为了满足越来越多的多电平逆变器拓扑，已经开发了许多新的调制。它们的目的是产生一个开关步进波形，最接近任意参考信号。[3]

中性点箝位三电平逆变器由于其高功率密度、谐波性能和节省无源器件的成本，是一种具有吸引力的高功率电子系统拓扑结构。NPC逆变器可能有中性点平衡问题，这是由电流引起的。支持向量机和大多数基于载波的NP控制算法的研究可以归类为共模占空比注入。[4]

中性点夹式变流器是市场上最受欢迎的拓扑结构之一，在中压高压电力工业中广泛应用，如泵、牵引和高压直流输电。原来的三电平中性点箝位变换器采用二极管箝位中性点，三电平有源中性点箝位变换器采用有源开关代替二极管箝位中性点

2提出了系统

三电平NPC逆变器具有无串联工作电压高、输出电压THD好、电磁干扰小等特点。因此，它越来越多地应用于大功率应用中。在本节中，介绍了这种逆变器的电源电路和开关状态。

三电平中点箝位逆变器的框图由直流源2E组成，它被分成两个直流源E和E，然后是一个Z源网络，用于升压，它连接到一个多级逆变器，称为NPC逆变器(三电平二极管箝位逆变器)，采用空间矢量调制技术，负载三相异步电机，如图1所示。

A.空间矢量脉冲宽度调制

目前，当快速和廉价的半导体器件可用时，更可取的是在中低功率范围内使用PWM技术，因为PWM控制的逆变器能够控制输出电压的幅值和频率，并且不需要在直流侧进行额外的电压控制。这种做法是基于多个脉冲在每个半交流周期，具有可变宽度。脉冲宽度调制是根据一个小的控制信号，直接修改脉冲序列中脉冲宽度的过程。有不同类型的脉宽调制。其中，最著名的是空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)。

空间矢量PWM (SVPWM)是一种更复杂的技术，用于产生基本正弦波，与正弦PWM相比，它为电机提供更高的电压和更低的THD。空间矢量技术现在通常被称为空间矢量调制(SVM)。切换矢量和扇区如图2所示。表1显示了逆变器的矢量开关顺序。

空间矢量脉冲宽度调制用于产生施加于定子相位的电压。它采用一种特殊的方案来开关功率晶体管，在定子相中产生伪正弦电流。这种方法越来越多地应用于谐波电流尽可能小，最大输出电压尽可能大的交流驱动器。

B.空间矢量调制原理

空间矢量调制(SVM)是将正弦电压作为一个旋转的恒幅矢量，以恒频率旋转。这种PWM技术通过八种开关模式的组合来接近参考电压Vref。坐标变换(abc参考系到平稳α-β系)。即将三相电压矢量变换为平稳α-β坐标系中的矢量表示三相电压的空间矢量和。向量(V1到V6)将平面划分为六个扇区，扇区由两个相邻的非零向量生成。

为了实现空间矢量PWM，可以将电压方程的abc参考系转换为由水平(α)轴和垂直(β)轴组成的平稳αβ参考系，从而可以获得6个非零向量和2个零向量。6个非零矢量(V1 - V6)形成如图2所示的六角形轴，并向负载提供电力或直流链路电压提供给负载。任何相邻的两个非零向量之间的夹角都是60度。同时，两个零矢量(V0和V7)位于原点，并对负载施加零电压。这些向量称为基本空间向量，即V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7所提到的基本空间向量。

同样的变换可以应用到所需的输出电压，以得到所需的参考电压矢量Vref在d-q平面。空间矢量PWM技术的目标是利用8种开关模式来逼近参考电压矢量Vref。空间矢量脉冲宽度调制用于产生施加于定子相位的电压。它采用一种特殊的方案来开关功率晶体管，在定子相中产生伪正弦电流。空间矢量技术现在通常被称为空间矢量调制(SVM)。

SVPWM切换模式如图3所示。它由8个向量组成，从V0到V7。

3z源NPC逆变器电路分析

在目前报道的三电平z源功率变换器拓扑结构中，使用单一LC阻抗网络实现的z源NPC逆变器被认为是一种从元件数量上优化的拓扑结构。参考REC z源NPC逆变器提供了一个分裂的直流源。以中间点O为参照。当REC z源NPC逆变器运行时没有任何直通状态，则Vi与2E相似。如前所述，使用这种操作，可获得的最大输出线对线电压不能超过可用的直流电源电压(2E)。因此，为了获得高于2E的输出线对线电压，将直通状态小心地插入到选定的相位支腿中，在输入电压被NPC电路反向之前将输入电压提升到Vi>2E。因此，REC z源逆变器可以用单级结构提高和降压输出线对线电压。

两种新的开关状态，即UST和LST状态与FST状态和非射通(NST)状态(P, O和N)一起被确定。虽然使用FST和NST状态的操作是可能的，但通常更可取的是使用UST和LST状态来代替FST状态。ULST工作模式是首选的，因为它产生的输出电压具有增强的波形质量。最简单的FST工作模式需要一个相位腿中的所有四个开关都打开。这不是最小损耗方法，因为例如，将阶段A从+E通过FST切换到0 V需要将开关{Qa1, Qa2, Qa ' 1, Qa ' 2}从{ON, ON, OFF, OFF}通过{ON, ON, ON, ON}切换到{OFF, ON, ON, OFF}。

另一种FST工作模式使用两个相腿来创建直通路径，使损耗最小。例如，在FST状态开始时，需要同步A阶段的q1开关和C阶段的Qc ' 2开关的打开瞬间。来自A阶段的开关{q1, q2, Qa ' 1}和来自C阶段的开关{Qc2, Qc ' 1, Qc ' 2}同时被门控以创建直通路径的时间间隔。然而，使用最小损耗FST方法获得的输出线对线电压在其输出电压波形中具有更高的谐波失真(与ULST方法相比)，因为产生的电压电平没有相邻的电平开关。因此，本文采用ULST工作模式对REC z源NPC逆变器进行控制。图中显示了NST状态的简化等效电路，显示了UST和LST状态。注意，使用不同的阶段有多种创建UST和LST状态的方法。

四、系统仿真

A.拟议系统的实施

V.CONCLUSION

提出了一种z源NPC逆变器的改进空间矢量调制方法。使用仔细插入的UST和LST状态到传统NPC逆变器状态序列，Z-Source NPC逆变器具有正确的伏秒平均和电压升压能力，无论角度位置如何，通过插入射穿状态，设备换相数保持在最小采样周期，这是传统NPC逆变器所需的。所提出的概念已经在使用三相z源NPC逆变器的仿真中得到验证。

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