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近年来,多电平逆变器及其相关技术日益成为关注的热点,尤其在静止同步补偿器(STATCOM)、大容量UPS、中压传动系统等领域得到广泛研究和应用。其中,调制策是多电平逆变器的关键核心技术。
从三类基本多电平逆变器的拓扑结构入手,概述了它们各自的运行机理、合适的调制策略及优缺点,最终选取了级联型拓扑作为重点研究对象。空间电压矢量调制(SVPWM)法是一种优越的逆变器PWM控制策略,其谐波特性好、电压利用率高、开关损耗低,且适合于数字实现,被认为是最具前景的理想调制技术。
传统多电平SVPWM算法大多是将空间矢量图分割成多个小三角形区域且对扇区编号,但是,逆变器电平数越多,开关状态与小扇区数目随之骤然增加,导致在选取、计算相应电压矢量等过程中极其复杂,很难适用于实际的系统。此外,算法用于其他电平等级时往往需要重新设计,通用性和可移植性差。
鉴于此,以直角坐标系下三电平SVPWM为例进行了理论分析,探究了常规SVPWM算法复杂的根源。为解决计算过程复杂、精度低的问题,采用了一种非正交坐标系-60°坐标系,并结合提出的新型三角形划分法,得到多电平七段法SVPWM算法,使得整个求解程序中只含有简单的算术,运算量小而快捷,所需存储空间小,可给电网中多电平拓扑的实时控制带来极大便利。
分析了产生附加开关的原因与最小化的原理,在此基础上,提出一种优化的SVPWM算法——多电平逆变器三段法SVPWM算法。对该算法的开关序列设计步骤进行了详细表述,并给出了具体实例。采用它可得到良好的逆变器性能,且相比七段法在开关序列设计灵活性、逆变器开关损耗方面更具优势。
搭建了三相五电平传统级联拓扑和基于“统一拓扑理论”得到的广义级联拓扑模型,在MATLAB7.11/SIMULINK平台环境下对提出的多电平七段法、三段法SVPWM调制策略进行了对比仿真试验。具体分析了不同调制比时级联型逆变器的相电压、线电压波形和快速傅立叶变换(FFT)以及实际器件开关频率,并定义了横向通用性、纵向通用性与联合通用性,以验证基于60°坐标系下多电平逆变器SVPWM通用调制策略及新型开关序列算法的优越性。