变换器directspace

第48卷第21期电力系统保护与控制Vol.
48No.
212020年11月1日PowerSystemProtectionandControlNov.
1,2020DOI:10.
19783/j.
cnki.
pspc.
191451抑制三电平矩阵变换器共模电压调制策略马星河1,任鑫1,闫炳耀2,马亚光1,许丹1(1.
河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;2.
国网焦作供电公司,河南焦作454000)摘要:与传统AC-DC-AC功率变换器相比,矩阵变换器作为一个通用的功率变换装置,能够轻易实现N个相位到M个相位的变换.
矩阵变换器可以产生理想的输入输出波形、没有中间储能环节、能量双向流动、快速的动态响应等优点.
三电平矩阵变换器能够提高电压传输效率、实现多电平电压波形输出、突破电压传输比0.
866的限制.
针对三电平矩阵变换器调制过程中存在的共模电压问题,提出了基于电容钳位三电平矩阵变换器的改进空间矢量调制算法,根据不同的调制系数选择不同的调制策略,能够将三电平矩阵变换器的共模电压减小到最小.
通过实验和仿真平台验证该简化策略的可行性和正确性.
关键词:三电平矩阵变换器;共模电压抑制;空间矢量调制;调制系数Strategyofreducingthecommonmodevoltagemodulationofathree-levelmatrixconverterMAXinghe1,RENXin1,YANBingyao2,MAYaguang1,XUDan1(1.
SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.
StateGridJiaozuoPowerSupplyCompany,Jiaozuo454000,China)Abstract:ComparedwiththeconventionalAC-DC-ACpowerconverter,thematrixconvertercaneasilyrealizethetransformationofNphasestoMphasesasageneralpowerconversiondevice.
Thematrixconvertercanproduceidealinputandoutputwaveforms,nointermediateenergystoragelinks,two-wayenergyflow,andfastdynamicresponse,etc.
Thethree-levelmatrixconvertercanimprovevoltagetransmissionefficiency,realizemulti-levelvoltagewaveformoutput,andbreakthroughthevoltagetransmissionratioof0.
866forthecommonmodevoltageprobleminthemodulationprocessofathree-levelmatrixconverter.
Inthispaper,animprovedspacevectormodulationalgorithmbasedonacapacitiveclampedthree-levelmatrixconverterisproposed,anddifferentmodulationstrategiesareselectedaccordingtodifferentmodulationindices.
Thecommonmodevoltageofthethree-levelmatrixconvertercanbeminimized.
Thefeasibilityandcorrectnessofthesimplifiedstrategyareverifiedbyexperimentsandsimulationplatforms.
ThisworkissupportedbyNaturalScienceFoundationofHenanProvince(No.
182300410280)andNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.
2016YFC0600906).
Keywords:three-levelmatrixconverter;commonmodevoltagesuppression;spacevectormodulation;modulationcoefficient0引言传统矩阵变换器通过九个双向开关将每个输出相位直接与输入相连,运行过程中必须遵循两个基本原则[1]:1)为避免电压源短路造成过电流,矩阵变换器(MatrixConverter,MC)的三相输入端中任意两相之间不能短路;2)防止感性负载突然基金项目:河南省自然科学基金项目资助(182300410280);国家重点研发计划课题资助(2016YFC0600906)断路而产生过电压.
MC的三相输出端中的任意一相电路均不能断路.
作为一种直接AC-AC变换器,MC具有以下优点[2]:1)可控的输出电压和输出频率不受输入频率的限制.
2)输入功率因数可调,不受负载的限制.
3)输入电流为正弦,对电网无谐波污染.
为了增强矩阵变换器拓扑结构的适用领域,多电平逆变器技术与传统矩阵变换器相结合可实现多级矩阵变换器结构,具有适用于高压大容量系统、多电平输出、改善谐波特性等多电平拓扑-50-电力系统保护与控制结构特点.
尽管MC具有很多突出特点,但它仍有一些亟待解决的问题,例如作用在矩阵变换器的双向开关上的PWM信号不可避免地引起电机中性点与接地之间的共模电压(CommonModeVoltage,CMV)[3-4].
近年来,许多从事电力传动和电力变换方向的学者将三电平矩阵变换器的共模电压降低的方法主要分为两大类:1)通过改变拓扑结构对共模电压进行抑制,插入共模电感或电阻;在传动系统中增加一台隔离变压器来阻断共模电压,主要缺点:系统造价大,初期投资高,运行效率低,体积大;采用有源共模电压滤波器来消除负载端子上的共模电压,缺点是造价高,难以得到实际的应用.
2)改进空间矢量调制策略来降低共模电压,而共模电压存在的根本问题在非零矢量与零矢量的选择上.
相比较而言改进空间矢量调制最为适用也是研究的热点问题.
文献[5]提出一种改进型虚拟空间矢量(NTV2)调制法,通过合理选取虚拟中矢量分配系数,有效地抑制共模电压,然而计算较为复杂.
文献[6]提出一种不含正小矢量的脉宽调制矢量合成策略,将逆变器输出共模电压幅值由原来的1/3直流母线电压降低到1/6直流母线电压.
对于三电平逆变器降低共模电压有大量研究,然而对于多电平矩阵变换器共模电压抑制问题少有研究.
三电平矩阵变换器(Three-LevelMatrixConverter,TLMC)的共模电压抑制策略将在下面内容被提及.
1电容钳位三电平矩阵变换器传统MC由9个双向开关组成[7],电容钳位三电平矩阵变换器由18个双向开关组成,每个输入和输出臂之间都连接一个钳位电容[8-9]如图1所示.
图1电容钳位三电平矩阵变换器拓扑结构Fig.
1Topologyofcapacitorclampedthree-levelmatrixconverter三电平矩阵变换器可以在每个输出支路上输出额外半振幅电压,以输出端u为例,从图2可以推导出来,每个相位上可以得到六种电压状态[10-11](全振幅电压状态Va、Vb、Vc,半振幅电压状态(Va+Vb)/2、(Vb+Vc)/2、(Va+Vc)/2),因此可用于三相系统的电压状态为63=216种[12].
三电平MC的传统调制策略在以往的文献中已经谈及,在此不做过多描述.
图2电容钳位三电平矩阵变换器单臂输出Fig.
2Single-armoutputofcapacitorclampthree-levelmatrixconverter2共模电压的理论分析共模电压由一系列高频谐波和电机三相输出端子共同组成,当开关频率较高或电压增加较快时,它能在电机负载中性点产生高频共模电压.
电机上的CMV可以通过寄生电容产生高频轴电压.
由于电机内部耦合效应,轴电压可以产生轴承电流,并且轴承电流会在轨道上产生凹槽并使润滑剂变质,增加轴承机械磨损,加速轴承老化,降低电机寿命.
矩阵变换器的输出相电压由差模电压及共模电压组成.
差模电压是产生输出电流和输出电压的有效部分,而共模电压是指电机中性点相对参考电位点的电压.
矩阵变换器输出通常连接电机等感性负载,下面用阻感负载推导共模电压表达式.
对于三相系统来说,共模电压可定义为中性"N"与电源接地点"O"之间的电压,在矩阵变换器的输出测,端电压方程[13]为(1)其中:R为负载电阻;L为负载电感;Vcm为中性马星河,等抑制三电平矩阵变换器共模电压调制策略-51-点对地共模电压;Vu、Vv、Vw为矩阵变换器输出相电压;iu、iv、iw为输出电流.
若三相负载平衡可推出:(2)从式(2)可以看出,对于对称的三相输出系统而言,Vcm为0.
然而矩阵变换器在空间矢量调制周期过程中不会产生对称的输出电压,并且能随着开关频率不断变化显著增强Vcm的幅值.
3三电平矩阵变换器电压状态分析三电平矩阵变换器产生额外电压水平,将产生额外状态作用于空间矢量调制,正如第一小节所描述,有63=216电压状态可以适用,这些电压状态按照连接方式可以分为十组.
分别计算输出电压空间矢量和输出电压空间矢量角(VVA)[14].
(3)(4)式中:代表实部,代表虚部.
根据式(3)、式(4)可得这十组电压状态可以细分为三组即:旋转矢量、零矢量、非零矢量.
然后根据式(2)可以计算出每组电压状态的共模电压幅值.
第1、2、10组属于旋转向量群,每组向量的VVA在矢量空间上是时变的;第3、4组属于零向量群在原点当中;第5—9组属于非零向量群组,这些向量的幅值随着正弦变化,输出电压空间矢量角是固定的.
然后根据式(2)计算各向量的共模电压幅值.
具体参数如表1所示.
针对三电平矩阵变换器的特点,提出了一种改进SVM抑制CMV的调制策略.
表1三电平矩阵变换器共模电压分组Table1Groupingofthree-levelmatrixconvertercommonmodevoltage矢量类型组别电压状态VuVvVwCMV旋转矢量1VaVbVc02(Va+Vb)/2(Vb+Vc)/2(Vc+Va)/2010(Va+Vb)/2(Vb+Vc)/2Va(3Va+2Vb+Vc)/6零矢量3VaVaVaVa4(Va+Vb)/2(Va+Vb)/2(Va+Vb)/2(Va+Vb)/2非零矢量5VaVaVb(2Va+Vb)/36(Va+Vb)/2(Va+Vb)/2(Vb+Vc)/2(2Va+3Vb+Vc)/67VaVa(Va+Vb)/2(5Va+Vb)/68VaVb(Va+Vb)/2(Va+Vb)/29(Va+Vb)/2(Va+Vb)/2Va(2Va+Vb)/34共模电压抑制策略根据以往对传统矩阵变换器共模电压抑制策略的研究,主要研究方法包括:不改变输出电压状态的情况下,选择CMV幅值较小的非零电压矢量;零矢量产生最大的CMV,合适的零矢量选择将减小共模电压的幅值[15-16].
由于电容钳位三电平矩阵变换器能产生半幅矢量,可以提供额外的方法来降低三电平矩阵变换器的CMV;适当地选择冗余的非零矢量降低CMV;SVM六边形的划分也有助于降低CVM.
总的来说降低TLMC的CMV有两种办法:1)对零矢量和非零矢量的优化选择,然后对传统的SVM六边形进行划分.
改进后的SVM易于实现,然而有一个缺陷,共模电压不能降为零.
2)只使用旋转矢量进行调制,CMV可以降到零,但最大的调制指数为0.
5.
本文将两种方法进行结合,在矩阵变换器的实际应用中,由于三电平矩阵变换器的电压传输超过0.
866,使得其在交流电机调速场合的应用得以实现,三电平矩阵变换器广泛应用于风力发电、光伏发电、机车牵引以及高压直流输电等领域,根据不同的应用领域选择不同的电压传输比即调制系数(调制系数为矩阵变换器的电压传输比),能够将共模电压幅值降到最小.
为了简化调制策略,三电平矩阵变换器空间矢量六边形可以看成由四个子系统组成,每个子系统可以看成一个独立的传统矩阵变换器,并且具有不同的冗余状态,子系统1、2、3不产生冗余状态,子系统4产生冗余状态.
如图3所示.
-52-电力系统保护与控制图3三电平矩阵变换器输出电压空间矢量六边形Fig.
3Outputvoltagespacevectorhexagonofthree-levelmatrixconverter4.
1低调制系数调制方法产生旋转矢量的开关配置总能产生零共模电压[17],只采用旋转矢量进行调制时它的空间矢量图如图4所示.
半幅输出电压空间矢量图如图5所示.
图4全幅输出电压空间矢量图Fig.
4Fulloutputvoltagespacevector为了最大限度地减小电压失真[18],在任意的调制周期中,选择五个旋转矢量来控制输出电压矢量和输入电流矢量.
可以去除输出相对于参考输出电压矢量最大角度的那个,例如,采用全幅输出电压矢量kv=1时,选用的旋转矢量为R1、R2、R3、R4、R5.
半幅输出电压矢量kv=1时,选用的旋转矢量为r2、r3、r4、r5、r6.
占空比计算,当ki=1和kv=1时,如果使用全幅旋转矢量进行调制,为了保证输出电压矢量的方向和幅值,必须遵循以下公式:(5)式中:V0为输出电压;di为各个电压矢量占空比.
图5半幅输出电压空间矢量图Fig.
5Halfoutputvoltagespacevector仅考虑输入电流的空间矢量方向,在SVM调制过程中,输入电流空间矢量方向将产生以下等式:(6)式中:为输入电流空间矢量角;为输出电流空间矢量角.
根据式(5)、式(6)可得每个矢量的占空比:(7)马星河,等抑制三电平矩阵变换器共模电压调制策略-53-其中,指的是输入电压与输入电流的相位位移,、定义如下:(8)当采用半幅旋转矢量时,占空比推算公式与上述公式相似,在占空比系数限制条件下(非负、大于零、小于1),调制指数在有限的范围内.
由公式(7)可知:采用全幅旋转矢量进行调制时,调制指数在0~0.
5;采用半幅旋转矢量进行调制时,调制指数在0~0.
25.
4.
2高调制系数调制方法三电平矩阵变换器空间矢量电压六边形由四个子系统组成,四个子系统有以下几个特点:1)子系统1是空间矢量六边形最大的子系统,与传统矩阵变换器有相同的特性,该系统由第5组非零向量组成,没有多余的冗余状态.
2)子系统2由第7组非零矢量的一半和第9组非零矢量的一半组成,不含多余的冗余状态.
3)子系统3由第8组非零矢量组成,与其他子系统相比位移30°,采用不同的电压电流分区不含多余冗余状态.
4)子系统4由第6、7、9组非零矢量构成,表示由半电压状态构成的矩阵变换器,其冗余电压表示三个其他非零子系统,因此是CMV抑制和其他多目标控制的关键点.
在不改变输出电压状态情况下采用第6组非零矢量而不是第7、9组,因为它可以产生最小的共模电压[19-20].
为了降低共模电压,将空间矢量六边形进行重新划分,如图6所示.
图6传统扇区空间矢量划分Fig.
6Traditionalsectorspacevectorpartitioning由图6(a)可知,每60°扇区分为四个小三角形,有两个锐角三角形(2、4)和两个钝角三角形(1、3)组成.
由图6(b)可知,为了合并具有相同位移和相同振幅的子系统,SVM六边形分区可以简化,子系统2被子系统取代后,剩余三个子系统合成输出电压.
这种划分与中性点钳位型三电平矩阵变换器SVM六边形相同.
改进后SVM[21-22]六边形包含四个子系统,每60°扇区分为六个三角形,分别由两个锐角三角形(2、4)和四个钝角三角形(1、3、5、6)组成,如图7所示.
全子系统调制将充分利用电压状态,三角形(5、6)不含冗余状态,它的优点是SVM六边形具有最密集的划分,调制过程中四个子系统具有更多的电压状态,即可以使用更多的半幅值电压状态来有效降低共模电压和飞跨电容器的电压平衡.
特别是在高调制指数情况下,可以避免大多数情况下使用子系统1进行调制,因为子系统1只包含全振幅电压状态,相比较其他系统产生更高的共模电压.
图7改进后扇区空间矢量划分Fig.
7Improvedsectorspacevectorpartitioning4.
3具有不同调制系数的最终调制解(如图8)矩阵变换器理想情况下都能输出参考电压即实际需要的调制系数,实际运行过程中输出电压的基波幅值小于参考输出幅值,矩阵式变换器输出电压谐波一部分是自身信号产生的,在实际调制过程中加入了死区,且存在最大和最小占空比限制以及管压降等因素,一部分是调制策略带来的.
但并不影响该调制策略对共模电压的抑制.
图8不同调制系数最终调制解Fig.
8Finalmodulationsolutionofdifferentmodulationindices-54-电力系统保护与控制适当地选择零矢量和非零矢量[23-25]合成输出电压可以有效地降低CMV,SVM六边形的不同划分也有助于CMV的抑制.
调制系数由实际运行环境决定,当调制系数0.
5时,改进后SVM六边形划分可以采用较少的全振幅电压状态,相比传统SVM六边形划分能减少10%CMV.
5仿真及实验验证5.
1仿真为了验证本文所提方法的正确性和有效性,通过Matlab/Simulink软件平台建立TLMC的仿真模型.
经过模型的建立我们将新的调制策略与传统调制策略进行对比分析[26-27],仿真参数如表2所示.
表2仿真参数Table2Simulationparameters模拟参数数值输入电压和频率100V,50Hz基准输出频率70Hz调制指数0.
4、0.
6输入滤波器电容5μF输入滤波器电感10mH输入电阻10Ω负载电阻5Ω负载电感10mH图9和图10分别表示传统调制策略下三电平矩阵变换器共模电压幅值,当调制指数为0.
4时,共模电压幅值约为输入电压峰值100V,调制指数为0.
6时,共模电压幅值约为60V.
从图11和图12可以看出,新的调制策略可以有效地降低共模电压幅值[28-29],理想情况下当调制策略为0.
4时,共模电压幅值可以减少为0,仿真实验表明只采用旋转矢量对三电平矩阵变换器进行调制时,能使共模电压幅值降到最低.
图9传统空间矢量在调制比0.
4时CMV值Fig.
9CMVvalueusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
4图10传统空间矢量在调制比为0.
6时CMV值Fig.
10CMVvalueusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
6图11新调制策略在调制比为0.
4时CMV值Fig.
11CMVvalueusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
4图12新调制策略在调制比为0.
6时CMV值Fig.
12CMVvalueusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
65.
2实验验证通过设计了基于DSP+FPGA为主控制器的样机实验平台来验证提出的调制策略的可行性及正确性.
实验数据与仿真数据一致.
图13—图16表示采用传统空间矢量调制方法进行调试时(调试指数为0.
4、0.
6)三电平矩阵变换器实验结果,图17—图20表示采用新的调制策略进行调制时的(调试指数为0.
4、0.
6)对比实验结果.
图13传统空间矢量在调制比为0.
4时CMV值Fig.
13CMVvalueusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
4马星河,等抑制三电平矩阵变换器共模电压调制策略-55-图14传统空间矢量在调制比为0.
4时输出电流Fig.
14Outputcurrentusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
4图15传统空间矢量在调制比为0.
6时CMV值Fig.
15CMVvalueusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
6图16传统空间矢量在调制比为0.
6时输出电流Fig.
16Outputcurrentusingtraditionalspacevectorwhenmodulationratiois0.
6图17新调制策略在调制比为0.
4时CMV值Fig.
17CMVvalueusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
4图18新调制策略在调制比为0.
4时输出电流Fig.
18Outputcurrentusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
4图19新调制策略在调制比为0.
6时CMV值Fig.
19CMVvalueusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
6图20新调制策略在调制比为0.
6时输出电流Fig.
20Outputcurrentusingnewmodulationstrategywhenmodulationratiois0.
6对比实验结果图可以得出结论,当调制指数为0.
4时,采用传统空间矢量调制方法CMV电压峰值几乎为100V,而采用新的调制策略CMV电压接近为零.
当调制指数为0.
6时,采用传统空间矢量调制方法CMV电压峰值在60V左右上下波动,而改进的空间矢量调制策略则将CMV峰值降低为50V左右,实验结果证明了新的调制策略的可行性.
6结论本文对3LMC的SVM算法进行理论分析,得出结论是在低调制情况下,只采用旋转矢量合成输出电压可以使CMV降为零.
但是最大调制指数为-56-电力系统保护与控制0.
5,根据不同的调制指标选择不同的调制策略,可以将共模电压降到最小.
为了验证所提出的调制策略,对新的调制策略进行仿真和实验分析,实验结果表明,低调制指数时,采用旋转矢量进行调制可以使CMV为零,高调制指数时,改进的SVM可以将CMV降低到50%.
调制策略对抑制CMV是有用的.
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JournalofElectricPowerScienceandTechnology,2018,33(4):13-21收稿日期:2019-11-20;修回日期:2020-02-12作者简介:马星河(1979—),男,博士,副教授,研究方向为计算机控制及新型变换器;E-maill:maxinghe@hpu.
edu.
cn任鑫(1998—),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电气传动.
E-mail:997569412@qq.
com(编辑葛艳娜)