李湘峰，屈莉莉

（佛山科學技術學院 自動化系，廣東 佛山 528000）

三相逆變器的非相鄰模態(tài)切換控制

李湘峰，屈莉莉

（佛山科學技術學院 自動化系，廣東 佛山 528000）

隨著大容量、新能源、特殊環(huán)境電能變換技術的不斷發(fā)展，能源行業(yè)對三相逆變器的性能指標和可控性的要求也日益苛刻，傳統(tǒng)控制方法很難滿足實際應用的需要。為此，設計了一種三相逆變器的非相鄰模態(tài)切換控制方法，在相同的載波頻率下，該控制方法與傳統(tǒng)空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM）算法相比具有更低的開關頻率，從而可以有效降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)效率。仿真及實驗證明該新型控制策略的有效性與可行性。

三相四線制逆變器；空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM）；非相鄰模態(tài)切換控制

隨著經濟的高速發(fā)展，三相逆變器的功率逐步增大，功率開關管的開關頻率逐步提高，導致開關管的開關損耗越來越大，開關損耗問題成為制約高功率密度逆變器發(fā)展的一個關鍵問題［1-2］。SVPWM是目前常用的控制策略，它與傳統(tǒng)的正弦PWM策略相比，具有輸出電流波形的諧波分量小，且直流母線電壓的利用率較高，更易于數字化控制的優(yōu)點［3-4］。然而SVPWM通過對6個相鄰模態(tài)的切換來實現對逆變器的控制，開關頻率較高、損耗較大從而限制了SVPWM技術的發(fā)展。

目前，對三相逆變器調制算法的研究與設計主要是直觀地從電路角度分析其工作特性，依賴實踐經驗對熟知的基本電路單元進行組合與控制，從而限制了電路拓撲及相關控制算法的發(fā)展。為此，有學者將切換線性系統(tǒng)理論、潛電路理論引入DC-DC變換器的分析與控制［5-8］，但其主要研究成果均集中在DC-DC變換器，對于逆變器的研究較少。因此，本文嘗試將切換系統(tǒng)及潛電路理論運用于三相逆變器的控制算法設計［9-10］，以期為電力電子變換器的算法設計提供一種新的設計思路。

1 三相四線制逆變器的SVPWM控制

圖1所示三相逆變器主電路由VT1～VT6共6個功率開關管組成，根據6個開關管不同開、關狀態(tài)的組合使得電路共擁有64種工作模態(tài)。

考慮到64個工作模態(tài)中存在大量的冗余模態(tài)以及非正常工作模態(tài)，實際控制中一般只采用表1所示8個工作模態(tài)進行切換控制。

圖1 三相四線制逆變器

表1 功率管開關狀態(tài)及8個工作模態(tài)

如圖2以及表2所示，傳統(tǒng)SVPWM控制使用6個非零矢量（U100，U110，U010，U011，U001，U101）以及兩個零矢量（U000，U111）進行兩兩矢量合成以使得電壓空間矢量按圓形軌跡旋轉，從而獲得三相正弦線電壓輸出。傳統(tǒng)SVPWM分為7段式、5段式以及3段式3種控制方式，其中3段式控制方式所需開關頻率最低，表2所示即為3段式調制方式。

圖2 用于SVPWM控制的8個工作模態(tài)

表2 SVPWM開關序列表（兩個載波周期）

從表2可以看出，傳統(tǒng)SVPWM控制采用相鄰矢量進行矢量組合（U100與U110組合、U110與U010組合、U010與U011組合、U011與U001組合、U001與U101組合、U101與U100組合），在每兩個載波周期內開關管需要開關6次。以10kHz載波頻率為例，每個開關管每秒鐘需開關100次，隨著逆變器功率等級的提升，開關頻率將對系統(tǒng)效率有較大影響。

2 三相四線制逆變器非相鄰模態(tài)切換控制

觀察表2所示開關序列可知，傳統(tǒng)3段式SVPWM開關頻率較高的主要原因是采用了相鄰兩個矢量進行組合控制。由三相四線制逆變器的能控性分析結果可知，三相四線制逆變器只需U100、U010、U001或U100、U010、、U001這3個子工作模態(tài)參與切換便可使系統(tǒng)狀態(tài)完全能控，即只需3個工作模態(tài)參與工作便可達到控制要求，此3個工作模態(tài)所對應的電壓空間矢量如圖3所示。

圖3 三相四線制逆變器工作模態(tài)

表3 3模態(tài)切換控制策略III開關序列表

為降低開關管開關頻率以提高系統(tǒng)效率，可設計非相鄰模態(tài)切換控制策略如表3所示，即U100與U010組合、U110與U011組合、U010與U001組合、U011與U101組合、U001與U100組合、U101與U110組合。由表3可知，非相鄰模態(tài)切換控制策略間隔采用圖3所示矢量組合方式對系統(tǒng)進行切換控制，即在奇數扇區(qū)（扇區(qū)I、扇區(qū)III、扇區(qū)V）采用圖3a所示組合方式，在偶數扇區(qū)（扇區(qū)II、扇區(qū)IV、扇區(qū)VI）采用圖3b所示組合方式，從而可使得功率開關管在每兩個載波周期內僅開關4次，以10kH2載波頻率為例，每個開關管每秒鐘僅需開關66次，其開關頻率相比傳統(tǒng)三段式SVPWM控制降低了1/3。

3 仿真及實驗分析

為檢驗非相鄰模態(tài)切換控制方法的正確性，可利用Matlab/Simulink搭建仿真模型以及相應的實驗平臺來檢驗控制策略的正確性與可行性。

逆變器仿真參數設置如下：三相輸出濾波電感L=4mH，濾波電容C=6.8μF，線路等效電阻r=0.5Ω，其中功率管的導通時間設置為100ns，功率管的關斷時間設置為200ns，載波頻率為10kHz，輸出電壓頻率為50Hz。

圖4所示為非相鄰模態(tài)切換控制策略仿真結果，圖4a所示為逆變器輸出相電壓，圖4b所示為逆變器輸出線電壓。由圖4可知，采用非相鄰模態(tài)切換控制策略時逆變器在開關頻率降低1/3的同時仍舊能實現線電壓正弦輸出，從而驗證了控制算法的可行性。

圖4 非相鄰模態(tài)切換控制策略仿真輸出

針對仿真模型中電路參數設置，對非相鄰模態(tài)切換控制算法進行實驗分析，其實驗結果如圖5所示。圖5與4對照可知，非相鄰模態(tài)切換控制策略在實際應用中是易于實現的。

圖5 3模態(tài)調制策略下三相四線制逆變器實驗結果

4 小結

本文設計了一種適用于三相四線制逆變器的非相鄰模態(tài)切換控制方法，以期降低系統(tǒng)開關頻率提高系統(tǒng)效率。仿真及實驗分析證明在相同的載波頻率下，采用非相鄰模態(tài)切換控制方法的逆變器在開關頻率上相比傳統(tǒng)3段式SVPWM控制方法降低了1/3，進一步分析可知，非相鄰模態(tài)切換控制方法相比傳統(tǒng)7段式SVPWM控制方法開關頻率可降低2/3，從而可以有效降低系統(tǒng)損耗。該方法不僅適用于三相四線制逆變器，而且適用于其他類型逆變器，因而具有廣泛適用性。

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【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

Switching control of three-phase inverters with non-adjacent vectors

LI Xiang-feng,QULi-li
（Department of Automotive Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

With the development of power conversion technologies with large capacity,new energy and special environmental,stronger controllability and better performance of the three-phase inverter is demanded by the energy industry,hence,traditional control methods is too difficult to meet the needs of practical application. Therefore,a novel control strategy named switching control with non-adjacent vectors is proposed in this paper. It shows that,at the same carrier frequency,the novel control strategy has a lower switching frequency compared to the traditional space vector pulse width modulation(SVPWM)algorithm,which can effectively reduce system power consumption to improve system efficiency.Simulation and proved the effectiveness and feasibility of the new control strategy.

three-phase four-wire inverter;space vector pulse width modulation(SVPWM);switching control with non-adjacent vectors

TM464

A

1008-0171（2016）06-0006-04

2016-09-01

國家自然科學基金資助項目（51277030）；廣東省自然科學基金資助項目（2016A030310241）；廣東省高等學校高層次人才資助項目（2050205-194）

李湘峰（1983-），男，湖南邵陽人，佛山科學技術學院講師，博士。