中點鉗位（Neutral-Point-Clamped, NPC）型三電平逆變器具有輸出電壓和電流質(zhì)量高、dv/dt低、逆變效率高等優(yōu)勢，在軌道牽引、艦船推進、挖掘盾構(gòu)等中壓大功率場合得到越來越廣泛的應(yīng)用。在大功率電機驅(qū)動應(yīng)用場合，為了滿足系統(tǒng)對逆變效率的要求，逆變器通常運行在低開關(guān)頻率下，此時基波周期內(nèi)脈沖數(shù)P（開關(guān)頻率fsw與基波頻率fo之比）非常低，導(dǎo)致逆變器輸出電流中含有大量的低次諧波，會引起定子電流畸變、轉(zhuǎn)矩波動變大等問題。因此，在低開關(guān)頻率工況下提高輸出電流質(zhì)量，是中壓大功率三電平逆變器調(diào)制面臨的關(guān)鍵問題。

當脈沖數(shù)P<21時，采用異步調(diào)制策略會導(dǎo)致逆變器輸出波形中產(chǎn)生大量的諧波，同步空間矢量調(diào)制策略通過設(shè)計保證輸出波形滿足同步性與對稱性條件的開關(guān)序列，可以有效降低逆變器輸出電流諧波畸變率。

此外在低開關(guān)頻率應(yīng)用場合，不連續(xù)空間矢量調(diào)制僅使用一個冗余開關(guān)狀態(tài)參與參考矢量的合成，逆變器在某些輸出區(qū)間內(nèi)保持鉗位，與連續(xù)調(diào)制相比，不連續(xù)調(diào)制作用下的逆變器開關(guān)頻率降低1/3，可有效降低開關(guān)損耗。

學(xué)者們提出了多種適用于低開關(guān)頻率運行條件下的逆變器輸出波形質(zhì)量優(yōu)化調(diào)制策略，以有效改善逆變器的運行性能。文獻[8]在脈沖數(shù)P相同的條件下，在波形滿足同步性與對稱性條件的同步調(diào)制開關(guān)序列中，選取輸出電壓加權(quán)諧波畸變率最低的開關(guān)序列，從而在低開關(guān)頻率下有效改善了逆變器輸出。

文獻[9]將傳統(tǒng)不連續(xù)調(diào)制下的開關(guān)序列進行了改進，同一有效矢量在采樣周期內(nèi)作用兩次，并對改進后的開關(guān)序列作用下的定子磁鏈波動矢量進行了計算，選擇波動矢量有效值最小的開關(guān)序列作用于逆變器。相比傳統(tǒng)不連續(xù)調(diào)制，改進型不連續(xù)調(diào)制策略在一定調(diào)制度范圍內(nèi)，進一步降低了系統(tǒng)的輸出電流波動。

文獻[10]以傳統(tǒng)連續(xù)調(diào)制和不連續(xù)調(diào)制開關(guān)序列作為備選序列，以輸出電流波動量有效值最小為目標進行開關(guān)序列的選取。文獻[11]利用開關(guān)狀態(tài)的冗余性，將同步空間矢量調(diào)制策略中波形的對稱性與不連續(xù)調(diào)制中低開關(guān)切換次數(shù)的特性相結(jié)合，在減少開關(guān)次數(shù)的基礎(chǔ)上，保證輸出波形的同步性、三相對稱性以及半波對稱性，有效地降低了輸出電流諧波。

本文針對低開關(guān)頻率下逆變器輸出電流質(zhì)量優(yōu)化問題，提出了一種NPC型三電平逆變器同步不連續(xù)空間矢量調(diào)制輸出電流優(yōu)化策略。首先在不同的參考矢量數(shù)量下，依據(jù)參考矢量數(shù)量與各參考矢量所處區(qū)域之間的關(guān)系將調(diào)制度進行分段，對空間矢量平面進行合理劃分。

在每個調(diào)制度區(qū)段內(nèi)設(shè)計滿足同步性與對稱性的開關(guān)序列，并利用開關(guān)狀態(tài)的冗余性，將“0”鉗位狀態(tài)開關(guān)序列加入備選序列，擴充了備選開關(guān)序列集合。其次通過分析逆變器輸出電流諧波畸變率與平均誤差電流矢量幅值之間的等效關(guān)系，得到同步不連續(xù)調(diào)制策略作用下開關(guān)序列選取的評價指標。

最后以平均誤差電流矢量幅值最小為原則，選取滿足同步性與對稱性的開關(guān)序列，確定不同備選開關(guān)序列的最優(yōu)作用區(qū)域，從而有效優(yōu)化了逆變器輸出電流質(zhì)量。

圖1 中點鉗位型三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)與輸出狀態(tài)以及空間矢量圖

結(jié)論

本文首先對不同參考矢量數(shù)量下，參考矢量所處區(qū)域與調(diào)制度的關(guān)系進行研究，根據(jù)參考矢量所處區(qū)域的不同，對調(diào)制度區(qū)間進行分段并設(shè)計了滿足同步性與對稱性原則的五種備選開關(guān)序列組合。與傳統(tǒng)同步不連續(xù)調(diào)制開關(guān)序列相比，由于引入了“0”鉗位狀態(tài)開關(guān)序列，使備選開關(guān)序列組合得到了擴充。其次以平均誤差電流矢量幅值最小為原則，確定不同備選開關(guān)序列的最優(yōu)作用區(qū)域。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種同步不連續(xù)空間矢量調(diào)制輸出電流優(yōu)化策略，該策略在不同調(diào)制度區(qū)段選用輸出電流諧波畸變率最小的開關(guān)序列組合，可以有效改善逆變器輸出電流質(zhì)量。