可有效改善三電平逆變器輸出電流質量的最佳化策略

天津市電機系統先進設計與智慧控制技術工程中心（天津工業大學）、天津大學電氣自動化與資訊工程學院的研究人員谷鑫、劉潮、張國政、史婷娜、夏長亮，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“三電平逆變器同步不連續空間向量調製輸出電流最佳化策略”），以中點鉗位型三電平逆變器為研究物件，對同步不連續空間向量調製展開研究，提出一種平均誤差電流向量幅值最小的輸出電流最佳化策略。

首先對同步不連續調製開關序列構成原則進行研究，根據各參考向量所處區域

將調

制度進行分段，對空間向量平面進行合理劃分。其次依據同步性與對稱性原則，確定各調製度區段內的備選開關序列，並將零電平鉗位狀態開關序列加入備選序列，擴充了備選開關序列集合。最後計算各開關序列對應的平均誤差電流向量幅值，以平均誤差電流向量幅值最小為原則，確定線性調製範圍內的最優作用開關序列。

模擬與實驗結果表明，該最佳化調製策略能有效降低輸出電流諧波畸變率，實現對逆變器輸出電流質量的最佳化。

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量高、dv/dt低、逆變效率高等優勢，在軌道牽引、艦船推進、挖掘盾構等中壓大功率場合得到越來越廣泛的應用。在大功率電機驅動應用場合，為了滿足系統對逆變效率的要求，逆變器通常執行在低開關頻率下，此時基波週期內脈衝數P（開關頻率fsw與基波頻率fo之比）非常低，導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、轉矩波動變大等問題。因此，在低開關頻率工況下提高輸出電流質量，是中壓大功率三電平逆變器調製面臨的關鍵問題。

當脈衝數P<21時，採用非同步調製策略會導致逆變器輸出波形中產生大量的諧波，同步空間向量調製策略透過設計保證輸出波形滿足同步性與對稱性條件的開關序列，可以有效降低逆變器輸出電流諧波畸變率。

此外在低開關頻率應用場合，不連續空間向量調製僅使用一個冗餘開關狀態參與參考向量的合成，逆變器在某些輸出區間內保持鉗位，與連續調製相比，不連續調製作用下的逆變器開關頻率降低1/3，可有效降低開關損耗。

學者們提出了多種適用於低開關頻率執行條件下的逆變器輸出波形質量最佳化調製策略，以有效改善逆變器的執行效能。文獻［8］在脈衝數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製開關序列中，選取輸出電壓加權諧波畸變率最低的開關序列，從而在低開關頻率下有效改善了逆變器輸出。

文獻［9］將傳統不連續調製下的開關序列進行了改進，同一有效向量在取樣週期內作用兩次，並對改進後的開關序列作用下的定子磁鏈波動向量進行了計算，選擇波動向量有效值最小的開關序列作用於逆變器。相比傳統不連續調製，改進型不連續調製策略在一定調製度範圍內，進一步降低了系統的輸出電流波動。

文獻［10］以傳統連續調製和不連續調製開關序列作為備選序列，以輸出電流波動量有效值最小為目標進行開關序列的選取。文獻［11］利用開關狀態的冗餘性，將同步空間向量調製策略中波形的對稱性與不連續調製中低開關切換次數的特性相結合，在減少開關次數的基礎上，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。

本文針對低開關頻率下逆變器輸出電流質量最佳化問題，提出了一種NPC型三電平逆變器同步不連續空間向量調製輸出電流最佳化策略。首先在不同的參考向量數量下，依據參考向量數量與各參考向量所處區域之間的關係

將調

制度進行分段，對空間向量平面進行合理劃分。

在每個調製度區段內設計滿足同步性與對稱性的開關序列，並利用開關狀態的冗餘性，將“0”鉗位狀態開關序列加入備選序列，擴充了備選開關序列集合。其次透過分析逆變器輸出電流諧波畸變率與平均誤差電流向量幅值之間的等效關係，得到同步不連續調製策略作用下開關序列選取的評價指標。

最後以平均誤差電流向量幅值最小為原則，選取滿足同步性與對稱性的開關序列，確定不同備選開關序列的最優作用區域，從而有效優化了逆變器輸出電流質量。

圖1 中點鉗位型三電平逆變器拓撲結構與輸出狀態以及空間向量圖

結論

本文首先對不同參考向量數量下，參考向量所處區域與調製度的關係進行研究，根據參考向量所處區域的不同，對調製度區間進行分段並設計了滿足同步性與對稱性原則的五種備選開關序列組合。與傳統同步不連續調製開關序列相比，由於引入了“0”鉗位狀態開關序列，使備選開關序列組合得到了擴充。其次以平均誤差電流向量幅值最小為原則，確定不同備選開關序列的最優作用區域。

在此基礎上，提出了一種同步不連續空間向量調製輸出電流最佳化策略，該策略在不同調制度區段選用輸出電流諧波畸變率最小的開關序列組合，可以有效改善逆變器輸出電流質量。

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