三相逆变器的非相邻模态切换控制

李湘峰，屈莉莉

（佛山科学技术学院 自动化系，广东 佛山 528000）

三相逆变器的非相邻模态切换控制

李湘峰，屈莉莉

（佛山科学技术学院 自动化系，广东 佛山 528000）

随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术的不断发展，能源行业对三相逆变器的性能指标和可控性的要求也日益苛刻，传统控制方法很难满足实际应用的需要。为此，设计了一种三相逆变器的非相邻模态切换控制方法，在相同的载波频率下，该控制方法与传统空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法相比具有更低的开关频率，从而可以有效降低系统功耗，提高系统效率。仿真及实验证明该新型控制策略的有效性与可行性。

三相四线制逆变器；空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）；非相邻模态切换控制

随着经济的高速发展，三相逆变器的功率逐步增大，功率开关管的开关频率逐步提高，导致开关管的开关损耗越来越大，开关损耗问题成为制约高功率密度逆变器发展的一个关键问题［1-2］。SVPWM是目前常用的控制策略，它与传统的正弦PWM策略相比，具有输出电流波形的谐波分量小，且直流母线电压的利用率较高，更易于数字化控制的优点［3-4］。然而SVPWM通过对6个相邻模态的切换来实现对逆变器的控制，开关频率较高、损耗较大从而限制了SVPWM技术的发展。

目前，对三相逆变器调制算法的研究与设计主要是直观地从电路角度分析其工作特性，依赖实践经验对熟知的基本电路单元进行组合与控制，从而限制了电路拓扑及相关控制算法的发展。为此，有学者将切换线性系统理论、潜电路理论引入DC-DC变换器的分析与控制［5-8］，但其主要研究成果均集中在DC-DC变换器，对于逆变器的研究较少。因此，本文尝试将切换系统及潜电路理论运用于三相逆变器的控制算法设计［9-10］，以期为电力电子变换器的算法设计提供一种新的设计思路。

1 三相四线制逆变器的SVPWM控制

图1所示三相逆变器主电路由VT1～VT6共6个功率开关管组成，根据6个开关管不同开、关状态的组合使得电路共拥有64种工作模态。

考虑到64个工作模态中存在大量的冗余模态以及非正常工作模态，实际控制中一般只采用表1所示8个工作模态进行切换控制。

图1 三相四线制逆变器

表1 功率管开关状态及8个工作模态

如图2以及表2所示，传统SVPWM控制使用6个非零矢量（U100，U110，U010，U011，U001，U101）以及两个零矢量（U000，U111）进行两两矢量合成以使得电压空间矢量按圆形轨迹旋转，从而获得三相正弦线电压输出。传统SVPWM分为7段式、5段式以及3段式3种控制方式，其中3段式控制方式所需开关频率最低，表2所示即为3段式调制方式。

图2 用于SVPWM控制的8个工作模态

表2 SVPWM开关序列表（两个载波周期）

从表2可以看出，传统SVPWM控制采用相邻矢量进行矢量组合（U100与U110组合、U110与U010组合、U010与U011组合、U011与U001组合、U001与U101组合、U101与U100组合），在每两个载波周期内开关管需要开关6次。以10kHz载波频率为例，每个开关管每秒钟需开关100次，随着逆变器功率等级的提升，开关频率将对系统效率有较大影响。

2 三相四线制逆变器非相邻模态切换控制

观察表2所示开关序列可知，传统3段式SVPWM开关频率较高的主要原因是采用了相邻两个矢量进行组合控制。由三相四线制逆变器的能控性分析结果可知，三相四线制逆变器只需U100、U010、U001或U100、U010、、U001这3个子工作模态参与切换便可使系统状态完全能控，即只需3个工作模态参与工作便可达到控制要求，此3个工作模态所对应的电压空间矢量如图3所示。

图3 三相四线制逆变器工作模态

表3 3模态切换控制策略III开关序列表

为降低开关管开关频率以提高系统效率，可设计非相邻模态切换控制策略如表3所示，即U100与U010组合、U110与U011组合、U010与U001组合、U011与U101组合、U001与U100组合、U101与U110组合。由表3可知，非相邻模态切换控制策略间隔采用图3所示矢量组合方式对系统进行切换控制，即在奇数扇区（扇区I、扇区III、扇区V）采用图3a所示组合方式，在偶数扇区（扇区II、扇区IV、扇区VI）采用图3b所示组合方式，从而可使得功率开关管在每两个载波周期内仅开关4次，以10kH2载波频率为例，每个开关管每秒钟仅需开关66次，其开关频率相比传统三段式SVPWM控制降低了1/3。

3 仿真及实验分析

为检验非相邻模态切换控制方法的正确性，可利用Matlab/Simulink搭建仿真模型以及相应的实验平台来检验控制策略的正确性与可行性。

逆变器仿真参数设置如下：三相输出滤波电感L=4mH，滤波电容C=6.8μF，线路等效电阻r=0.5Ω，其中功率管的导通时间设置为100ns，功率管的关断时间设置为200ns，载波频率为10kHz，输出电压频率为50Hz。

图4所示为非相邻模态切换控制策略仿真结果，图4a所示为逆变器输出相电压，图4b所示为逆变器输出线电压。由图4可知，采用非相邻模态切换控制策略时逆变器在开关频率降低1/3的同时仍旧能实现线电压正弦输出，从而验证了控制算法的可行性。

图4 非相邻模态切换控制策略仿真输出

针对仿真模型中电路参数设置，对非相邻模态切换控制算法进行实验分析，其实验结果如图5所示。图5与4对照可知，非相邻模态切换控制策略在实际应用中是易于实现的。

图5 3模态调制策略下三相四线制逆变器实验结果

4 小结

本文设计了一种适用于三相四线制逆变器的非相邻模态切换控制方法，以期降低系统开关频率提高系统效率。仿真及实验分析证明在相同的载波频率下，采用非相邻模态切换控制方法的逆变器在开关频率上相比传统3段式SVPWM控制方法降低了1/3，进一步分析可知，非相邻模态切换控制方法相比传统7段式SVPWM控制方法开关频率可降低2/3，从而可以有效降低系统损耗。该方法不仅适用于三相四线制逆变器，而且适用于其他类型逆变器，因而具有广泛适用性。

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【责任编辑：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

国家自然科学基金资助项目（51277030）；广东省自然科学基金资助项目（2016A030310241）；广东省高等学校高层次人才资助项目（2050205-194）

李湘峰（1983-），男，湖南邵阳人，佛山科学技术学院讲师，博士。