三相PWM整流器最少空间矢量脉宽调制策略

屈莉莉，李湘峰

（佛山科学技术学院 自动化系，广东 佛山 528000）

三相PWM整流器最少空间矢量脉宽调制策略

屈莉莉，李湘峰

（佛山科学技术学院 自动化系，广东 佛山 528000）

传统三相PWM整流器空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略需要对6个非零电压矢量和2个零电压矢量进行调制，开关切换序列较复杂，且开关损耗较大。在对三相PWM整流器的切换线性系统模型及其能控性研究的基础上，指出只需3个非零电压矢量和零电压矢量参与调制便可使得整流器系统状态完全可控。在此基础上，提出了一种三相PWM整流器的最少空间矢量脉宽调制策略（MSVPWM)，实现了电压电流双闭环控制。与传统的空间矢量调制策略相比，在载波频率和输出电压相同的情况下，利用所提出的最少空间矢量脉宽调制策略，可使整流器功率管的开关次数减少2/3，从而简化了控制系统设计，有效降低了开关损耗，提高了系统效率。仿真实验验证了所提出调制策略的正确性与可行性。

最少空间矢量脉宽调制；三相PWM整流器；开关切换序列

空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略［1-6］相比正弦脉宽调制（SPWM）技术，具有输出电流波形的谐波分量小，控制简单，更易于数字化控制等优点。但传统SVPWM控制技术中开关切换序列复杂，且要求功率开关管具有较高的开关频率。

在前期对三相PWM整流器开关拓扑及拓扑动态变化过程中切换系统模型和能控性研究的基础上，本文确定了三相PWM整流器开关的最少工作模态及其切换控制序列，提出了一种三相PWM整流器的最少空间矢量脉宽调制策略（MSVPWM），实现了电压电流双闭环控制。?

1 三相PWM整流器及其SVPWM控制策略的开关模态切换分析

图1所示为三相电压型PWM整流器的主电路。

图1 三相电压型PWM整流器主电路

在图1所示电路中，若用1表示某相上桥臂导通、下桥臂关断，用0表示某相下桥臂导通、上桥臂关断，则三相电压型PWM整流器有8种有效的开关模态000～111，各开关模态中开关器件的通断情况如表1所示。

表1 三相PWM整流器的8个开关模态

对于三相PWM整流器，传统的空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略使用图2所示8个空间矢量进行调制。其中U1-U6表示6个非零矢量，分别与开关模态100，110，010，011，001，110对应；U0、U7表示两个零矢量，分别与000和111开关模态对应。

传统的SVPWM一般利用图2中8个空间矢量进行调制，6个扇区开关模态切换序列和切换次数如表2所示。

图2 SVPWM空间矢量及扇区划分

表2 SVPWM开关模态切换序列表

2 三相PWM整流器最少空间矢量脉宽调制策略

基于三相PWM整流器的切换线性系统模型及其能控性研究结果表明，只要表1中3个开关模态100、010、001或者110、011、110参与三相PWM整流器的工作过程，即可控制三相PWM整流器实现状态可控。显然，这意味着与开关模态1、3、5对应的空间矢量100、010、001和零电压矢量参与调制便可使得整流器系统状态完全可控。

同理，与开关模态2、4、6对应的空间矢量110、011、101和零电压矢量参与调制也能得到相同的效果，其工作过程相同。

因此，可据此设计三相PWM整流器的最少空间矢量脉宽调制策略以简化控制系统。

图3所示为与3个开关模态100、010、001和模态000相应的MSVPWM非零空间矢量和零矢量及扇区划分图，其开关模态切换序列如表3和图4所示。

图3 一种MSVPWM空间矢量及扇区划分

表3 MSVPWM开关模态切换序列表

图4 MSVPWM开关切换序列

在静止坐标α-β两相坐标轴上，输出电压矢量Uref在其上的分量可以用Uα与Uβ表示，则图3中参考电压矢量所属扇区由式

共同确定。

这样，容易得到各开关模态作用时间分别为

由图4和表3可知，三相PWM整流器的MSVPWM策略中，一个开关周期同一相上下桥臂的2个功率管各开关1次，而SVPWM控制时，一个开关周期上下桥臂6个功率管各开关1次，因此在载波频率以及电压输出相同的情况下，MSVPWM比SVPWM开关频率减少了2/3。

3 仿真验证

为检验前述理论分析的正确性，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型来检验三相PWM整流器的MSVPWM调制策略的正确性与可行性。

主电路参数：交流侧相电压80V，电感8mH，电容2 200μ F，负载电阻120Ω，输出电压400V，载波频率10kHz。三相PWM整流器MSVPWM和SVPWM仿真实验结果分别如图5和6所示。三相PWM整流器两种调制策略均实现了三相PWM整流器网侧单位功率因数，三相电流均为正弦波。在载波频率和输出电压相同的情况下，所提出的MSVPWM策略与SVPWM策略相比，5、7、11、13次谐波含量略有增加，系统输入侧线电流总谐波畸变率THD为3.14％。不过整流器功率管的开关次数减少2/3，系统效率提高约7％。

图5 三相PWM整流器MSVPWM仿真结果

图6 三相PWM整流器SVPWM仿真结果

4 小结

本文提出并设计了一种适用于三相PWM整流器的最少空间矢量脉宽调制策略。仿真结果表明，与SVPWM调制策略相比，所提出MSVPWM调制策略抑制了PWM整流器的4个开关模态，所使用的电路模态数减少一半，切换序列得到极大简化，从而更易于数字实现。所提出的分析方法亦可推广应用至其他电力电子变换器调制策略设计中，以提升控制系统性能，减少开关次数，提高系统效率。

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【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Minimum space vector pulse width modulation strategy for three-phase PWM rectifier

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

The traditional space vector pulse width modulation(SVPWM)strategyfor three-phase PWM rectifier requires the 6non-zero voltage vectors and 2 zero voltage vector.Therefore its switch sequence is more complex, with bigger switching loss.Based on analysis of the switch linear system model of three-phase PWM rectifier and its controllability,a new kind of minimum space vector pulse width modulation strategy(MSVPWM)for three-phase PWM rectifier is put forward to realize the system function.The proposed MSVPWM strategy only needs to modulate 3non-zero space vectors and 1zero space vector.Under the same carrier frequency and the output voltage,the switch times of power tubes in MSVPWM strategy is reduced by 2/3compared with the traditional SVPWM strategy.Hence,the control system of three-phase PWM rectifier is simplified,while switching loss is effectively reduced and the system efficiency is improved.Simulation results demonstrate the validity and feasibility of the proposed modulation strategy.

minimum space vector pulse width modulation;three-phase PWM rectifier;switching sequence

TM461

A

1008-0171（2016）06-0001-05

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）

屈莉莉（1968-），女，湖北老河口人，佛山科学技术学院教授。