电压矢量脉宽调制技术中的弃用中矢量

弃用中矢量的电压矢量脉宽调制，目的是减小由于中矢量引起的直流侧中点电位不平衡。其电压矢量脉宽调制只有大矢量、零矢量和小矢量。影响直流侧中点电位的只有小矢量，只要电压矢量脉宽调制中成对使用小矢量，很容易实现直流侧中点电位的自平衡。图2-29a为弃用中矢量的对称三区电压矢量脉宽调制策略区域划分，图2-29b为弃用中矢量的双区电压矢量脉宽调制策略区域划分。前者每个扇区分区多，但输出波形对称，谐波少；后者分区少，简单，但输出波形不对称。本节主要介绍前者。

图2-29 弃用中矢量的电压矢量脉宽调制策略区域划分

a）对称三区法 b）双区法

（1）电压矢量合成方法

对称三区的电压矢量脉宽调制策略中，参考电压矢量的合成同样采用邻近三电压矢量合成法。每一个大扇区的电压矢量合成分为两大类，一类为电压矢量区域的内圈，即所谓的A区；另一类为电压矢量区域的外圈，即B区和C区。内圈的电压矢量合成采用一个零矢量、一个小矢量和一个大矢量完成，外圈的电压矢量合成采用一个小矢量和两个大矢量完成。显然每个区域均含有小矢量。其第一扇区电压矢量合成方法见表2-7，其他扇区依此类推^［15］。很明显，该方法增大了大矢量的使用，它用两个邻近大矢量的合成代替原来的中矢量。而大矢量对直流侧中点电位没有影响，消除了由于中矢量引起的直流侧中点电位的不平衡。

表2-7 对称三区电压矢量脉宽调制策略第一扇区电压矢量合成

（2）电压矢量脉宽调制

在电压矢量脉宽调制过程中，为了保证网侧电压和电流波形对称，谐波成分少，避免每相的开关函数在1和-1之间跳变，减小功率开关器件的开关次数，弃用中矢量的对称三区的电压矢量脉宽调制法把小矢量作为考虑的重点。使其作为大矢量和大矢量之间过渡的桥梁，也作为零矢量和大矢量之间过渡的桥梁。也就是说，在电压矢量区域的内圈，电压矢量脉宽调制的顺序应为零矢量→小矢量→大矢量或者大矢量→小矢量→零矢量，以减少区域内部电压矢量的跳变。在电压矢量区域的外圈，电压矢量脉宽调制的顺序应为大矢量→小矢量→大矢量，也可避免减少区域内部矢量的跳变。但是，实际中，不同区域之间的电压矢量跳变也会给功率开关器件和装置带来危害。因此，本调制算法各区域的起跳矢量均采用小矢量完成，以减小不同区域之间的电压矢量跳变。

表2-8为弃用中矢量的对称三区电压矢量脉宽调制策略在第一扇区的调制序列，其他扇区依此类推^［15］。显然，开关函数完全对称，小矢量成对使用，电压矢量脉宽调制本身可以达到直流侧中点电位的平衡。但是在一个开关周期中每一区域中至少有一相其开关函数出现了双极性。与传统七段调制策略相比，开关次数略有上升。

表2-8 第一扇区弃用中矢量的对称三区电压矢量脉宽调制策略

（3）调制模式

图2-30中的λ₁和λ₂为两个特殊的调制比，λ₁＝0.5，为内六边形的内切圆，其幅值为小矢量相对于大矢量的标幺；λ₂＝0.577，为内六边形的外切圆其幅值为中矢量的2／3相对于大矢量的标幺。

在对称三区电压矢量调制策略下，λ₁和λ₂把三电平换流器的调制模式分为三种：

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图2-30 弃用中矢量的对称三区PWM电压矢量调制模式划分

若换流器工作于A模式，则换流器交流侧桥臂中点参考电压矢量轨迹在一个工频周期中只经过A区；若工作于ABC模式，则换流器交流侧桥臂中点参考电压矢量轨迹要经过A区、B区和C区；若工作于BC模式，则换流器交流侧桥臂中点参考电压矢量轨迹只经过B区和C区。显然，ABC模式区域变化最多。

下述分析调制比为0.438，0.508和0.866，闭环控制器参数完全相同。当调制比在0.5附近时，换流器交流参考电压矢量幅度低，位置靠近小矢量，小矢量作用时间长，相电压为三电平，基本总是在0和u_dc／2，以及0和-u_dc／2之间变化，如图2-31a所示；当调制比较大时，换流器交流参考电压矢量幅度高，位置远离小矢量，小矢量作用时间变小，甚至为零，相电压出现了在u_dc／2和-u_dc／2之间跳转，功率器件开关次数上升，如图2-31b和c所示。相电压由正向负的转换过程与此相似。对称三区的电压矢量调制策略把小矢量放在两个大矢量之间，或放在零矢量和大矢量之间以减少功率开关管的次数，从这个意义上讲，调制比最好在0.5附近。其一减少了电压矢量的跳变，其二提高了直流侧中点电位的平衡能力。

图2-31 不同调制比下换流器交流电压

a）调制比0.438 b）调制比0.508 c）调制比0.866

图2-32a为不同调制比下换流器交流线电压的FFT分析，开关频率5kHz。调制比越小，谐波越集中，集中点在开关频率的整数倍处。由于是脉宽调制，状态转换多的调制模式，谐波含量不一定多。图2-32b～d为不同调制比下换流器交流电压矢量的运行轨迹，系统稳定时为一个圆。轨迹越圆，代表电压的正弦度越好；圆越细，系统快速性和稳定性越好。

图2-33为对称三区电压矢量调制策略下，不同调制比时换流器直流侧两电容的电压差。随着调制比的增加，直流侧中点电压不平衡减小。特别是在调制比为0.866时，换流器交流侧参考电压矢量幅度高，小矢量作用时间变小，大矢量作用时间长，不平衡度（直流侧两电容电压差与U_dc／2之比）最小。在换流器启动时，虽然换流器交流侧电源电流为稳态值的数倍，但直流侧两电容电压差仍然能得到很好地限制，与数学模型分析吻合。相对于传统调制策略，对称三区电压矢量调制策略达到了自平衡。

图2-32 交流线电压FFT分析及其电压矢量运行轨迹（标幺值）

a）交流线电压FFT分析 b）电压矢量运行轨迹（调制比0.866） c）电压矢量运行轨迹（调制比0.508） d）电压矢量运行轨迹（调制比0.438）

图2-33 直流侧中点电压

图2-34为调制比为0.628时，a相上桥臂两个功率开关管的电压。显然，在换流器交流相电压正负交叠的地方，功率开关管VI_1a和VI_2a的电压也出现了交叠，开关次数上升。随着调制比的增大，交叠处功率开关管VI_1a和VI_2a的电压脉冲中宽度一样的脉冲变多，这说明小矢量的作用在减弱。由于换流器直流侧中点电压被很好地平衡，两个开关管的电压均被限制在u_dc／2。其他功率开关管两端电压也有相同的结论。

a）一个开关周期 b）局部放大图

图2-34 上桥臂两个功率开关管电压