电力电子技术中虚拟合成矢量的电压矢量脉宽调制

弃用中矢量的电压矢量脉宽调制通过增强大矢量的作用而弃用中矢量，消除由于中矢量引起的直流侧中点电位不平衡。虚拟合成矢量的电压矢量脉宽调制是通过增大小矢量的作用而弃用中矢量或者减小中矢量的使用，它不仅能够使电压矢量脉宽调制达到自平衡，由于成对小矢量对直流侧中点电位的相反作用，它还可以提高直流侧中点电位的平衡能力。

图2-35a为小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略的第Ⅰ扇区区域划分图，该法采用小矢量合成虚拟矢量而弃用中矢量，其虚拟合成矢量V_12v的合成方法为

图2-35b为三虚拟合成矢量^［18］的电压矢量脉宽调制第Ⅰ扇区的区域划分，该法采用小矢量合成虚拟矢量而减小中矢量的使用幅度，其虚拟合成矢量V_12v的合成方法为

显然，小矢量合成虚拟电压矢量法区域划分简单，直流侧中点电位平衡能力高，着重分析如下。

（1）电压矢量合成方法

图2-36为小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制法区域划分图。虚拟电压矢量由邻近两小矢量合成等效。如在B区中，消除了中矢量V₁₂，而引入虚拟电压矢量V_12v，它由小矢量V₀₁（100）和小矢量V₀₂（00-1）等幅等时长合成，共同作用的效果等效中矢量V₁₂（10-1）。在小矢量合成的虚拟电压矢量脉宽调制，其电压矢量脉宽调制也只有大矢量、零矢量和小矢量，其中影响直流侧中点电位的只有小矢量。而小矢量对直流侧中点电位的影响很明确，只要电压矢量脉宽调制中合理使用成对的小矢量，很容易实现对直流侧中点电位的平衡控制。

图2-35 虚拟电压矢量脉宽调制策略第Ⅰ扇区区域划分图

a）小矢量合成虚拟电压矢量法 b）三虚拟合成矢量的电压矢量脉宽调制法

小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略在第一扇区的电压矢量合成见表2-9，其他区域依此类推^［15］。显然，与表2-7相比，小矢量的作用增大了，特别在C小区出现了四个电压矢量的共同作用，成对小矢量的使用扩大了，其直流侧中点电位的平衡能力增强。

图2-36 小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略调制区域划分

表2-9 小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略第一扇区电压矢量合成

（2）小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略

小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制中，直流侧中点电位的自平衡及其平衡能力的提高均在于小矢量的使用，全部小矢量成对使用可以达到脉宽调制策略的自平衡，成对小矢量使用越多，作用时间越长，直流侧中点电位的平衡能力就越强。

根据前述脉宽调制策略建立原则，结合本方法特点，以第Ⅰ扇区B小区为例：

1）九段式。

其电压矢量脉宽调制有很多种，两种较为接近的方案：

方案一：V_02P→V_01P→V_02N→-V_01N→V₁-→V_01N→V_02N→V_01P→V_02P，即110→100→00-1→0-1-1→1-1-1→0-1-1→00-1→100→110，如图2-37a所示。(www.xing528.com)

方案二：V_02N→V_01N→V₁→-V_01P→V_02P-→V_01P→V₁→V_01N→V_02N，即00-1→0-1-1→1-1-1→100→110→100→1-1-1→0-1-1→00-1，如图2-37b所示。

图2-37 小矢量合成虚拟电压矢量九段式B区开关函数

a）方案一 b）方案二

显然两种方案开关函数均对称，小矢量全部成对使用，大矢量不影响直流侧中点电位，电压矢量脉宽调制本身可以完成对直流侧中点电位平衡的完全控制，但方案一开关次数在各相比较均匀。

当然，实际中，直流侧中点电位不完全由电压矢量脉宽调制引起。负载的不平衡、闭环控制的不稳定等都可以造成直流侧中点电位的不平衡。那么由于小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略中存在两组成对小矢量，因此通过两对小矢量作用时间的调整平衡中点电位，其平衡能力要比传统方法强。

2）七段式。

从图2-37可以看到，为了保证小矢量的成对使用，开关函数的段数增加。实际中，为了降低开关器件的损耗，也可以采用七段式。还以第Ⅰ扇区B小区为例，则其电压矢量脉宽调制顺序就变为V_01P→V_02N→-V_01N→V₁-→V_01N→V_02N→V_01P，即100→00-1→0-1-1→1-1-1→0-1-1→00-1→100。显然V₀₂小矢量没有成对使用。

为了平衡直流侧中点电位可以采用不同扇区相应小区通过脉宽调制的对称，完成直流侧中点电位的平衡控制。比如，第Ⅲ扇区B小区，根据对称原则，电压矢量脉宽调制为V_04N→V_03P→-V_04P→V₄-→V_04P→V_03P→V_04N，即：-100→010→011→-111→011→010→-100。此时V₀₃小矢量没有成对使用，这里用的是正组V_03P，而第Ⅰ扇区B区用的是反组V_02N，两者对直流侧中点电位的影响刚好相反。当然这种调制并非在同一个开关周期中调节，从直流侧中点电位平衡的效果上来看，没有九段式好。

表2-10给出小矢量合成虚拟电压矢量在第Ⅰ扇区的脉宽调制策略。其他扇区以此类推^［15］。

表2-10 第Ⅰ扇区小矢量合成虚拟矢量的脉宽调制策略

（3）调制模式

图2-36小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略区域划分中的λ₁和λ₂为两个特殊的调制比，λ₁＝0.433，其为小矢量幅值的相对于大矢量幅值的标幺；λ₂＝0.5，为小矢量相对于大矢量幅值的标幺。在小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制策略下，λ₁和λ₂把三电平换流器的调制模式分为三种。

若电压源换流器工作于A模式，则换流器交流侧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ABCD模式，则换流器交流侧参考电压矢量轨迹要经过所有区；若工作于BCD模式，则换流器交流侧参考电压矢量轨迹只经过B区、C区和D区。显然，ABCD模式下，换流器的区域变化最多。

图2-38为小矢量合成虚拟电压矢量脉宽调制在不同调制模式下换流器调制特性，依次为电压源换流器交流相电压、线电压和直流侧两电容电压差。调制比依次为0.62，0.46和0.42，PI参数一样，电压源换流器均能稳定工作。显然随着调制模式的变化，相电压形状基本不变，而线电压因电平多变化较大。相电压为三电平：u_dc／2，0和-u_dc／2；线电压除A模式为三电平外，其余模式都为五电平：u_dc，udc／2，0，-u_dc／2和-u_dc。直流侧两电容电压差明显比传统脉宽调制策略好，调制比越大，成对小矢量作用时间越短，直流侧中点电位平衡效果越好，但对负载等其他原因引起的不平衡，其平衡的能力越差。

图2-38 不同调制模式特性对比

a）交流相电压 b）交流侧线电压 c）直流侧两电容电压差