摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。电压源换流器在高压直流输电及新能源并网中起着至关重要的作用。为研究基于脉冲宽度调制技术（pulsewidthmodulation，PWM）三相逆变器受死区影响的谐波特性。为降低死区效应对电压谐波的影响，目前国内外学者已提出多种死区补偿方法。死区对三电平PWM的3D几何墙模型的影响，基于双重傅里叶级数给出了死区时间影响下的输出电压谐波表达式，但未能分析死区补偿的设计方法。因此，建立更为简洁的电压谐波模型以分析死区影响下的谐波特性，揭示死区效应引发谐波失真的机理，能为死区设计和补偿提供理论依据。此外，建立更为精确的受死区影响的谐波模型能够为滤波元件的设计提供理论指导。
关键词：三相两电平逆变器；死区效应；谐波分析；补偿方法研究
引言
传统的两电平电压型逆变器，通常采用正弦电压脉宽调制（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）两种调制方式产生PWM电压，采用SPWM调制方式时输出线电压最大仅能达到直流母线电压的0．707倍，采用SVPWM线性调制时输出线电压最大可以达到与直流母线电压电压相同的值，但是这两种调制方法都没有充分利用逆变器输出电压的能力，其与逆变器六阶梯波工作状态时输出的基波电压还有一定差距，逆变器六阶梯波工作状态时输出的基波电压可以达到直流母线电压的1．103倍。为了获得更大的输出电压，需要对逆变器采用过调制方法。进入过调制区域后，逆变器输出电压将会产生畸变，谐波含量有所增加，这对电磁转矩的稳定性影响很大，采用合适的过调制方法尤为重要。本文采用将过调制区域分为1、2两区的方法，对SVPWM调制区域划分的基本思想、过调制区域调制方法的原理与实现方法进行详细的分析与说明。
1电压空间矢量过调制区域
在线性调制区，参考电压矢量终点被限制在六边形内切圆区域内，显然无法将逆变器输出电压的能力最大化。如果需要在线性调制区基础上增大输出电压，在保证参考电压矢量终点轨迹为圆的前提下，参考电压矢量终点将会在部分或全部角度范围中超出六边形边界。此时，逆变器将进入过调制运行。基本电压矢量合成的实际电压矢量终点是无法超过六边形边界的，因此需要采用等效合成的方法来实现逆变器的过调制运行。本文所采用的是相电压基波幅值等效原则，即保证在一个电压周期（即参考电压矢量旋转一周）中，实际电压矢量对应相电压的基波分量峰值与参考电压矢量的模相等。参考电压矢量与实际电压矢量对应的轨迹如图1所示（虚线为参考电压矢量轨迹，粗实线为实际电压矢量轨迹）。当参考电压矢量终点在六边形区域内时，实际电压矢量的模大于参考电压矢量的模；当参考电压矢量终点超出六边形边界时，实际电压矢量的模小于参考电压矢量的模，实际电压矢量沿着六边形边界运行。显然，这样的轨迹可以满足基波幅值等效原则。定义实际电压矢量与六边形边界交点到最近的六边形顶点区域所对应的角为参考角αr，其表征的是实际电压矢量终点在六边形内部的时间。在六边形每个顶点附近的2αrr区域内，实际电压矢量顶点将沿着六边形内部的弧线运动。可以看出，参考角αr的最大值为π／6。随着参考电压矢量模的增加，调制度逐渐增加，参考角αr逐渐减小，当参考角αr为零时，上述调制方法已经不能满足模更大的参考电压矢量，即不能继续增大逆变器输出电压。因此，在过调制区域仅仅采用一种调制方法无法充分利用逆变器输出电压的能力，为了获得更大的输出电压，需要寻找新的调制方法。将上述过调制方法对应的调制范围称为SVPWM控制技术的过调制1区。过调制1区的调制方法可以保证合成电压矢量在相位上与参考电压矢量保持一致，为了提升逆变器的输出电压，牺牲了参考电压矢量的幅值。在过调制1区，当参考角αr为零时，实际电压矢量的轨迹已经与六边形边界重合，如果继续增加参考电压矢量的模，只能增加基本电压矢量的作用时间来提高实际电压矢量对应相电压的基波峰值，即让实际电压矢量在六边形顶点处停留一定的时间。此时参考电压矢量与实际电压矢量对应的轨迹如图2所示。定义保持角αh其表征的是实际电压矢量在六边形顶点的停留时间。当参考电压矢量在保持角αh的范围内时，实际电压矢量在六边形顶点停留；当参考电压矢量超出保持角αh的范围时，实际电压矢量的终点沿着六边形边界运动，实际电压矢量的角频率大于参考电压矢量的角频率。这样的轨迹可以满足相电压基波幅值等效原则。
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图1过调制1区电压空间矢量轨迹
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图2过调制2区电压空间矢量轨迹
2基于PWM逆变器的谐波的抑制方法
根据仿真模型，在运行后输出波形，波形中可能会出现谐波的现象，降低了整个系统的稳定性。而当我们要消除或者抑制供电设备中的谐波时，最关键的要素就是检测出谐波是由哪些因素构成的。我们为了消除或者抑制谐波，第一种方法可以使用PWM（脉宽调制技术）中的特定谐波消除法，最显著的特点就是能消除特定的次数的谐波。第二种方法可以使用重复控制和PID（比例-积分-微分控制器）控制互相并联的控制波形的方法。首先重复控制的方法能有效抑制波形重复出现，在控制波形周期方面起到关键作用，提高了基于PWM逆变器的整个波形的品质。其次使用PID控制的方法能有效控制瞬时波形，提高了逆变器输出波形的稳定性。以上的两种方法存在异同点，相同点是：首先利用三相逆变器PWM的非线性模型，计算出在PWM技术控制下的三相逆变器的开关角，开关角的数值是不唯一的。其次我们根据供电设备输出谐波的信号模型，在MATLAB中的simulink中对信号模型进行仿真，检测出来的波形是不完整的，存在诸多缺点，这就是受到谐波信号的影响。不同点是：特定谐波消除法要用较小的波形做仿真实验，能大大提高输出波形的稳定性。这种消除的方法相对简单，谐波的波形比较唯一，容易实现。而通过PID控制的方法，不仅能提高系统的稳定性，还能提高整个系统的开环增益。这都得益于PID控制器的超前校正和滞后的作用。超前校正能使波形瞬态响应加快，滞后能提高整个系统的开环增益。总而言之，PID控制器提高了系统的稳定性，同时也提高了整个系统的动态性能，在系统的控制领域应用广泛。
结语
通过将补偿分量ud注入到调制信号ura的死区补偿方法方法可达到抑制死区影响的效果，其补偿分量ud可通过本文所提出的谐波分析方法定量计算得到。理论、仿真和实验分析分别得到的各次谐波含量基本一致，且仅含有奇次谐波，由此验证了本文所提出的谐波分析方法的正确性。死区效应会增加载波频率处的电压谐波含量的大小，并且使得输出电流发生畸变含有较多谐波。在通过理论计算进行谐波分析时，考虑死区影响所得到的理论计算结果更为精确，尤其是随着Td/Tc的增大更能凸显考虑死区效应的重要性。本文所提死区补偿方法能够有效的抑制死区效应的不利影响，降低死区引起的附加谐波，改善输出电流波形质量。
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论文作者:潘志坚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
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