基于SVM的级联型高压变频器共模电压抑制研究

Mar.2010High Voltage ApparatusVol.46No.3收稿日期：2009-11-05；修回日期：2010-01-14项目与基金：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2007BAA12B03）国家科技支撑计划资助电能质量复合控制技术及装置2007BAA12B03；江苏省重点科技攻关项目（BE2006003）；受“东南大学优秀青年教师教学科研计划”资助（4016001009）。

作者简介：杨振宇（1979—），男，博士，研究方向为高压变频调速技术，电能质量问题的研究与治理。

0引言目前，变频器共模电压的抑制主要考虑两方面：一方面改造实际结构，外加无源滤波器[1-2]和有源滤波器[3-4]等，其缺点在于体积和成本显著增加，且很难应用于高压大容量场合；另一方面改善控制算法，文[5]针对三电平NPC ，分别从SVM 和SPWM 各提出一种消除共模电压的调制方式，三电平SVM 方式的基本思想是在可能的27个矢量中只挑选共模电压为0的矢量参与调制，SPWM 方式是通过异相调制以消除开关共模电压。

为提高异相调制的电压利用率，文[6]通过在调制波中注入3次谐波，并将该调制方式引入级联型逆变器。

载波相移CPS -SPWM 技术以较低的器件开关频率实现了较高的等效开关频率效果，可大幅度消除或抑制谐波，易用于级联型多电平变换器[7]；空间矢量SVM 技术谐波特性好、电压利用率高，最适宜与高动态性能的电机控制方法如矢量控制、直接转矩控制等相结合[8]。

错时采样STS -SVM 技术[6]结合了两者的优点，并开始应用于由级联型结构的补偿装置，如级联型APF [9]。

笔者分别从两电平SVM 和三电平SVM 角度，各提出了一种抑制共模电压的技术，并可通过错时采样技术应用于级联型高压变频器。

仿真和实验结果都证明了这两种算法的有效性。

1两电平SVM 抑制共模电压原理级联型逆变器的一层可简化成图1，3个H 桥基于SVM 的级联型高压变频器共模电压抑制研究杨振宇1，曹敏珠1，倪喜军2，赵剑锋2（1.Changzhou Power Supply Company ，Changzhou 213003，China ；2.School of Electrical Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）Eliminating Common -mode Voltage of Cascaded High Voltage Inverter Based onSupport Vector Machine（1．常州供电公司，江苏常州213003；2．东南大学电气工程学院，江苏南京210096）YANG Zhen -yu 1，CAO Min -zhu 1，NI Xi -jun 2，ZHAO Jian -feng 2Abstract:To eliminate common -mode voltage of cascaded multi -level inverter ，a concept of left and right legs is proposed according to the special structure of the converter.Each leg adopts 2-level support vector machine (SVM)，and the phase difference between their reference vectors is set 2π/3.As every cascade of cascaded inverter can output 3-level voltages ，3-level vectors with zero common -mode voltage are used for modulation.These two SVMs can be smoothly used in cascaded high -voltage inverter via staggered sampling time to completely eliminate common -mode voltage.The results of simulation and experiment verify the effectiveness of the proposed SVMs.Key words:cascaded inverter ；2-level SVM ；3-level SVM ；staggered sampling time ；common -mode voltage摘要：为消除级联型高压变频器输出共模电压，针对其特殊结构，提出左右桥臂组概念，并采用两电平SVM ，将两参考矢量的相差调整为2π/3。

由于级联型结构每层均能输出3种电平，可挑选共模电压为0的三电平矢量进行调制。

该两种SVM 通过错时采样技术，平滑应用于级联型高压变频器，并可完全抑制其共模电压。

仿真和实验结果都证明了这两种SVM 的有效性。

关键词：级联型逆变器；两电平SVM ；三电平SVM ；错时采样；共模电压中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：1001-1609（2010）03-0032-05第46卷第3期2010年03月Vol.46No.3Mar.2010High Voltage Apparatus第46卷第3期共有6个桥臂，可分为2组：左桥臂组L a 、L b 、L c 和右桥臂组R a 、R b 、R c 。

a 、b 、c 三相电压可表示为各单元左、右桥臂电压之差，即u anu bn u cn＝u L a －u R au L b －u R b u L c －u R c＝u L au L b u L c－u R au R b u R c（1）式（1）中，u Li 、u Ri （i =a 、b 、c ）分别为a 、b 、c 3个单元左、右桥臂中点对直流母线中点电位的电压。

显然，u Li 、u Ri （i =a ，b ，c ）可分别构成左桥臂组矢量U L （u L a ，u L b ，u L c ）与右桥臂组矢量U R （u R a ，u R b ，u R c ），而由三相电压u an 、u bn 、u cn 构成的矢量U （u an ，u bn ，u cn ）为U L 和U R 之差，即U ＝U L －U R（2）U L 和U R 可由二电平SVM 生成。

文[10]给出了U L 和U R 的3种相位关系，分别为π、±2π/3和±π/3，见图2。

同时给出了3种相差两电平SVM 的分析特性，见表1。

故可考虑采用±2π/3相差两电平SVM 抑制共模电压。

2三电平SVM 抑制共模电压原理类比三电平NPC ，图1所示的每相功率单元均可输出+、－、0三种电平，见表2。

图3为三电平空间电压矢量分布图。

理论上级联型拓扑也可采用三电平SVM 进行调制，见图3（a ）。

27个三电平基本矢量中共模电压为0的共有7个（W 0～W 6），其中6个非零矢量将平面等分成6个扇区，零矢量W 0位于平面中央，见图3（b ），与图2所示的两电平基本矢量图非常相似。

故完全可将两电平SVM 的具体开关模式引入这种共模电压为0的特殊三电平SVM 。

注：|U L |为其幅值，u z 为共模电压注入分量。

表13种相差两电平SVM 特性θ=±π/3θ=±2π/3θ=πU L 幅值|U L |3姨|U L |2|U L |U 相位与U L 相差π/3与U L 相差2π/3与U L 同相位u z ≠00≠0表2单个H 桥输出电平（i =a 、b 、c ）+E dc－E dc 导通管Q i 1、Q i 4Q i 1、Q i 3或Q i 2、Q i 4Q i 2、Q i 3关断管Q i 2、Q i 3Q i 2、Q i 4或Q i 1、Q i 3Q i 1、Q i 433··Mar.2010High Voltage Apparatus Vol.46No.33STS -SVM 抑制级联型变频器共模电压级联型变频器原理见图4［10］。

为防止变频器浮地，一般只能在N 点接地（最佳接地点，可经电阻接地）。

因此，级联型高压变频器的共模电压抑制主要通过抑制逆变器共模电压u com ，u com 为u com ＝（u AN ＋u BN ＋u CN ）/3（3）级联型结构可简化为图5，每一层逆变器的输出电压矢量U i 通过错时采样技术，可实现级联型结构的多电平SVM [6]。

则式（3）可改写为u com ＝（ni ＝1Σu AN i ＋ni ＝1Σu BN i ＋ni ＝1Σu CN i ）/3＝ni ＝1Σ（uAN i＋u BN i ＋u CN i ）/3（4）由式（4）可知，若每层逆变器共模电压都为0，则整个级联型结构的共模电压可被安全抑制。

因此，上述两种SVM 通过错时采样应用于级联型高压变频器时，理论上可完全抑制共模电压。

4仿真分析用MATLAB/Simulink 搭建三相5单元级联型变频器，单元直流电压1kV 。

载波PWM 的调制波为3次谐波注入型，并分为同相调制和异相调制[11]（笔者认为称作反相调制和相差2π/3调制更精确）；两电平SVM 采用7段式，三电平SVM 采用5段式。

3类方式的采样频率均为0.6kHz ，调制比M 均为0.9。

图6～8分别为载波PWM 、两电平SVM 、三电平SVM 各自的两种仿真波形，图中从上至下分别为相电压及其FFT 、线电压及其FFT 、共模电压及其FFT 。

34··第46卷第3期表4基于空间矢量的4种多电平PWM 技术的比较调制技术线电压u AB共模电压u com峰值/V 基波/V 、总有效值/VTHD （100次）峰值/V 总有效值/V相差2π/3两电平STS -SVM 3.600 2.152、2.22812.63%0.1000.002相差π两电平STS -SVM4.120 2.495、2.5158.33%0.5200.283三电平STS -SVM3.920 2.495、2.5067.69%0.6000.298三电平STS -SVM 共模电压抑制3.8402.171、2.180112.21%0.1200.003表36种PWM 调制技术的仿真结果调制技术基波峰值/VTHD （100次）峰值/V显著谐波分量反相CPS -PWM 5139、890218.82%、8.27%1333、799.33、51、57、63、69、75、99反相两电平STS -SVM 5139、890221.98%、8.71%1333、990.83、51、75、99三电平STS -SVM 5138、890021.87%、7.96%1333、967.13、6、9、12、42、45、54、57、60、63、66、84、99相差2π/3CPS -PWM 4451、771013.29%、13.30%0相差2π/3两电平STS -SVM 4451、771013.49%、13.48%0三电平STS -SVM 共模电压抑制4461、772712.95%、12.95%相电压u AN 、线电压u AB共模电压u com3类无共模电压抑制的调制方式都出现了以3次分量为主体的u com ，峰值都达到了1300V ，但波形和所含分量（均为3的倍数次分量）各不相同，这些分量在线电压中将不会出现。