基于三电平逆变的开关磁阻发电系统的研究

收稿日期：2013-06-09

基金项目：国家能源局-国家发展改革委项目（发改2011(1952)号）；湖南省自科基金项目(11JJ8004)；湖南省教育厅重点项目(JG2011A012)

作者简介：何 浪(1988―)，男，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向：清洁能源并网技术。

文章编号：1003-6199(2014)02-0046-06

摘 要：新型开关磁阻发电机具有发电容量大、效率高、起动和发电组合容易等优点，三电平逆变器具有能减少开关损耗和滤波电感损耗并有降低开关应力等特点。利用三电平逆变器转换效率高的优势，结合新型开关磁阻发电机低风速发电特点，降低开关损耗和开关器件电压应力，提高装置可靠性。仿真实验结果表明：用三电平逆变器能够很好的实现开关磁阻发电机的逆变要求。

关键词：开关磁阻发电系统；三电平逆变器；开关器件电压应力；转换效率

中图分类号：TM464文献标识码：A

Study on Threelevel Inverter of SRG System

HE Lang1,YI Lingzhi1,LUO Xiaoxue1,ZHU Guanghui2,CHEN Hongwei3,LI Shengbing1

(1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing (Xiangtan University),

Ministry of Education,Xiangtan,Hunan 411105，China；

2. Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co Ltd,Xiangtan,Hunan 411101，China；

3. Xiangtan electric Limited by Share Ltd,Xiangtan,Hunan 411101，China)

Abstract:The newstyle switched reluctance generator has many advantages, such as great generating capacity, high efficiency, as well as convenient combination of starting, and generating electricity. In addition, the loss of switches and filter inductors can be reduced by threelevel inverters. It can reduce the switch loss and voltage stress of devices, by making use of threelevel inverters, the reliability of devices can be improved. With high conversion efficiency and combining, this newstyle switched reluctance generator can achieve the low wind power characteristics. Simulation results has verified that threelevel inverters can meet the requirement of switched reluctance generator.

Key words:Switched Reluctance Generator (SRG);Threelevel inverter;voltage stress of switching devices;conversion efficienc

1 引 言

随着新型大容量电力电子设备的应用以及新型风力叶片的出现，风能作为清洁能源，施工周期短、清洁无污染、占地少、投资灵活，有很好的社会效益和经济效益，受到全世界高度重视。风力发电技术因为其可靠性高，成本低，已成为现阶段新能源发电技术的研究热点，越来越多的新型技术被研究应用到风力发电技术当中［1］。在风力发电系统中,开关磁阻电机能使整个系统结构更加简单，提高风能利用效率，实现复杂控制。

与两电平逆变器相比，三电平逆变器输出电压谐波含量少，效率高，开关损耗小。三电平逆变器可利用自身优点,减少开关损耗,提高效率,解决开关磁阻风力发电的问题。

2 开关磁阻发电机原理及特性

开关磁阻电机是简单的通过改变相电流的导通角就能够让电机工作在电动状态或者发电状态。在电动运行时，选择的导通角要使相电流能流过dL/dθ＞0的区域，而要在发电机运行时，选择的导通角要使相电流能流过dL/dθ＜0的区域［1］。

图1 典型的4相SRG主电路拓扑

图1是一种典型的4相SRG不对称桥的主电路驱动拓扑。我们可以假设：忽略在极角处的边缘效应；忽略每相之间的互感；没有饱和［2］。SRG每相的电压方程为：

μph=Rphiph+dλ(iph,θr)dt(1)

=Rphiph+Lph(θr)diphdt+ωriphdLphdθr

=Rphiph+λ(iph,θr)iphdiphdt+ωrλ(iph,θr)θr

其中，iph是相电流，Rph是相电感，ωr是转子角速度，θr是转子角， λ(iph,θr)是磁通。

反电动势eph可表示为

eph=ωriphdLphdθr(2)

电感增量Lph(θr)可表示为

Lph(θr)=λ(iph,θr)iph(3)

如果忽略磁饱和，瞬时电磁扭矩

Te=12i2phdLphdθr(4)

其中，dLph/dθr是相电感对转子角的微分。

3 三电平和两电平逆变器效率比较

用Mathcad软件可以仿真出三电平和两电平逆变器在相同的给定应用条件下的损耗和效率［3］。两者都以IGBT为开关器件，驱动电阻都是5Ω，工作温度均为125℃。两电平滤波电感为0.33mH，三电平滤波电感为0.22mH。仿真实验结果如图2所示。

从图2(a)可以看出三电平拓扑中的开关器件电压应力仅为两电平拓扑开关器件电压应力的1/2，开关损耗也约为两电平的1/3，随着开关频率增加，损耗有所增加。

计算技术与自动化2014年6月

第33卷第2期何 浪等：基于三电平逆变的开关磁阻发电系统的研究

(a) 开关损耗比较

电流流过串联功率器件的数目增加，导通损耗增加，三电平拓扑的导通损耗约为两电平的1.6倍,见图2(b)。

(b) 导通损耗比较图2 仿真实验结果

对相同的输出电能品质要求，三电平拓扑的滤波电感损耗比两电平拓扑的滤波电感损耗小，约为0.8倍，且随着开关频率增加，损耗有所增加，见图3(a)。

(a) 滤波电感损耗比较

(b) 总损耗比较

在相同开关频率下，三电平逆变器的总损耗约为两电平逆变器的0.6倍，且随着开关频率增加，总损耗有所减少,见图3(b)。

(c) 效率比较

图3 两电平和三电平效率和损耗比较

从图3(c)可以看出，随着开关频率的提高，开关损耗的比例快速增加，三电平的效率优势越来越明显(效率与两电平相比，下降速度缓慢)。当fs=10kHZ，η可以提高1.7％；当fs=20kHZ，η可以提高2.79％；当fs=40kHZ，η可以提高5.4％［4］。

尽管三电平逆变器比两电平逆变器的导通损耗大，但三电平能显著减少开关损耗和滤波电感损耗。在开关频率大于10 kHz的应用场合，三电平逆变器有更高的转换效率。所以本系统宜用三电平逆变器。

4 三电平逆变器SVPWM控制原理

二极管钳位型三电平逆变器的主电路如图4所示。每相桥臂都由四个开关管构成，中间两个开关管辅以两个中点钳位二极管，这样每相有3种开关状态。以a相为例，当S1,S2导通S3，S4关断，此时的输出电压为Ud/2;当S2，S3导通S1，S4关断，此时的输出电压为0，当S3，S4导通S1，S2关断，此时的输出电压为- Ud/2。如此a相就能输出三种电平。逆变器的输出总共有27种开关状态，除去8种无效的状态，还剩下19种开关状态。图4 二极管钳位型逆变器主电路

图5 矢量空间的扇区划分示意图

4.1 参考矢量位置判断

根据参考矢量的幅角确定该矢量位于如图5所示的6个扇区中的哪一个，然后根据下面公式判断其所在的三角形的位置(以扇区1为例)：

Urefα+33Urefβ≤Udc2 (5)

Urefα－33Urefβ≥Udc2 (6)

Urefβ＜3Udc4(7)

其中Urefα、Urefβ分别为参考矢量Uref在α，β轴上的投影分量。只要公式(5)成立，矢量位于三角形A中；公式(6)成立而公式(5)不成立则位于B中；公式(7)成立而公式(5)和(6)都不成立则位于C中；如果3个公式都不成立则位于D中。同理可以计算出参考电压矢量在其他五个扇区的位置。

4.2 矢量作用时间

矢量作用时间按照空间电压矢量合成的伏秒平衡原则根据Vref•Ts=V1•T1+V2•T2

+V0•T3和T1+T2+T3=Ts 可得：

T1=2mTs sin π3－θ (8)

T2=2mTs sin θ (9)

T3=Ts－T1－T2=

Ts［1－2m sin (π3+θ)］(10)

采用同样的方法可以计算其他小扇区的矢量作用时间。

4.3 开关状态和导通时间的选择

在每个SVPWM、控制周期中，根据表1选定的4个矢量依次发出输出矢量，为了输出光滑的输出电压波形，输出电压矢量的产生应该遵循以下的原则：

1) 利用P、O、N的开关状态使得P和O之间、O和N之间能相互自由的移动，但是不允许在两电平变化的P和N之间直接移动；

2)不允许两相同时进行开关动作。

表1 扇区1中各小三角形相应的输出电压矢量

小三角区

输出电压矢量

A

POO

OOO

OON

ONN

PPO

POO

OOO

OON

B

POO

PON

PNN

ONN

C

POO

PON

OON

ONN

PPO

POO

PON

OON

D

PPO

PPN

PON

OON

图6 首发正小矢量的输出电压矢量时序图

首发小矢量都是负小矢量也可以，只要将表1中的4个输出矢量的次序颠倒一下就可以了。具体的三相输出时序图如图6所示(其中0＜k＜1)，根据这个时序图就可以得到三相桥臂开关器件的驱动信号。

5 仿真实现

在Matlab/Simulink仿真软件平台上，采用SVPWM控制策略, 利用两种逆变器，将同一个开关磁阻电机发出的直流电，变换为三相交流电，建立基于逆变器的开关磁阻电机发电系统仿真模型。图8为进行的相关仿真实验模型［6］ ，仿真结果见图7。仿真所用的开关磁阻电机［7］：8/6极,额定功率为750W,额定输出电压为250V，转子转动惯量为0.0016，励磁电压为48V，仿真所给定电容为0.3F，电感为0.275H。

从图7（a）开关磁阻发电机输出电压波形可以看出，发电机输出电压是一个缓慢上升的过程，0.5S后输出电压进入稳定运行状态，输出电压稳定在250V左右。

图7（d）和（e）分别为三电平和两电平逆变器在a相的稳定输出波形，从这两个波形图可以看出两电平逆变器输出为5个电平，三电平逆变器输出为9个电平。根据阶梯波逼近正弦波的原理，阶梯数越多越接近正弦信号的原理，三电平逆变器输出波形比两电平逆变器更具有优势。图7（f）和（g）分别为三电平和两电平逆变器的输出功率波形图，从图上可以看出基于三电平逆变器的模型的输出功率稳定在350W左右，而基于两电平的模型的输出功率是稳定在300W左右的，可以明显的看出三电平逆变器模型的输出功率是要高于基于两电平逆变器的模型的。从图7（b）和（c）可以看出系统平稳地完成了开关磁阻发电机发出的直流电与逆变器输出的三相交流电之间的转变，实现了预期的实验目的。

(a)开关磁阻电机输出电压波形

(b)三电平0―0.5S输出电压上升波形

（c）两电平0―0.5S输出电压上升波形

(d) 三电平a相电压稳定输出波形

(e) 两电平a相电压稳定输出波形

（f）三电平模型输出功率波形

（g）两电平模型输出功率波形

图7 仿真结果

6 结 论

本文通过MATLAB仿真软件搭建了基于三电平和两电平逆变器的开关磁阻发电系统的仿真模型。仿真实验结果证明了三电平逆变器比两电平逆变器有更好的输出波形和更高的转换效率，三电平逆变器能够很好的实现开关磁阻发电机的逆变要求。

(a) 基于三电平逆变器的开关磁阻电机发电系统仿真模型

(b) 基于两电平逆变器的开关磁阻电机发电系统仿真模型

图8 系统仿真模型

参考文献

［1］ 董萍, 吴捷. 新型发电机在风力发电系统中的应用［J］. 微特电机, 2007 (7):36-42.

［2］ MILLER TJE.Electronic control of switched reluctance machines［J］.Oxford, U.K.Newnes, 2001.

［3］ BIERHOFF M H，FUCHS F W. Semiconductor Losses in voltage source and current source IGBT converters based on analytical derivation ［A］. 35th Annual Power Electronics Specialists Conference. Aachen, Germany. IEEE ［C］.2004 (4)：2836 -2842.

［4］ 王鸿雁，邓焰.飞跨电容多电平逆变器开关损耗最小PWM方法［J］.中国电机工程学报，2004，24(8)：51-55.

［5］ 吴学智，刘亚东，黄立培. 三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究［J］. 电工电能新技术，2002，21(4) ：16-19.

［6］ 彭寒梅,易灵芝.基于Buck变换器的开关磁阻发电机新型励磁模式［J］.太阳能学报. 2012,33(3):432-438.

［7］ 宋文祥,陈国呈,束满堂,等.中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究［J］.中国电机工程学报,2006,26(5): 105-109.