一種改進(jìn)的三電平逆變器空間電壓矢量PWM控制技術(shù)

1、第33卷增刊2003年9月東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition Vol 133Sup. Sept. 2003一種改進(jìn)的三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術(shù)李明馬小平陳愛麗(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院, 徐州221008摘要:根據(jù)三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制原理, 針對(duì)過調(diào)制問題, 提出了一種改進(jìn)的空間電壓矢量PW M 控制技術(shù), 并推導(dǎo)了三電平逆變器空間電壓矢量在各個(gè)過調(diào)制區(qū)域內(nèi)的等效作用時(shí)間算法. 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在過調(diào)制時(shí)能夠保證線性調(diào)制關(guān)系, 有效抑制諧波, 提高電

2、壓利用率.關(guān)鍵詞:三電平逆變器; 空間電壓矢量PW M ; 過調(diào)制中圖分類號(hào):T M464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):-0179204A improved SVPWM level inverterX Chen Aili(In formation , China University of M ining and T echnology , Xuzhou 221008, Chinese Abstract :T o s problem of over 2m odulation , this paper proposes a im proved technique based on the princ

3、iple of three 2level inverter space v oltage vector pulse 2width m odulation and derives the correspond 2ing time alg orithm of three 2level inverter space v oltage vector in the over 2m odulation sectors. Simulation ex 2perimental results show that the method can restrain the content of harm onious

4、 and increase v oltage utiliza 2tion.K ey w ords :three 2level v oltage inverter ; space v oltage vector PW M ; over 2m odulation收稿日期:2003206226. 作者簡(jiǎn)介:李明(1962- , 男, 博士, 副教授,xzmingli 163. com.電壓型逆變器在交流傳動(dòng)、不間斷電源和有源濾波器等高性能電力電子裝置中得到廣泛應(yīng)用. 近年來, 為適應(yīng)高電壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)合, 多電平逆變器的研究和應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注和重視, 例如, 礦井提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)等的交流電動(dòng)機(jī)

5、調(diào)速系統(tǒng), 其電壓等級(jí)為6kV , 功率可達(dá)數(shù)千千瓦, 是典型的多電平逆變器應(yīng)用對(duì)象. 作為核心技術(shù)的PW M 控制方法也得到了越來越深入的研究, 迄今為止, 已提出了多種PW M 控制方法和技術(shù)1,2. 本文主要針對(duì)過調(diào)制問題, 在原有三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的控制方法, 使逆變器的輸出基波在過調(diào)制下也能保證線性調(diào)制關(guān)系, 同時(shí)具有輸出諧波含量小以及算法的實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn). 最后給出了在Simulink 環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果.1三電平逆變器結(jié)構(gòu)及空間電壓矢量PW M 控制原理111三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)目前, 應(yīng)用較廣的是二極管中點(diǎn)鉗位(neutral p

6、oint clam ped ,NPC 式三電平逆變器, 其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示. 這種二極管鉗位式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)開關(guān)元件進(jìn)行鉗位, 輸出相應(yīng)三電平的相電壓.112三電平逆變器的空間電壓矢量PW M 控制原理如果把三相三階中點(diǎn)鉗位逆變器每一相的3種輸出狀態(tài)組合起來, 則逆變器共能獲得27種不同輸出狀態(tài), 其中包括6個(gè)長(zhǎng)矢量,6個(gè)中矢量,12個(gè)短矢量和3個(gè)零矢量, 如圖2所示. 其中6種幅值為E 的長(zhǎng)矢量圖1三電平逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖將圓等分為6個(gè)扇區(qū), 每個(gè)扇區(qū)占60°空間角. 每個(gè)扇區(qū)又被幅值為2及2E 的短矢量和中矢量分為4個(gè)小三角形. 由于三電平的27個(gè)矢

7、量, 遠(yuǎn)大于二電平的8個(gè)矢量, 因此矢量選擇范圍大, 能更好地逼近正弦輸出, 獲得更好的性能.11211空間電壓矢量的等效作用時(shí)間圖3為V 0, V 7, V 9形成的等邊三角形, 在這個(gè)三角形中包含長(zhǎng)矢量 V 7=E e j0, V 9=E ej 3, 中矢量V 8=2E e j 6, 短矢量V 1=2E e j0, V 2=2E e j 3以及零矢量V 0=0, 把圖2三電平逆變器的空間電壓矢量圖V 1, V 2, V 8的頂點(diǎn)連接起來, 大三角形被分成4個(gè)小三角形A ,B ,C ,D.如果參考矢量V ref =V e j 處于三角形B 中, 就用V 1V 7, V 8三個(gè)矢量合成參考矢量

8、V ref , 矢量作用時(shí)間可由式(1 求解, 即V 1t 1+V 7t 7+V 88V st 1+t 7+t 8(1式中, T s 是采樣周期; t 1t 7, t 8分別為V 1, V 7, V 8的作用時(shí)間.把V 1=2E e j0, V 7=E e j0, V 8=E e j 6, V ref =Ve j 代入式(1 , 可得V 1, V 7, V 8的作用時(shí)間t 8=E T s sin t 7=ET s sin 3-T s t 1=T s -t 8-t 7(2 圖3V 0, V 7, V 9形成的三角形同理可以得出參考矢量V ref =V e j 處于其他三角形A ,C ,D 的作用

9、時(shí)間.112. 2空間電壓矢量的作用順序設(shè)參考矢量落在小三角形A 中, 則可供選擇的矢量為V 0, V 1, V 2, 按七段式SVPWM 的產(chǎn)生方法, 得到開關(guān)序列V 0(000 V 1(100 V 2(110 V 0(111 V 2(110 V 1(100 V 0(000 . 其脈沖波形如圖4所示.只要參考電壓矢量V ref 的端點(diǎn)軌跡位于六邊形的內(nèi)切圓內(nèi), 則都可以利用逆變器的輸出矢量合成, 其輸出電壓就為正弦波形. 此時(shí), 能達(dá)到線性最大調(diào)制. 如圖5所示, 如果參考電壓矢量V ref 的端點(diǎn)軌跡位于六邊形的內(nèi)切圓和外接圓之間,SVPWM 將出現(xiàn)過調(diào)制. 此時(shí), 若仍按式(2 計(jì)算電壓

10、矢量的作用時(shí)間, 則t 1+t 8+t 7>T s . 因此有必要對(duì)上述空間電壓矢量PWM 算法作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn). 2改進(jìn)空間電壓矢量PWM 控制方法參考二電平逆變器處理過調(diào)制的思想3,4, 可以研究三電平逆變器過調(diào)制問題. 如圖5所示, 對(duì)V ref 端點(diǎn)081東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第33卷圖4三角形A 內(nèi)的PWM 脈沖波形軌跡超出六角形的部分, 保持V ref 的相位角不變, 將V ref 的端點(diǎn)強(qiáng)制固定在六邊形上, 同時(shí)未超出六角形部分仍保留為圓形, 因此, 最后V ref 的端點(diǎn)軌跡為ab 段圓弧、bc 段直線、cd 段圓弧. 對(duì)端點(diǎn)軌跡未超出六角形的部分, 作用時(shí)間仍按照式(2

11、 計(jì)算, 對(duì)端點(diǎn)軌跡強(qiáng)制固定至六角形的部分, 作用時(shí)間推導(dǎo)如下:對(duì)于圖5中三角形V 0V 8b , 由正弦定理得sin (+3 =sin 2(3 圖5過調(diào)制軌跡示意圖式中, |V 0V 8|=2E , |V 0b |=V , 代入式(2 、(3 得V =2sin +3(4 根據(jù)等效原則并將式(4 代入式(2 可得V 1, V 7, V 8間為t 8=sin 3+T s t 7=2sin sin +3T s -T st 1=T s -t 8-t 7(5由以上分析可知, 改進(jìn)的空間電壓矢量PWM 方法中需要對(duì)電壓矢量軌跡是否超出六角形進(jìn)行判斷, 然后分別對(duì)應(yīng)地應(yīng)用式(2 和式(5 計(jì)算矢量作用時(shí)間

12、.3仿真研究為驗(yàn)證上述改進(jìn)算法的正確性, 在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn). 基本參數(shù)為:三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為212kW , 額定電壓為380V , 頻率為50H z , 定子電阻為3118, 電感為10 1 304 mH , 轉(zhuǎn)子電阻為11308, 電感為7162mH , 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為01089kg m 2, 極對(duì)數(shù)為2; 直流側(cè)電感為4700F ; 采樣周期T s =2ms , E d =400V. 仿真結(jié)果如圖6和圖7所示.圖6正常PW M 調(diào)制輸出線電壓及電流波形圖7過調(diào)制輸出線電壓及電流波形圖181增刊李明等:一種改進(jìn)的三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術(shù)

13、圖6為正常PW M 調(diào)制輸出線電壓及電流波形, 給定參考電壓346V , 頻率50H z , 調(diào)制比01866. 圖6(a 為異步電動(dòng)機(jī)定子AB 間線電壓波形, 從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)定子線電壓有±400,0和±200V 五種電平. 圖6(b 為異步電動(dòng)機(jī)定子三相電流波形, 從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)定子電流最大幅值為912A , 而且三相電流波形是非常好的正弦波.圖7所示為過調(diào)制輸出線電壓及電流波形圖, 給定參考電壓為367V , 頻率為50H z , 調(diào)制比為01911. 圖7(a 為異步電動(dòng)機(jī)定子AB 間線電壓波形. 圖7(b 為異步電動(dòng)機(jī)定子三相電流波形, 從圖中可以看出電

14、動(dòng)機(jī)定子電流最大幅值為819A , 而且三相電流波形接近正弦.4結(jié)論本文根據(jù)三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制原理, 針對(duì)過調(diào)制問題, 提出了一種改進(jìn)的空間電壓矢量PW M 控制技術(shù). 該方法能夠有效地抑制諧波, 提高電壓的利用率, 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性.參考文獻(xiàn)(R eferences 1Halase Sandor. Optimal control of three 2level PW M inverterJ.44(1 :99106.2鐘彥儒, 高永軍, 曾光. 采用空間電壓矢量PW M . 2000,34(1 :1013.Zhong Y anru , G ao Y ongjun , Z eng G uang. S tudy on three 2vector PW M method J.Power Electronics , 2000, 34(1 :10