基于空间电压矢量脉宽调制的.doc

肃肄芃蚄罿肃莆蒆袅肃薈蚂袁肂芇薅螇肁莀螀肆肀蒂薃羂聿薄螈袈肈芄薁螄膇莆螇蚀膇葿薀羈膆膈螅羄膅莁蚈袀膄蒃袃螆膃薅蚆肅膂芅葿羁芁莇蚄袇芁蒀蒇螃芀腿蚃虿艿莂蒆肇芈蒄螁羃芇薆薄衿芆芆蝿螅芅莈薂肄莅蒀螈羀莄薃薀袆莃节螆螂罿蒅蕿螈罿薇袄肇羈芇蚇羃羇荿袂衿羆蒁蚅螅羅薄蒈肃肄芃蚄罿肃莆蒆袅肃薈蚂袁肂芇薅螇肁莀螀肆肀蒂薃羂聿薄螈袈肈芄薁螄膇莆螇蚀膇葿薀羈膆膈螅羄膅莁蚈袀膄蒃袃螆膃薅蚆肅膂芅葿羁芁莇蚄袇芁蒀蒇螃芀腿蚃虿艿莂蒆肇芈蒄螁羃芇薆薄衿芆芆蝿螅芅莈薂肄莅蒀螈羀莄薃薀袆莃节螆螂罿蒅蕿螈罿薇袄肇羈芇蚇羃羇荿袂衿羆蒁蚅螅羅薄蒈肃肄芃蚄罿肃莆蒆袅肃薈蚂袁肂芇薅螇肁莀螀肆肀蒂薃羂聿薄螈袈肈芄薁螄膇莆螇蚀膇葿薀羈膆膈螅羄膅莁蚈袀膄蒃袃螆膃薅蚆肅膂芅葿羁芁莇蚄袇芁蒀蒇螃芀腿蚃虿艿莂蒆肇芈蒄螁羃芇薆薄衿芆芆蝿螅芅莈薂肄莅蒀螈羀莄薃薀袆莃节螆螂罿蒅蕿螈罿薇袄肇羈芇蚇羃羇荿袂衿羆蒁蚅螅羅薄蒈肃肄芃蚄罿肃莆蒆袅肃薈蚂袁肂芇薅螇肁莀螀肆肀蒂薃羂聿薄螈袈肈芄薁螄膇莆 袁衿膄薁薀肄肀蚀蚃袇荿虿螅肂芅蚈袇袅芁蚈蚇膁膇芄蝿羃肃芃袂腿莁节薁羂芇节蚄膇膃莁螆羀聿莀袈螃莈荿薈羈莄莈螀螁芀莇袃肇膆莆薂衿肂莆蚄肅莀莅螇袈芆蒄衿肃膂蒃蕿袆肈蒂蚁肁羄蒁袃袄莃蒀薃膀艿蒀蚅羃膅葿螈膈肁蒈袀羁莀薇薀螄芅薆蚂罿膁薅螄螂肇薄薄羇肃薄蚆袀莂薃螈肆芈薂袁衿膄薁薀肄肀蚀蚃袇荿虿螅肂芅蚈袇袅芁蚈蚇膁膇芄蝿羃肃芃袂腿莁节薁羂芇节蚄膇膃莁螆羀聿莀袈螃莈荿薈羈莄莈螀螁芀莇袃肇膆莆薂衿肂莆蚄肅莀莅螇袈芆蒄衿肃膂蒃蕿袆肈蒂蚁肁羄蒁袃袄莃蒀薃膀艿蒀蚅羃膅葿螈膈肁蒈袀羁莀薇薀螄芅薆蚂罿膁薅螄螂肇薄薄羇肃薄蚆袀莂薃螈肆芈薂袁衿膄薁薀肄肀蚀蚃袇荿虿螅肂芅蚈袇袅芁蚈蚇膁膇芄蝿羃肃芃袂腿莁节薁羂芇节蚄膇膃莁螆羀聿莀袈螃莈荿薈羈莄莈螀螁芀莇袃肇膆莆薂衿肂莆蚄肅莀莅螇袈芆蒄衿肃膂蒃蕿袆肈蒂蚁肁羄蒁袃袄莃蒀薃膀艿蒀蚅羃膅葿螈膈肁蒈袀羁莀薇薀螄芅薆蚂罿膁薅螄螂肇薄薄羇肃薄蚆袀莂薃螈肆芈薂袁衿膄薁薀肄肀蚀蚃袇荿虿螅肂芅蚈袇袅芁蚈蚇膁膇芄蝿羃肃芃袂腿莁节薁羂芇 基于空间电压矢量脉宽调制的三电平整流器研究窦真兰1 俞倩兰1 薛冲21. 常熟理工学院 2. 西门子电力自动化有限公司摘要：在三电平中点钳位式整流器数学模型建立的基础上，采用基于d-q轴前馈解耦控制策略对三电平整流器进行控制。为了避免三电平整流器不同区域矢量在扇区切换中输出矢量突变，提出了一种首发矢量全部采用负小矢量的空间矢量调制算法，并给出了参考电压矢量相应的输出电压矢量作用顺序，推导了三角形顶点各开关电压矢量的作用时间。基于检测到的三相输出电流、中点电流方向和直流侧电容电压，提出了利用冗余电压矢量精确控制中点电位平衡的策略，并用试验结果验证了其控制策略和调制算法的正确性。关键词： 三电平NPC整流器 空间矢量脉宽调制 前馈解耦 中点电位平衡控制Three-level Rectifier Research Based on Space Vector Pulse Width ModulationDou Zhenlan Yu Qianlan Xue ChongAbstract: Based on the mathematical model of the three-level NPC rectifier, a high performance control method based on d-q axis feed-forward decoupling control strategy is presented. In order to avoid the abrupt change of output voltage vectors, a novel space vector modulation algorithm is proposed, which negative small vectors are adopted as first active ones. Action Sequences of output voltage vectors to synthesize the desired vector are given and the duty time of active vector corresponding triangle vertex is deducted. The neutral point potential stability is realized by detecting three phase AC side current and the direction of neutral point current and capacitance voltage and assigning the real effect time of positive and negative space vectors in reason. Finally the correctness of proposed SVPWM method is confirmed by experiment results.Keywords: three-level NPC rectifier SVPWM feed-forward decouple neutral-point-potential control 1 引言目前治理这种公共电网功率因数低和谐波危害的根本措施是要求变流装置实现网侧电流正弦化，并运行于单位功率因数。三电平中点箝位式NPC（neural-point-clamped）整流器可4象限运行，能量双向流动，实现了网侧电流正弦化，还可以运行于单位功率因数，真正实现“绿色电能变换”，因此在高电压、大功率场合得到广泛的应用，如SVG，APF，UPFC，SMES，HVDC，ED，新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等1,2。本文在开关函数和空间矢量的概念基础上3，引入交流电机统一理论中的空间坐标变换矩阵，建立了三电平NPC整流器的数学模型。在其基础上，提出一种新型的三电平PWM整流器的控制策略基于d-q轴前馈解耦控制，论述了空间矢量脉宽调制（SVPWM）的原理及实现方法。基于开关损耗的基本原则和对三电平冗余开关矢量的不同处理，提出一种最优的空间矢量调制算法，即所有输出矢量的首发矢量全部采用负小矢量。在该SVPWM算法基础上，根据检测到的三相输出电流、中点电流方向和直流侧电容电压，提出了一种精确控制中点电位平衡策略，使得直流电容电压的平衡调节不受整流器功率因数过低和功率流向的影响，始终以较快的速度保持直流侧电压的平衡。2 三电平NPC整流器的数学模型及其控制三电平NPC整流器主电路如图1所示。在理想情况下，Vdc1= Vdc2= Vdc/2。根据主电路结构，交流侧A相桥臂上输出电压有3种状态：输出电压VAn=Vdc/2 (T1a，T2a导通)，定义为P（1）状态；输出电压VAn=0 (T2a，T3a导通)，定义为O（0）状态；输出电压VAn= -Vdc/2 (T3a，T4a导通)，定义为N（-1）状态。图1 三电平NPC整流器主电路三电平PWM 整流器的工作本质在于通过T1jT4j（j=a,b,c）的优化，使得交流侧的线电流，正弦化，功率因数接近于1，同时保证直流侧输出电压Vdc平衡，使系统能工作在再生状态，将能量从直流侧反馈到电网中去。为了便于推导数学模型，可将开关函数进一步分解。以A相开关函数为例，如图2所示。可以得到：If then ，；If then ，；If then ，；其中，的约束关系为：。图2 Sa开关函数分解为了控制策略便于实现，利用坐标变换，建立相应坐标系下的数学模型。根据基尔霍夫定律，列出ABC 三相静止坐标系下的数学模型，见式（1）。利用三相静止/两相静止坐标变换矩阵，将其变换为-坐标系的数学模型；在此基础上，再利用两相静止/两相旋转坐标变换矩阵，得到d-q 两相旋转坐标系下的三电平整流器数学模型，如式（2）所示。式中：，Vm为相电压峰值。 三电平NPC整流器的控制，关键在于对交流侧电流的控制4,5，本文对三电平整流器SVPWM系统采用双闭环控制，如图3所示。直流电压Vdc作为给定输入，Ud和Uq作为控制器输出，电网扰动电压ed和eq作为前馈补偿，引入电流状态反馈LS id和LS iq进行前馈解耦，则两轴电流可实现独立控制。图3 三电平整流器双闭环控制系统框图3 三电平整流器电压空间矢量调制原理及其实现在功率守恒条件下，定义桥臂终端电压合成空间矢量为 （3）由于三电平整流器开关器件的状态共有27种，则共有27个空间电压矢量，如图4所示。假设中点电位平衡，根据开关矢量幅值大小，开关矢量可以分为4 类：小开关矢量（幅值为）、中开关矢量（幅值为）、大开关矢量（幅值为）和零开关矢量（幅值为0）。SVPWM调制的首要任务是判断参考电压矢量位于某个扇区以及该扇区中的某个小三角形，其次是确定空间电压矢量作用顺序以及计算对应的作用时间6, 7。3.1 参考电压矢量所处具体位置判断如图4所示，通常利用参考电压矢量的相角，进行/60，然后取整，将整个空间平均划分为6个大扇区，编号分别为I-，该法涉及到复杂的反三角计算。为了使计算方便，根据参考电压矢量在-极坐标上的分量U和U，设定相应的规则，进行判断。图4 三电平整流器空间电压矢量图3.2 空间电压矢量作用顺序确定由于采用4段式的SVPWM方法输出的电压谐波含量较高，本文在每个PWM周期内采用7段式对称PWM脉冲信号来控制三电平整流器工作，同时为了保证不同区域的矢量在相互转换过程中矢量变化较小，选取起始矢量为6个负小矢量。其中T0，T1，T2分别为任何一个区域中的第一个开关矢量作用时间、第二个开关矢量作用时间、第三个开关矢量作用时间。以第扇区为例，空间电压矢量作用顺序如表1所示。通过分析，其它扇区的空间电压矢量作用顺序与扇区类似。表1 第扇区的空间电压矢量作用顺序区域T0/4T1/2T2/2T0/2T2/2T1/2T0/4D2 右半部分V2nV0V3pV2pV3pV0V2nD2 左半部分V3nV2nV0V3pV0V2nV3nD8右半部分V2nV8V3pV2pV3pV8V2nD8 左半部分V3nV2nV8V3pV8V2nV3nD15V2nV8V14V2pV14V8V2nD16V3nV15V8V3pV8V15V3n3.3 合成参考电压矢量作用时间计算在确定出开关矢量的作用顺序后，还需计算每个开关矢量相应的作用时间。如果利用和，在极坐标下计算，可以避免大量的三角函数计算和数据的存储。假设参考电压矢量处于扇区的D2三角形，根据NTV原则，则： （4）其中t1, t2, t0为矢量V2，V3，V0相应的作用时间；为空间矢量调制周期。将V2、V3、V0在坐标系中的表达式带入式（4），可得：则 （5） 对于扇区的其它小三角形，按照以上过程，确定矢量作用顺序，计算三角形顶点开关矢量作用时间。同理，可以计算出其他扇区内各三角形顶点开关矢量作用时间。4 中点电位平衡控制策略三电平整流器在运行中必须保证中点电位的平衡，否则会出现偶次谐波，部分开关器件所承受的电压应力将会增大，不利于整流器的安全运行，引起了越来越多的关注711 。在三电平整流器的空间矢量中，零矢量对应的开关状态，无中点电流流过。大矢量对应的开关状态使三相输入和正负母线相连，与中点没有连接，所以不影响中点电流。中矢量对应的开关状态，其中点总是与某相电流相连，且电流总是从交流侧流入中点，所以对中点电流的影响是不可控的，其影响主要取决于该相的导通时间和负载功率因数。小矢量对应的开关状态中：正小矢量使得V=Vdc1Vdc20低；小矢量使得V=Vdc1Vdc20，中点电位升高。根据检测到的中点电位差和直流侧中点电流方向，得到中点电位的控制规律，如表3所示。表2 中点电位控制规律inVdc1-Vdc20000=0=000000=0=0000基于控制因子的滞环比较策略的原理为：在保证小矢量作用总时间不变的前提下，根据中点电位的控制规律，重新合理安排正负小矢量作用时间，控制中点电位的不平衡。以第扇区的第一区域D1 （003）为例，优化后的开关矢量序列为：（V1nV2nV1pV0V2nV1n）。V1矢量作用时间t1：t1= t1p+ t1n，其中为V1p的作用时间，t1n为V1n的作用时间。引入中点控制因子(-11)，重新分配矢量的作用时间： 由于的不确定，该策略不能充分发挥正负小矢量对中点电位的补偿作用，对中点做出精确的补偿。在此基础上，根据直流侧电容电压大小和三相交流输出电流，提出一种基于控制因子f的准确计算控制策略：通过准确计算正、负小矢量的时间分配因子f（-1f1），使得每个开关周期内流入中点的总电荷为零，从而实现中点电位平衡的准确控制。定义正小矢量对应电流方向与中点电流方向一致，引入时间分配因子f，则正小矢量的作用时间为：Tf 0p=(1+f )Tf 0/2，负小矢量的作用时间为Tf0n=(1f)Tf0/2，则主控小矢量流入中点的总电荷为：Qf0=Qf0pQf0n=fTf0ixn，其中ixn表示与该小矢量相对应的某相电流ixn=（ia，ib，ic）。相邻小矢量流入中点的电荷为Qf1，中矢量流入中点的电荷为Qm；为了保证中点电位平衡，必须保证流入中点的总电荷为零：Qf0+Qf1+Qm=0。以第扇区为例（如图5所示），时间分配因子f 的计算如表3所示。由于基于控制因子f的准确计算策略是建立在其中点电位没有漂移上计算的。 如果由于其它因素导致中点漂移，则此算法不具有将中点电位拉回平衡点的能力。为了弥补中点漂移缺陷，采用基于控制因子f的准确计算与基于控制因子的滞环比较相电压结合的控制策略，实现了中点电位的准确控制，具体实现如下：设定电压误差滞环Vsef，如果中点电位的实际偏差VVsef，采用基于控制因子的滞环比较策略。图 5 包含中点电流大小和方向的矢量作用时间分配表3 扇区的中点电位控制因子区域123456f5 仿真结果根据三电平NPC整流器数学模型和控制策略，验证本文提出的三电平空间矢量调制算法及其中点电位控制策略的有效性，针对三相电阻负载进行了仿真研究，仿真参数和试验波形如下。电网参数：Em=200 V，f=50 Hz；AC参数：LS=10 mH，RS=0.1 。DC参数：C1 =C2 =900 F，Ro=50 。输出功率：Po=2.6 kW，=0.9，Vdc=380 V。开关频率：fS=10 kHz，采样频率：fN=10 kHz。图6图11为仿真试验结果波形图，分析可知，系统在0.05 s后达到稳定，直流电压为380 V，有功电流为10 A，无功电流为0 A，输入电压与输入电流同相位，功率因数接近为1。对直流侧电压和交流侧电流的频谱进行分析，直流电压的THD为0.97%，交流侧电流THD为2.89%，高次谐波有所抑制。另外对采用中点控制策略的中点电位差波形进行了比较，发现采用控制策略后，中点电位偏差在-1.5 V和1.5 V之间波动，波动很小。图6 直流侧电压波形 图7 交流侧A相电压波形和电流波形图8 直流侧有功电流波形图9 直流侧无功电流波形图10 控制前的中点电位差波形图11 控制后的中点电位差波形根据仿真结果验证三电平整流器的控制策略和SVPWM是切实可行的，采用给出的中点电压控制策略后，中点电位的波动得到了有效的控制。6 结论本文在三电平NPC整流器的系统数学模型建立的基础上，提出了基于d-q轴前馈解耦控制策略，采用了首发矢量全部为负小矢量的SVPWM调制算法，以及基于控制因子的滞环比较与基于控制因子f的准确计算相结合的中点控制策略，精确地控制了中点电流，实现了直流侧中点电位的平衡。通过仿真，证明此控制策略与调制算法一致，简单易行，有利于计算机数字化实现，具有较高的应用价值。参考文献1 Nabae A N,Takahashi, Akagi H. A New Neutral-Point-Clamped PWM InverterJ.IEEE Trans.on Ind Appl, 1981,IA17(5):5185232 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，20033 詹长江.三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析.中国电机工程学报,1999,19（7）：45484 Y Ye, Kazerani M, Quintana V H. A Novel Modeling and Control Method for Three-phase PWM ConvertersC .IEEE PESC01C,Vancouver, Canada,2001,6(1):1021075 Schiop A, Popescu V. A Control Scheme for Three Level InverterC,ISSCS, Iasi. Romania,2005,7(2):461464 6 Xue zhi Wu，Yadong Liu.A Novel Space Vector Modulation Algorithm for Three-level PWM Voltage Source InverterC. IEEE TENCON ,2002,3(10):1 9741 977 7 宋文祥，陈国呈一种具有中点电位平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现J.中国电机工程学报，2006,6(12):95100 8 宋文祥，丁肖宇.三电平逆变器空间矢量脉宽调制及其实现J.电力电子技术，2005,39(5):10129 Nikola Celanovic. A Comprehensive Study of eutral-Point Voltage Balancing Problem in Three-Level Neutral-Point-Clamped Voltage Source PWM InvertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15 (2):24224910 Alonso O, Marroyo L. Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM ModulationC.IEEE IECON, Sevilla.Spain,2002, 2(11)：920925 11 Ma Chang su，Kim Tae Jin. A Simple Control Strategy for Balancing the DC-link Voltage of Neutral-point-clamped Inverter at Low Modulation IndexC.IEEE IECON,Virgi