（电力电子与电力传动专业论文）三电平svpwm算法研究及仿真.pdf

m e t h o da n ds i m u l a t i o no ft h r e e l e v e ls v p w m c o n t r o ls t r a t e g y a bs t r a c t r e c e n t l y , t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h r e e l e v e l m e d i u mv o l t a g e f r e q u e n c vi n v e r t e rh a sw i d e l yb e c o m et h eh o t s p o ti n t h ea r e ao fm o t i o n c o n t r 0 1 t h r e e l e v e li n v e r t e rm a k e s ah i g h p o w e ra n dh i g h p e r f o r m a n c e v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e rp o s s i b l e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d ya n d d e s i g n t h et h r e e 1 e v e li n v e r t e rb o t h i nt h et h e o r ya n di nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h i s p a p e rf i r s t l y d e s c r i b e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h r e e l e v e l i n v e r t e r s ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs p a c e - v e c t o r - p w m s e c o n d l y , i ta n a l y s e st h ec o m m o nm e t h o d o fs v p w m ，p r o v i d e st w o s i m u l a t i o nm e t h o d sf o re v e r yi m p o r t a n tm o d e l ，s u m m a r i z e st h es i m u l a t i o n s k i l l s a t1 a s t b a s e do nt h er e s e a r c ho fm a n yd i f f e r e n tm e t h o d so fs v p w m ，t h i s p a p e rp r o v i d e san e wm e t h o d ，a n dg i v e si t s i m u l a t i o nt op r o v e1 t sc o r r e c t n e s s a n df e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：d i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r ，s v p w m ，s i m u l a t i o n i i i 图2 一 图2 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 插图清单 1 三电平二极管箝位式拓扑结构6 2 三电平基本空间矢量图9 1 传统算法区域划分1 1 2 传统算法小区域判断1 1 3 七段式s v p w m 波形( i 大区1 小区) 16 4 参考电压矢量仿真图1 7 5 大区域判断仿真图1 8 6 小区域判断仿真图( 组合法) 1 9 7 小区域判断仿真图( 逻辑法) 1 9 8i 大区1 小区作用时间仿真图2 0 9 时间逻辑关系仿真图2 1 1 0 七段式触发波形( i 大区1 小区第一相) 2 2 11 七段式触发波形仿真图( 直接法) 2 3 1 2 七段式时间分配仿真图2 3 13 矢量状态次序仿真图( i 大区1 小区) 2 5 1 4 矢量状态次序仿真图( i 大区) 2 5 1 5 矢量状态次序仿真图( 整个区域) 2 6 1 6 矢量状态与开关状态的对应关系2 6 1 7 每相开关器件编号2 7 1 8 矢量状态转化为开关状态的仿真图2 7 1 9 三电平逆变器仿真图( 器件法) 2 8 2 0 三电平逆变器仿真图( 原理法) 2 9 2 1 区域判断仿真结果2 9 2 2 梯形波m 仿真结果3 0 2 3 负载端仿真结果3 0 l 工作模式算法区域划分3 3 2a c 模式转换角的计算3 3 3 三电平分解为两电平的基本空间矢量图3 4 46 0 。坐标系下的三电平空间矢量图3 6 5 虚坐标系3 7 6 三电平基本空间矢量图( 新算法区域划分) 3 9 7 新算法区域判断仿真图4 3 8 新算法区域判断仿真结果( 整体) 4 4 9 新算法区域判断仿真结果( 局部) 4 4 1 0 新算法负载端仿真结果4 5 v i i 表格清单 表2 1 三电平基本矢量类型9 表3 1 基本矢量作用时间表1 3 表3 2 矢量状态次序表1 5 表3 3 基准时间表2 1 表3 4 矢量状态次序仿真数据表2 4 表4 1 各区域修正值表3 5 表4 2 区域判断条件4 0 表4 3 区域编码表4 1 表4 4 编码数值表4 2 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金理王些太堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 一 ，、 学位论文作者签字钨肜诅签字日期：磁f 月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权金旦巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名么硇 导师签名 t 芴莎址 签字日期：知硌年f 月，尹日 签字日期：沙。旷年t 月l 丫- e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 首先感谢合肥工业大学为我提供了攻读硕士学位的机会和条件。 本课题的开展从论文的立题到撰写都是在导师苏建徽教授的精心指导 下完成的。在课题进行当中，导师提出了许多富有建设性的意见和建议， 为本论文的顺利完成提供了各种有利条件。两年多来，导师不仅在学业上 给我以教诲，在生活中也给了我无微不至的关怀，他渊博的学识、敏锐的 思维、雷厉风行的工作作风和乐观豁达的生活态度使我受益匪浅，终生难 忘。在本文完成之际，谨对辛勤培育我的导师致以崇高的敬意和至诚的感 谢。 在课题的进行中，还得到了张国荣等其他能源所老师的指导和多位同 学的帮助，他们对本论文的撰写提供了很多意见，在此也向他们表示诚挚 的谢意。 最后向我的父母亲朋及所有关心、帮助和鼓励我的老师和同学们表示 诚挚的感谢。 作者：李启明 2 0 0 7 年12 月 i v 第1 章绪论 1 1 三电平技术研究意义 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。2 0 世纪7 0 年代 以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能 技术的广泛关注。我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业 生产和人民生活发展的需要。由于缺电，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的 经济损失；在能源十分紧张的情况下，浪费现象仍十分严重。例如，在工业用 电中，高压大功率电机拖动的风机、水泵占很大比例，这些设备每天都在消耗 大量的电能。如果采用高压大容量变频调速装置拖动交流电机，对降低单产能 耗具有重大意义。在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路及船舶等工业和生活领域 中也广泛使用大中容量高性能交流电机调速系统。此时，交流调速系统的应用 可改善工艺条件，实现整个系统的性能最佳，并大大提高生产效率和产品质量。 另外，解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工具( 如电力机车、城市 地铁和轻轨) ，其核心也是大容量交流电机调速技术。 然而，随着交流调速及电力电子装置等非线性设备在工业、交通及家电中 的大量应用，电网中的无功和谐波污染日益严重。电力系统中的无功和谐波降 低了电能的生产、传输和利用的效率，同时降低了电器设备运行的可靠性，严 重时损坏设备、危及电网的安全。以柔性交流输电系统( f a c t s ) 技术为代表 的大功率电力电子技术，在电力系统中的应用可大幅度改善电力系统可控性及 可靠性，提高输电线路的传输能力及系统的安全稳定性。在柔性交流输电系统 中，采用高压大容量电力电子装置构成的无功补偿和电力有源滤波器无疑是一 个发展趋势。 从2 0 世纪9 0 年代以来，以高压i g b t 、i g c t 为代表的性能优异的复合器 件的发展引人注目，并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构， 成为国内外学者和工业界研究的重要课题，使得传统上在大功率应用领域中占 主导地位的s c r 、g t o 及其变换器结构受到强有力的挑战。在工业发达国家， 兆瓦级的高压多电平逆变器已有产品大量投入市场，并应用于电力机车牵引、 船舶电力推进、轧钢、造纸、油气田、无功补偿等高性能系统中。我国也有不 少单位在研究、开发和引进高压大容量多电平变换器的技术和设备。 三电平逆变器的结构较简单，其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成 多电平逆变器结构中的一个特例，它的中点钳位及维持中点电位动态平衡技术、 功率器件尖峰吸收缓冲电路、p w m 算法简化及控制策略、高压功率器件的驱 动及系统的工作电源等也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题。从目前功 率开关器件发展的水平来看，短时间还不可能出现耐压上万伏的器件，多电平 技术是解决高压大功率变频调速的一个有效途径，同时在当前电力系统高压直 流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。因此，本 课题以二极管钳位的三电平逆变器作为研究对象，深入地研究其p w m 算法及 控制策略，系统地研究其电路组成和控制原理，对三电平技术乃至多电平技术 的工程应用都有重要的意义。 1 2 三电平技术简介 1 2 1 定义 三电平变换器( t r e e l e v e li n v e r t e r ) 的桥臂上有4 个电力半导体器件，它通 过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，可以 使波形更加接近正弦波。 1 2 2 拓扑结构 三电平拓扑结构种类较多，大致可以分为：二极管钳位型、飞跃电容型和 独立直流电源级联多电平三种拓扑结构，其中二极管钳位型多电平拓扑结构运 用最广泛。它能有效地提高换流系统的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗， 在电力系统的大功率应用中受到普遍的重视。 1 2 3 控制算法 目前三电平逆变器的主要控制方法有消谐波p w m 法，开关频率最优p w m 法和空间矢量p w m 法等。在这些方法中，空间电压矢量法是较为优越和应用 广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内有很好的性能，无须其它 控制方法所须的大量角度数据，母线电压利用率高等。控制方法的研究是三电 平逆变器研究的一个热点问题。 1 2 4 优缺点 三电平电路具有如下优点 ( 1 ) 任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降减小，更适合大容量 高电压的场合。 ( 2 ) 可产生多层阶梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似 的正弦波，理论上提高电平数可接近标准正弦波形、谐波含量很小。 ( 3 ) 电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻，因为开关元件一次动作的d v d t 通常 只有传统双电平的一半。 ( 4 ) 效率高。消除同样谐波，两电平p w m 控制法开关频率高、损耗大， 而三电平逆变器可用较低频率进行开关动作，损耗小、效率提高。 ( 5 ) 主要高次谐波远高于开关频率。 然而，三电平变换器也并非毫无缺陷，它的主要缺点为 ( 1 ) 需要较多的开关器件。 ( 2 ) 控制算法复杂。 ( 3 ) 存在电位不平衡问题。 1 2 5 产生背景 19 8 0 年，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人在i a s 年会上首次提出中点钳 2 位式( n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ) 逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制 开辟了一条新思路，其后在高压大功率变频调速方面得到了广泛的应用。尽管 a n a b a e 未明确提出多电平变换器的概念，但该逆变器本身就是二极管钳位三 电平变换器( d i o d e c l a m p e d 3 l e v e l c o n v e r t e r ) 的雏形，是多电平变换器的基础。 在过去两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并 联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件 的开关特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低， 使这种方案非常麻烦甚至很难实现。许多情况下也采用交一直一交变频方式， 在这种方式中，或是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大功率，或 是在交流输入侧和交流输出侧分别采用低压变换器。很明显，以上两种方法均 采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现中间环节电流 过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多缺点，人们希 望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件提出了更高的要求，特 别是需要承受很高的电压应力，因此，人们提出了一种通过变换器自身拓扑结 构的改进，达到既无需升降压变压器，又无须均压电路的多电平变换器。 多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统 逆变器较高的d v d t ，d i d t 所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路拓 扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善输 出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角度， 它更适合于大功率场合。 多电平逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波 频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，且无需均压电路，开关器件在输 出电压基频以下开关损耗小，可避免大的d v d t 所导致的各种问题。尤其是八 十年代以来，以g t o ，i g b t 为代表的第三代电力电子器件，以及以d s p 为代 表的智能控制新片的迅速普及，为这种新型多电平变换器的研究和实际应用提 供了必要的物质基础。 1 2 6 研究现状 基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路已 进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为多电平逆变器 是建立在三电平逆变器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而成的。电平数越 多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少。但这 种理论上可达到任意n 电平的多电平逆变器，在实际应用中由于受到硬件条件 和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下，并不追求过高的电平数， 而以三电平最为实际。国外也有对七电平及更高电平的研究，但都还不成熟， 特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。 1 2 7 发展前景 3 三电平逆变技术在国外已逐步进入实用阶段，但国内还处于萌芽状态，有 大量的工作需国内研究者去做，且市场需求旺盛。随着新型电力电子器件及d s p 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显身手。i g c t 和高压i g b t 等新型器件近来的发展使p w m 逆变器在工业及牵引应用中成本 降低的同时性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电g t o 逆变 器正逐渐被使用i g c t 及i g b t 的两电平或三电平p w m 逆变器所取代，随着减 少电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。 1 3 本文的主要内容 ( 1 ) 对三电平技术及多电平技术进行了综述，研究了三电平技术的产生背景、 研究现状以及发展前景，提出研究三电平技术的重要意义。 ( 2 ) 介绍了二极管箝位式三电平拓扑结构的特点和工作原理，以及三电平 s v p w m 控制技术的基本原理和实现步骤。 ( 3 ) 介绍了用传统算法实现三电平s v p w m 控制的方法和步骤，每个步骤都 进行了详细的逻辑判断和计算推导，并说明了实现原理或理论依据，给出了最 终的判断和计算结果。 ( 4 ) 对传统三电平s v p w m 算法进行了m a t l a b 仿真。总结归纳了传统算法 仿真技巧，对每个主要的仿真模块都提出了两种仿真方法，并对这两种方法进 行比较，提出各自的特点。从而说明即使是同一种三电平s v p w m 算法，用 m a t l a b 对其实现仿真的方式和方法也可以有很多，体现了仿真技巧的多样 性。 ( 5 ) 总结归纳了三电平s v p w m 多种不同的算法，并对它们分类，形成三电 平s v p w m 算法体系。阐述了多种算法之间的主要不同点，并提出了各自算法 的特点。从而说明即使都是三电平s v p w m 控制技术，也存在着多种不同的实 现方法，也可以说是多种不同的算法，体现了三电平s v p w m 算法的多样性。 ( 6 ) 在理解掌握多种不同的三电平s v p w m 算法的基础上，设计了一种新的 三电平s v p w m 算法。介绍了新算法的设计思路和过程，对每一个步骤都进行 了详细的说明和推导。新算法采用一次性判断区域，比传统算法结构简单。新 算法还适用于更多电平的系统，具有很好的延展性。 ( 7 ) 对新算法进行m a t l a b 仿真，仿真结果与传统算法一致，说明了新算法 的正确性和可行性。 4 第2 章三电平基本理论 2 1 三电平拓扑结构 2 1 1 概述 三电平逆变器是多电平逆变器的最基本结构。它不但结构简单，应用广泛， 而且控制策略也比较简单，是分析研究多电平逆变器的基础，其它多电平逆变 器均是以三电平逆变器作为基本单元，按类似的拓扑结构拓展而成。总的说来， 三电平逆变器的基本拓扑结构包括二极管箝位式、飞跃电容式、带分离直流电 源串联式。 三电平逆变器的各种拓扑结构都有一些共同优点，比如它们都适合大容量、 高电压变频场合；由于开关器件在较低的工作频率下可以获得较好的波形，因 此开关损耗低，效率高；电路的电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻等。 但是，带分离直流电源串联式电路拓扑需要独立的直流电源，限制了它的 应用；飞跨电容式电路拓扑电容数目增加带来诸多不便，且它进行有功功率传 输时，控制复杂。因此，本文选用二极管钳位式拓扑结构作为三电平逆变器的 主电路。 2 1 2 二极管箝位式拓扑结构原理 二极管钳位式逆变器是由长冈科技大学学者n a b a e 等人于19 8 0 年提出， 是提出最早也是研究最为广泛的三电平逆变器，又称中点钳位式 ( n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ) 逆变器( n p ct h r e e l e v e li n v e r t e r ) ，它以跨接在每相桥 臂上的两个串联的二极管钳位。以n 电平为例，该拓扑每相需要开关器件2 ( n 1 ) 个，直流分压电容n 一1 个，钳位二极管数目为2 ( n 2 ) 个，每2 个串联后 分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间即可。 相对于两电平逆变电路而言，优势明显：开关管上的电压应力只有直流母 线电压值的一半；开关动作一次的d v d t 只有两电平的1 2 ，e m i 问题大大减轻； 电路输出电压谐波含量大大减少，波形质量提高。 q 图2 1 三电平二极管箝位式拓扑结构 如图2 1 所示，每一相都需要4 个主开关器件、4 个续流二极管、2 个箝位 二极管，当t l 和t 2 同为导通时，输出端a 对o 点的电平为v d c 2 ；当t 2 和 t 3 同为导通时，输出端a 和o 点相连，因此它的电平为o ；当t 3 和t 4 同为导 通时，输出端a 对o 点的电平为v d c 2 ，所以每相桥臂能输出三个电平状态， 由三相这种桥臂组成的变换电路就叫做二极管箝位式三电平逆变器。 一相桥臂电路的稳态工作情况具体叙述如下： 开关管t 1 和t 2 同时导通时，t 3 和t 4 同时关断，若电流从逆变电路流向 负载，即从p 点经由t 1 和t 2 到达输出端a ，忽略开关器件的正向导通压降， 输出端a 的电位等同于p 的电位，即v d c 2 ；若电流从负载流向逆变电路，这 时电流从a 分别经过续流二极管d 2 、d 1 流进p 点，这时输出端a 的电位仍等 同于p 的电位。 开关管t 2 和t 3 同时导通时，t 1 和t 4 同时关断，同上分析类似：若电流 从逆变电路流向负载，即从中性点o 点经由箝位二极管d 5 和开关器件t 2 到达 输出端a ，输出端a 的电位等同于o 点的电位，即0 电位；若电流从负载流向 逆变电路，这时电流从a 分别经过t 3 和箝位二极管d 6 流进o 点，这时输出端 a 的电位仍等同于o 点的电位。 开关管t 3 和t 4 同时导通时，t 1 和t 2 同时关断，分析如下：若电流从逆 变电路流向负载，即从负电位n 点分别经过续流二极管d 4 、d 3 到达输出端a ， 输出端a 的电位等同于n 的电位，即v d c 2 ；若电流从负载流向逆变电路，这 时电流从a 分别经过主开关管t 3 和t 4 流进n 点，忽略开关器件的正向导通压 降，这时输出端a 的电位仍等同于n 的电位，即v d c 2 。 需要注意的是，根据上面分析的工作原理，主开关管t l 和t 4 不能同时导 6 通，且t 1 和t 3 ，t 2 和t 4 的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每 个主开关管所承受的正向阻断电压为v d c 2 ，这也是三电平逆变器的基本控制 规律之一。另外，每相桥臂中间的两个主开关管导通时间最长，导致发热量也 多一些。因此世纪系统散热设计应以这两个主开关管为准。 2 2 三电平控制技术 2 2 1 概述 p w m 控制技术是高性能电力电子系统的共用及核心技术，它是利用半导体 器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变 压并有效地控制和消除谐波的一种技术。 三电平逆变器p w m 技术主要对两方面的目标进行控制。其中一个是输出 电压的控制，即逆变器输出的脉冲序列在伏秒意义上与目标参考波形等效；另 一个是逆变器本身运行状态的控制，包括直流电容的电压平衡控制、输出谐波 控制、所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。 三电平逆变器的p w m 控制方法包括载波调制法，空间电压矢量调制法 ( s v p w m ) 以及闭环调制法等。其中，三角载波p w m 法计算复杂，实现困难； 阶梯波p w m 逆变器电路复杂，变压器体积重量大，噪声大；分区逼近p w m 法消除谐波受到电平级数的限制；虚拟级数法要求提高开关频率；多滞环法稳 态误差大，单滞环法暂态响应较差；双滞环法实现复杂。目前研究最多、应用 最广泛的还是空间电压矢量调制法( s v p w m ) 。空间电压矢量调制法( s v p w m ) 是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法，采取这种方法，电压 的利用率高，易于数字化实现，输出波形质量好，接近正弦，合理安排空间矢 量，可以降低开关频率，减少开关损耗。因此，本文选用空间电压矢量调制法 ( s v p w m ) 作为三电平逆变器的控制方法。 2 2 2 三电平s v p w m 控制方法 2 2 2 1 三电平基本空间矢量 空间电压矢量调制法( s v p w m ) 和载波调制等方法不同，它是从电动机的 角度出发的，着眼与如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以 三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的 开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们比较的结果决定逆变器的 开关，形成p w m 波形。由于它把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模 型简单，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小，噪声低，电压利用高的优点， 因此目前无论在开环控制系统还是闭环控制系统中均得到广泛应用。 以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机 气隙磁通在口一静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表 达式为 9 仃仃 v o = 圪s i n ( c a t ) ，屹= 圪s i n ( 甜一等) ，吃= 圪s i n ( 甜+ 等) 7 则它们对应的空间电压矢量定义为 1 2 石2 t 1 1 ，= 姜( 屹+ v 6 p 7 了+ v c e 吖了) 这以思想也可以用来分析三相逆变器供电时异步电机气隙中磁通矢量的运 行轨迹。设此时逆变器输出端电压为，电机上的相电压为，v 6 ， v c ，电机中性点对逆变器参考点电压为，也就是零序电压。这里n 为电机 中性点，0 为逆变器直流侧零电位参考点，此时，前述电机的定子电压空间矢 量为 ，f 望 一，丝 ，)f 塑 一f 一2 t r k = 詈( + p o + po ) = 詈( + v b o e o + v 。o eo ) = 屹口+ 几 且伺v a n = 一v n o v b n2 一v n o ，= 一v n o 理想的三电平逆变器电路开关模型的每相桥臂的电路结构可以看成为一个 与直流侧相通的单刀三掷开关，则三电平电路的一个桥臂只有v d c 2 、0 和v d c 2 三种可能输出电压值( 或称为电平) ，即每相输出分别由正( p ) 、零( 0 ) 、负( n ) 三个开关状态。也有将n 点设为逆变器零电位参考点，此时每相桥臂的可能输 出电平值表示为0 ，v d c 2 ，v d e ，对应的每相输出表示为0 ，1 ，2 三个开关状 态。这两种表示法本质是相同的，在本文的分析中采用前一种表示方法。 若定义开关变量s s b 、s ，代表各相桥臂的输出状态，则各相电压表示为 屹= 等，v b = 等，v c = d c & 其中，s ，= 1 ，第x 相输出电平p s 。= 0 ，第x 相输出电平0 ，这里x 为a ，b 或c j ，= 1 ，第x 相输出电平n 因此，三相三电平逆变器就可以输出3 3 = 2 7 种电压状态组合，对应2 7 组不 同的逆变器开关状态。此时，仍定义电压空间矢量为 1，丝 一f ! 石 矿 一 z ( k ) = ( + s h e 。3 + j 。p 。3 ) = 等 ( 2 s a 一一) + 3 ( 一& ) 】 则在口一平面上，三电平逆变器2 7 组开关状态所对应的空间矢量如图2 2 所示。图中标出了不同开关状态组合和空间矢量的对应关系，如其中p o n 表示 a ，b ，c 三相输出对应的开关状态为正、零、负。另外可以看出，同一电压矢 量可以对应不同的开关状态，越往内层，对应的冗余开关状态越多。从最外层 的六边形向里每进一层，矢量对应的开关状态冗余度增加1 ，例如最外层的长 矢量及中矢量冗余度为1 ，即只有一个对应的开关状态；短矢量的冗余度为2 ， 最里层的零矢量的冗余度为3 。因此，口一平面上的2 7 组开关状态实际上只 对应着1 9 个空间矢量，这些矢量被称为三电平逆变器的基本空间矢量，简称基 本矢量。 父v n p oo p 叭 缪翻 w ?忑 汐j n 图2 2 三电平基本空间矢量图 在a - p 空间矢量平面上，三电平逆变器的同一基本矢量对应不同的开关状 态，说明逆变器输出的基本矢量所对应的开关状态数目具有一定的冗余度。按 照基本矢量幅值的不同进一步分类，可以将1 9 个基本矢量及其对应的度低组开 关状态分为四类，分别称为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量。如表2 1 所示。 表2 1 三电平基本矢量类型 基本矢量类型对应的= 相输, q 4 开关状杰 长矢量 p n n p p n n p n n p pn n p p n p 中矢量 p o n o p n n p o n o p o n pp n o 短矢量o o po o no p oo n op o on o o n n op p on o np o po n no p p 零矢量p p p0 0 0 n n n 其中，长矢量与矢量图中外六边形的顶点对应，共有6 个，分别表示三相 均接正电平或者负电平；中矢量长度略短，位于每个6 0 。扇区的角平分线上，共 有6 个，这6 个电压矢量的特点是三个桥臂分别接在正电平、负电平和零电平 上；短矢量长度为长矢量长度的一半，共有6 个，且位于内部六边形顶点，每 个矢量与两组开关状态相对应；矢量长度为0 的是零矢量，为空间矢量平面原 点，分别表示逆变器三相交流输出同时接正电平、零电平或负电平。 2 2 2 2 参考电压矢量合成原则 从三电平基本空间矢量图可以看出，为了使三电平逆变器输出的电压矢量 接近圆形，并最终获得圆形的旋转磁通，只有利用逆变器的输出电平和作用时 间的有限组合，用多边形去接近圆形。 在采样周期内，对于一个给定的参考电压矢量，可以用三个基本电压矢 量来合成，根据伏秒平衡原理，满足方程组 石k + 正k + 互k = z 9 t i + 2 ；+ 巧= 2 ： 其中石，正，互分别为k ，k ，k 矢量对应的作用时间，z 为采样周期。根据 此方程组可以得到各基本矢量的作用时间。然后根据基本矢量与开关状态的对 应关系，结合其它要求确定所有的开关状态及其输出形式。 根据上述原则，为了实现三电平逆变器的s v p w m 控制，在每个采样周期 内，应分为一下三个步骤： ( 1 ) 区域判断。找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。 ( 2 ) 时间计算。确定三个基本矢量的作用时间，即每个矢量对应的占空比。 ( 3 ) 时间状态分配。确定各个基本矢量对应的开关状态及作用次序，将基 本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，完成对开关器件的控制。 1 0 第3 章传统三电平s v p w m 算法及仿真 3 1 传统三电平s v p w m 算法 传统三电平s v p w m 算法也是根据参考电压矢量合成的原则，分成区域判 断、时间计算、时间状态分配三个步骤，实现三电平逆变器s v p w m 控制。 3 1 1 区域判断 区域判断的目的主要是找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。传统算法 根据三电平基本空间矢量图将整个矢量空间先分成6 个大区域，再将每个大区 域分成4 个小区域。由于基本空间矢量中的短矢量在每个采样周期中出现的次 数多，为了算法及仿真的准确性，本文将每个大区域细分成6 个小区域。按照 这样的划分方法，传统三电平s v p w m 算法的区域划分如图3 1 所示。用i ，i i ， i i i ，i v ，v ，v i 表示大区域，用1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 表示小区域。 t t m 聊、 一一 嬲弧7 ，i n 扩 v 图3 1 传统算法i x 域划分 大区域按照矢量角度每6 0 。为一区划分，因此可以按照参考电压矢量的角度 判断其所在的大区域。根据小区域的区域分布情况和几何关系，可以按照以下 方法判断参考电压矢量所在的小区域。 v 图3 2 传统算法小区域判断 l l 以第1 大区为例，如图3 2 所示，参考电压矢量在口轴和轴上的投影 分别为圪和，幅角为0 ，则 圪= e o s o ，= s i n 8 ( 1 ) 当0 3 0 。时，在小区域2 或4 或6 内。 若也+ 睾，则在小区域2 内； 若等，则在小区域6 内； 否则，在小区域4 内。 3 1 2 时间计算 判断出参考电压矢量所在的区域，根据n t v ( n e a r e s tt r i a n g l ev e c t o r s ) 法 则，也就找到了合成参考电压矢量的三个基本矢量k ，k ，k ，连同参考电压 矢量一起，代入伏秒平衡方程组 石巧+ 互k + 乃巧= 巧 五+ 乃+ 乃= z 解出巧，互，互即完成了传统三电平s v p w m 算法对基本空间矢量作用时间的 计算。 如以i 大区4 小区为例， 巧= 吾p 仨，圪：牟p 卢，巧：丢吃，： 将其代入伏秒平衡方程组得 三p z gv ( c o s 詈+ s i n 弘+ 丢( c o s 了g + s i n 弘= v 阿( c o s o + 埘n 睨 此方程按实部，虚部分开后得 r e 三吃廿 2 9v 。c o s 詈互+ 互1v 脚c o 詈互= c o s 够 i m ：鲁嘶n 詈正+ 丢啊n 詈石= s i n 钇 解得r l ，互，乃分别为 t , 1 - 2 k s i n ( 3 卅】，t ， 2 k s i n ( 3 + d - 1 ，t 。( 1 - 2 k s i n ，其忙瓷v 、，：3 同理，可以求出参考电压矢量在其它区域时，基本矢量的作用时间。整个 1 2 区域范围内的基本矢量作用时间如表3 1 所示( 对应短矢量为每个采样周期各 个区域开关顺序的起始矢量) 。 表3 1 基本矢量作用时间表 区 r l互 互 域 1 1 2 k t , s i n ( 詈卅 2 尼乃s i n 8 z 1 2 k s i n ( 了t + 绷 1 2 2 k t , s i n 8 那一2 k s i n ( 詈例2 饵s i n ( 了t 一口) 1 3 互( 1 2 k s i n o ) 那一2 k s i n 呼卅】 t 。e 2 ks i n ( 了1 + 一1 】 1 4 l 1 2 k s i n ( 3 一秒) t ， 2 k s i n ( 了 + d 一1 】 乃( 1 2 k s i n d 1 5 2 t , 1 铂i n 呼俐t , e 2 k s i n ( 詈一秒) 一1 】 2 k t , s i n 口 1 6 2 t ， 1 一k s i n 乓+ 刃 2 红s i n ( 了t 一秒) t 。 2 k s i n 0 1 】 j 1 1 1 2 红s i n ( 了 一秒)卵一2 k s i n ( 詈删 2 饵s i n 0 1 1 2 2 尼乃s i n9 2 k t , s i n ( 了1 一p )硪1 2 k s i n ( 了7 + 绷 1 1 3 z ( 1 2 k s i n t ，e 2 k s i n ( 詈+ 功_ 1 那一2 k s i n ( 争绷 1 1 4 硼一2 k s i n ( 詈卅 互( 1 2 k s i n 印 t f f z k s i n ( 了 + 功一1 】 1 1 5 2 t , 1 一后s i n ( 了 + d 】 2 尼zs i n 0 t f f z k s i n ( q 石- 一秒) 一1 】 ， 1 1 6 2 乃 1 一后s i n ( 了 + 口) t , 2 k s i n 0 1 】 2 讧s i n ( 要一口) j i i l l 2 讧s i n ( 詈一d 2 红s i n 0 t f f l 一2 k s i n 哼 + i i l 2 2 尼乃s i n 0 殂1 2 k s i n ( 了7 + p ) 2 k r , s i n ( 了1 一9 ) i i l 3 乃( 1 2 k s i n d i 1 2 k s i n ( 詈一目) t , z k s i n ( 詈+ d _ 1 】 i i l 4 邪一2 k s i n ( 争绷t f f z k s i n ( 詈删卅 t a l 2 k s i n 们 i i l 5 2 e 1 一后s i n ( 了 + p ) t f f z k s i 畸一功- 1 2 圮s i n 0 i i l 6 2 t f f l k s i n 乓+ 绷 2 红s i n ( 詈删 t , 2 k s i n 0 1 j 1 2 讧s i n ( 詈卅乃 1 2 k s i n ( 了t + 乡) 2 尼ls i n 0 1 3 2 2 k r , s i n 0 2 红s i i l ( 詈卅邪一2 k s i i l ( 詈俐 3 z ( 1 2 k s i n d t ，e 2 k s i i l ( 詈+ 州殂1 2 k s i n ( 了 一秒) 】 i v 4 邪一2 k s m ( 詈卅 z ( 1 2 k s i n t 。e 2 k s i n ( 詈+ - 1 】 5 2 t 。 1 粕i n ( 詈】 2 圮s i n 8 z 2 尼s i n ( 詈一秒) 一1 】 6 2 t 。 1 嘲i n ( 詈旧】 t ， 2 k s i n 0 1 】 2 i n ( 争力 v 1 2 红s i l l 呼一印 2 k t , s i n o 那一2 k s i n ( 詈俐 v 2 2 讧s i n 8 z 1 2 k s i n ( 詈+ 秒) 2 圮s i n ( 争d v 3 乃( 1 2 k s i n o ) 珥l 一2 k s i n ( 了1 一秒) 】 珥2 后s i n ( 了7 + 乡) 一1 v 4 z 1 2 k s i n ( - 万j 一目) 驰心畸删_ 1 乃( 1 2 k s i n 8 ) v 5 2 t 。 1 一后s i n ( 了t + 口) z 【2 尼s i n ( 詈一日) 一1 】 2 讧s i n 8 v 6 2 邪嘲i n ( 詈旧2 i n ( 争 t 。 2 k s i np 一1 v 1 1 2 红s i n ( 詈卅那一2 k s i n ( 詈堋 2 尼乃s i np v 1 2 2 讧s i n o 2 红s i 畸卅邪一2 k s i n ( 詈例 v 1 3 z ( 1 2 k s i n o ) 犯删詈+ - 1 】那一2 k s i n ( 詈卅】 v 1 4 那一2 k s i n ( 争绷 乃( 1 2 k s i n o ) 弛删詈+ 印_ 1 】 v 1 5 2 z 1 一后s i n ( 詈+ 口) 】 2 尼乃s i n 9 l 2 后s i n ( 詈一秒) 一1 】 v 1 6 2 邪粕i n 呼例 t , 2 k s i n 0 1 】 2 饵s i n 乓一目) j 3 1 3 时间状态分配 从三电平s v p w m 基本空间矢量图可以看出，大矢量和中矢量与开关状态 一一对应，短矢量对应2 组开关状态，零矢量有3 组开关状态。由于在每个采 样周期内出现的开关状态中，短矢量对应的开关状态出现的次数多，因此选用 短矢量作为每个采样周期的起始矢量。为了使基本矢量对应的作用时间和开关 状态分配简便一致，本文选用负短矢量作为每个采样周期的起始矢量。零矢量 可以根据开关状态的作用次序选取。 各组开关状态的作用次序要遵守这样的原则：任意一次电压矢量的变化只 1 4 能有一个桥臂的开关动作，即在二进制矢量表示中，只有一位变化或没有变化。 这是因为如果允许有两个或三个桥臂同时动作，则在线电压的半周期内会出现 反极性的脉冲，产生反向转矩，引起脉动和电磁噪声。 根据上述原则，每个采样周期以负短矢量作为起始矢量，每个矢量空间区 域的状态作用次序如表3 2 所示，其中n ，o ，p 分别表示对应三相为低电平， 零电平，高电平。 表3 2 矢量状态次序表 区域矢量状态次序 i lo n no o no o op o o0 0