（电力电子与电力传动专业论文）中点箝位型三电平变流器空间矢量发生技术研究.pdf

r e s e a r c ho ns v p w mg e n e r a t o rf o rn e u t r a lp o i n t c l a m p e dt h r e e - - l e v e li n v e r t e r a b s t r a c t s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sw i d e l yu s e di nt h ec o n t r o lo f m u l t i l e v e lc o n v e r t e rf o ri t sa d v a n t a g e s s u c ha sl o w - c o n t e n th a r m o n i c 1 0 w s w i t c h i n g f r e q u e n c y , c o n v e n i e n c eo fd i g i t a lr e a l i z a t i o n ，h i g hv o l t a g eu t i l i z a t i o na n d s oo n o n eo f t h es p a c ev e c t o r sg e n e r a t i o nc a l l e dt a b l e i n q u i r e i ti s e a s yt ob ea c c e p t e d b u ti t s a l g o r i t h mi sc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt or e a l i z e i no r d e rt os i m p l i f yt h ea l g o r i t h m ，m a n yn e w m e t h o d sa r es u g g e s t e d t h e r ea r et w om a i nm e t h o d si nt h i sa r t i c l e o n ee m c i e n tt y p eo f i m p r o v e da l g o r i t h mi sa n a l y z e d ；t h i sm e t h o di s b a s e do nt h es i m p l i f i c a t i o no ft h e s p a c e - v e c t o rd i a g r a mo fat h r e e 1 e v e l i n v e r t e ri n t o t h a to fat w o - l e v e li n v e r t e rb y t r a n s f o r m i n gm e t h o d ：b a s ev e c t o ra n dt w o l e v e lv e c t o r i fs i m p l i f i e db yt h ep r o p o s e d m e t h o d a l lt h er e m a i n i n gp r o c e d u r e sn e c e s s a r yf o rt h et h r e e 1 e v e ls v p w ma r ed o n el i k e c o n v e n t i o n a lt w o 1 e v e li n v e r t e ra n dt h ee x e c u t i o nt i m ei sg r e a t l yr e d u c e d t h ed c 1 i n k n e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lc o n t r o la l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e dm o r ee a s i l y a n dt h ep r o p o s e d m e t h o dc a nb ea p p l i e dt ot h em u l t i 1 e v e li n v e r t e r sa b o v et h r e e 1 e v e l t h eo t h e rm e t h o di s b a s e do nt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n w i t hm nc o o r d i n a t es y s t e ma n dt h ek l c o o r d i n a t es y s t e ms e p a r a t e l yr e p l a c e st r a d i t i o n a lc o o r d i n a t es y s t e m t h i sm e t h o dd o e s n 、t n e e dt oi n v o l v et e d i o u st r i a n g u l a ro p e r a t i o na n dl a r g en u m b e r so fc o m p u t a t i o nd u r i n gt h e i u d g m e n to fv e c t o rs e c t o ra n dt h et i m eo fc o m p u t a t i o nv e c t o r t h i sa r t i c l es e p a r a t e l ys i m u l a t et h et a b l e i n q u i r em e t h o da n dt h ed i s a s s e m b l yo f r e f e r e n c ev o l t a g em e t h o dw i t hm a t l a bs o f t w a r e t h e ne d u c et h ec o n c e p to f ”v e c t o r g e n e r a t o r ”t h i sa r t i c l ei nd e t a i li n t r o d u c et w ok i n d o fv e c t o r sg e n e r a t o r s f e a s i b l e p l a n s ：”b a s e do nd s pv e c t o rg e n e r a t o r ”a n d ”b a s e do nd s p - - c p l dv e c t o rg e n e r a t o r ”i ti s f o u n dt h a t ”b a s e do nd s p c p l dv e c t o rg e n e r a t o r ”i se a s yt or e a l i z ec o m p a r e dw i t ht h e a n o t h e rp l a n s t h i sa r t i c l eh a sb u i l ta ne x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nt h et h r e e 1 e v e l sv e c t o r g e n e r a t i o n a ne x p e r i m e n tp r o t o t y p e o f1 5 k wt h r e e l e v e l i n v e r t e rh a sb e e n m a n u f a c t u r e d w h i c hi sd r i v e nb y ”b a s e do nd s p c p l dv e c t o rg e n e r a t o r w ef i n a l l yg o t i d e a lw a v ei nt h i se x p e r i m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：m u l t i - l e v e lc o n v e r t e r ；t h r e e - l e v e lc o n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 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注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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。 学位论文作者签名：癌廖丰 签字日籼。叩年7 月害口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆些盔堂有关保留、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。允许论文被查阅和借阅。本人授权地 王些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 筋，丰 签字日期：口7 年7 月扣日 学位论文作者毕业后去向：参淝j 母水 ：】= 作单位：穆础 通讯地址。售j j 印穆辆治鲁，弘亍 导师签名： 签字日期：彳哞7 月了9 日 f 。 ， 电话：f 弓删和彬 邮编：蟛口。0 7 第一章绪论 1 1 多电平变换器的应用背景 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性的难题。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。据统计，全球石油储量只够使用3 0 5 0 年，我国剩余的 开采量只有世界人均的1 1 0 ；我国煤炭人均储存也只是世界人均的1 2 。此外， 我国大量的煤炭、石油没有经过深加工就被烧掉了，不但浪费能源，还造成对 环境的严重污染。 我国能源生产和消费已列世界前茅，但远远满足不了工业生产和人民生活 发展的需要。我国国民生产总值排在世界前7 名左右，其中很重要的原因就是 单位产值能耗太大。根据国家有关部门的全面调查统计，我国发电量的6 0 7 0 左右用于推动电动机做功，其中9 0 的电机是交流电机，大部分为直接拖 动。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费，也引起了严重的环境 污染。 近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用， 电压3 8 0 v 以下的低压变频器已大量使用。但是，在工业应用领域，大功率的传 动机械、大功率风扇、水泵占主要地位，例如：钢铁工业的高炉鼓风机，等等。 驱动电机都是4 0 0 - - 4 00 0 0 k w ，3 1 0 k v 的大功率高压交流电机。这些设备由于 缺少调速的手段，每一天都在大量的浪费电能。因此，高压多电平大容量交流 电机变频调速节能装置的开发和研究，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。 其次，研制出性能可靠、价值便宜的大容量高性能交流调速系统对于打破 西方国家在这领域的垄断地位，具有重要的现实意义。而且，采用由高压多电 平大容量电力电子装置构成的无功补偿和电力有源滤波器及其相关技术补偿电 网中的无功来治理谐波，是无功补偿和电力滤波技术的发展趋势。因此，大容 量的电力电子变换器的研究，对于电力系统的发展具有重要意义。 事实上，在电力、轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路、船舶、汽车及机床等 传统工业的改造中，以及在计算机、自动化生产线、航天、航空等高新技术的 发展之中无不看到现代电力电子的踪影。因此进行现代电力电子及大型交流电 机调速技术的研究，对于我国传统工业实现从粗放型向集约型的转变，并在高 技术领域的国际竞争中占有一席之地具有重要意义。 下面对将对大功率变换电路作一简要介绍，对国内外提出的一些新的主电 路结构及其特点进行分类、比较。 1 2 多电平变换器分类及结构 在多电平变换器的发展过程中，围绕输出多电平波形的生成，产生了多种 电路拓扑结构，并且新的拓扑结构还在出现。按单一直流电源和多个直流电源 分类，电压型多电平变换器可以如图1 1 所示分类。人们在对高电压大容量电 压型变换器进行广泛而深入的研究中发现，各种不同的多电平结构具有各自的 特点，可应用在不同的场合。 图1 1 电压型多电平变换器分类 多电平逆变器属于电压型逆变器，它是多电平逆变器中比较有实用意义的 一种电路。多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，但归纳起来 主要有三种：a 中点钳位型( n e u r a lp o i n tc l a m p e d ，简称n p c ) 多电平逆变器或 二极管钳位( d i o d ec l a m p e d ) 多电平逆变器；b 飞跨电容型( f l y i n g c a p a c i t o r s ) 多电平逆变器；c 具有独立直流电压源的级联型逆变器( c a s c a d e 如图1 2 所示是一个三相全桥二极管箝位三电平变换器的主电路结构，其 中d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 ，d 6 为箝位二极管，分压电容c 1 = c 2 ，所以c l 2 p c 22 y 出心。 每个桥臂有4 个开关器件，4 个开关保证一定的互补关系( 如a 相中t 1 与t 3 、 t 2 与t 4 互补) 的前提下，每相桥臂能产生3 种不同的开关组合：+ 当t l 、t 2 导 通，t 3 、t 4 关断时，从a 相节点输出电压为v 。：当t 2 、t 3 导通，t 1 、t 4 关 断时，从a 相节点输出电压为v 。2 ；当t 3 、t 4 导通，t 1 、t 2 关断时，从a 相节点输出电压为o 。 2 图1 2 三相全桥二极管筘位三电平变换器的主电路结构 二极管箝位多电平变换器有如下特点： 优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；器件在基频下工作，开 关损耗小，效率高；解决了开关器件耐压不够问题；电平数多d v l d t 越小， 对外围电路和负载的冲击越小；可以四象限运行。 缺点：二极管需要承受不同反压；开关器件所需额定电流不同；存 在电容电压不平衡问题。 图1 3 三相全桥飞跨电容三电平变换器的主电路结构图 3 图1 3 所示是一个三相全桥飞跨电容三电平变换器的主电路结构图。由图 可知，与二极管箝位式不同，这种电路采用飞跨在串联在开关器件之间的串联 电容进行箝位的。飞跨电容多电平变换器的特点如下。 优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；器件在基频下工作，开 关损耗小，效率高；逆变器电平数易于扩展。 缺点：需大量箝位电容；存在电容电压不平衡；开关组合选择复杂。 图1 4独立直流电源级联式三电平变换器的主电路图 。图1 。4 给出独立直流电源级联式三电平变换器的主电路图。由图可知，它 由两个单相全桥逆变器级联而成，每个独立电源给一个单相全桥逆变器供电， 不同电平逆变器的交流电压串联起来。 级联式多电平变换器的结构特点如下： 优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少；器件在基频下工作，开 关损耗小，效率高；无需箝位二极管和电容，易于封装；可采用软开关技 术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路；不存在电容电压平衡问题。 缺点：需多个独立电源。 综上所述，级联式多电平变换器的结构以较低的耐压器件来实现高压大容 量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，但输入变压器成本较高且 不能实现四象限运行。二极管和电容箝位式多电平逆变器虽然存在电容均压问 题，但三电平n p c 电路在大容量交流电机调速领域还是应用得很多。这主要是 因为现有的高耐压器件很适合于三电平n p c 电路，可以实现四象限运行，电容 4 电压的均衡问题也可以通过控制解决。 一般认为，多电平变换器最早是由三电平中点箝位式变换器( n p c ) 发展而 来的，因而，对于多电平p w m 控制法的研究大多也是从三电平结构开始，对其 的相关研究较多，然后扩展到多电平控制的研究。因此，在本论文中，将只研 究二极管箝位式三电平变换器的控制策略。 1 3 三电平变换器的主要控制策略 ( 1 ) 阶梯波脉宽调制阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观 的方法，在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现 低次谐波的消除和抑制。 ( 2 ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 基本原理是使用几个三角波信号和一个参考信 号( 每相) 比较，产生s p w m 信号。通过将三角载波进行合适的移相，实现选定 次数波的消除，该方法具有简单、直观等优点，其缺点是功率管的开关频率高， 开关损耗大，装置效率低。 ( 3 ) 注入3 次谐波p w m 为了提高直流母线电压的利用率，仿照二电平电路 s p w m 方法中注入三次谐波方法，通过在较高频率的参考正弦波中，注入合适大 小的3 次谐波，来提高基波输出电压的幅值。 ( 4 ) 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 将两电平s v p w m 方法加以推广，即可得 到三电平或多电平s v p w m 。空间电压矢量( s p a c ev e c t o rp w m ) 法和载波调制 等方法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得幅值恒定 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， 噪音低，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。 但由于三电平拓扑能产生2 7 个电压矢量，较普通二电平结构复杂，关键问 题要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之内，还要考虑矢 量选择对中点电位的影响，因同一种电压输出有不同的开关模式，不同的开关 状态的组合对直流侧电容的充放电过程完全不同的影响，可以通过选择不同的 开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。 这是优化空间电压矢量的基本原理，也是在现有三电平高压大功率变频器中应 用得较多的一种控制逆变技术，它将是功率变换技术的最新发展动向。接下来， 本论文仅对三电平空间矢量s v p w m 控制技术进行研究。 5 1 4 三电平空间矢量p w m 控制技术 1 4 1 三电平变换器的空间矢量模型 它是从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁 场，即正弦磁通。它以三相对称j 下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。 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a 一静止坐标平面的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表达 式为 屹= 圪s i n ( c o t ) = s i n ( c o t 一娶) j ：圪s i n ( t o t + 娶) j 则它们对应的空间矢量定义为 1 ，= 詈( 屹+ a v b + i x2 v c ) = e j 2 们) j 如图1 5 所示，二极管嵌位式三电平变换器的主电路的理想开关模型。每 相桥臂的电路结构可以简化为止个与直流侧相同的单刀三掷开关s 。 v d c p i ，尹 c 1 = 撼 o 迎 l o c 芋 n 图1 5 三电平电路开关模型 在正常情况下，以图中0 点位变换器零电位参考点，则三电平电路的一个 桥臂只有d c 心，0 ，叫d c 心三种可能输出电压值( 或成为电平) ，即每相输出分 别由正( p ) ，零( 0 ) ，负( n ) 三个开关状态。也有将n 点设为变换器零电位参考点， 此时每相桥臂的可能输出电平值可以表示为0 ，7 d c 心，7 d c ，对应每相输出表示 为o ，1 ，2 三个开关状态。这两种表示方法相同，在本文采用后一种表示方法。 若定义开关变量j a 一。芦c 代表各相桥臂的输出状态，则各相电压表示为 屹= 等= 孥心= 等僻 6 f1 ，第x 相输出电平为2 s 。= o ，第x 相输出电平为l ，这里x 为如b 或c 其中， 【一1 ，第x 相输出电平为。 因此三相三电平变换器中的三个桥臂的状态能得到3 3 种组合，形成2 7 个 开关状态。此时仍定义空间电压矢量为 一 1 y ( 尼) = ( s 。+ a + 口2 & ) j 1，一 = ( 2 屯一s o 一& ) + j 一、3 ( s b s t ) 】 1 4 2 基本矢量及对中点电压的影响 在“p 空间矢量平面上，2 7 组开关状态实际上只对应1 9 个空间矢量，这 些矢量被称为三电平变换器的基本矢量，如图1 6 。三电平变换器的同一基本 矢量对应不同的开关状态，说明变换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 量及其所对应的2 7 组开关状态分为四类：长矢量、中矢量、短矢量、和零矢量， 如表1 1 。 j 1 3 0 2 0 l ：o 2 2 0 k 讼引0 2 l i1 沃留 _ 麓& 过； 0 1 2 入 图1 6 三电平逆变器空间电压矢量分布图 7 表1 1 三电平矢量分类图 基本矢量类型对应的三相输出开关状态 长矢量2 0 0 ，2 2 0 ，0 2 0 ，0 2 2 ，0 0 2 ，2 0 2 中矢量 2 1 0 ，1 2 0 ，0 2 1 ，0 1 2 ，1 0 2 ，2 0 1 短矢量 1 0 0 ，2 11 ，11 0 ，2 2 1 ，1 2 1 ，0 1 0 ， 1 2 2 ，0 11 ，11 2 ，0 0 1 ，2 1 2 ，1 0 1 零矢量 2 2 2 ，111 ，0 0 0 在三电平变换器的1 9 个基本矢量中，长矢量对应的开关状态使三相输出和 正负母线来连接，不影响中点电压：零矢量使负载三相短路，并挂在正负母线之 一上，也不会导致中点电压的变动。而中矢量和短矢量的开关状态对应至少有一 相输出和零母线相连，并和正负母线形成电流回路，从而导致电容c 1 和c 2 的充放电，使中点电压发生变动。以四种不同矢量的五种开关状态2 2 0 ，2 2 2 ， 2 1 0 ，1 0 0 和2 1 l 为例，画出三电平变换器电路拓扑和电流回路，见图1 7 。按照 中短矢量的开关状念对中点电流的方向影响，可以对其进行分类，下面给出了 相应开关状态时的中点电流正负，见表1 2 。限于论文篇幅，不加赘述。 p l - j 0 m 【) 入 b旧j _ - - j n 2 2 0 ( a ) p i = j o m ， t z = i j n p = o m b n p 0二n i ：b 相 n f 相 c 相 相 c 相 p 兰 一 = 一 f o 、令 + = n 2 1 01 0 02 1 1 ( c )( d ) ( c ) 图1 7 矢量的实际拓扑和电流回路5 种情况 8 表1 2 中短矢量各开关状态及其相应的中点电流 e 短矢量的 l m 负短矢量的 中矢量的开 l ml m 开关状态 开关状态关状态 1 0 0 l a2 1 1一l a2 1 01 b 2 2 1 l c l l o 1 2 0 - l c l a 0 1 0 l b 1 2 1 - l b0 2 1l c 1 2 2i a0 1 1- l a 0 1 2l b 0 0 l 1 1 2 1 0 2l a l c- l c 2 1 2 l b l o l - l b 2 0 l l c 9 第二章三电平逆变器查表法s v p w m 调制策略 2 1 引言 查表法s v p w m 调制方法，是一个原理简单的调制方法。本章我们以三电平 逆变器为例说明查表法s v p w m 调制方法的实现过程。 查表法s v p w m 调制方法的具体实现步骤如下： ( 1 ) 确定参考电压矢量7r e f ； ( 2 ) 判断参考电压矢量7r e f 所在的区域； ( 3 ) 确定三个合成矢量，并计算它们的作用时间； ( 4 ) 建立开关矢量分配表，选择开关矢量顺序发送信号。 2 2 判断参考电压矢量的区域 设三相正弦电压瞬时值表达式为 屹= 圪s i n ( w t ) 屹= v ms i n ( c o t 一等) 心= 圪s i n ( c o t + 娶) 则它们对应的空间电压矢量定义为 = 詈( 屹+ a + 口2 心) ( 口= p 7 2 州3 ) 将v 。，v 。，v 。代入上式，可得： = 詈( 扣参c o s 0 = 圪( s i n c o t + j c o s c o t ) = v 。+ j v 8 ：圪扣 由上式可知，空间电压矢量v 的轨迹是一个圆。对于任何时刻，我们只要 知道v 州幅值和相角，就能判断v 耐处在哪个区域。如图2 1 。 1 0 图2 1 三电平逆变器空间欠量小区划分 先根据相角日的大小，判断空间电压矢量v 现在位于扇区1 扇区6 之间的哪个扇区，然后根据和lv 州i 共同来判断参考电压矢量v 属于 该区域的哪个小区间。若以扇区l 为例，如图2 2 ( a ) 所示，由一轴线将 扇区1 分成两个部分：0 口9 3 0 a 为第一部分：3 0 口e 6 0 a 为第二部分。 如图2 2 ( b ) 所示，在三角形中，当v 位于第一部分时，利用正弦定理 可以求出两个交点处的长度lv l i ，iv 2 。l ： 龇2n f f jos 刚陷躺所在区域图2 2l i 判断所在区域 盟：二l in互(一2zsln s i l l 一日)一 i 一拶) 3 、3 且：土 了2zslns i n 一( d ) _ 一拶， 3 3 ( c ) 当iv i iv l 木i 时，v 耐处于1 区间，当iv l 宰i iv i lv 2 木l ，v 耐处于5 区间：同理，当v 位于第二 部分时，亦可应用正弦定理很快的求出交点处的长度，划分三个区间2 ，4 ，6 。 2 3 合成矢量及作用时间 2 3 1 确定合成矢量 确定参考电压矢量v 位于哪一个小三角形区域以后，就可以判断由哪三 个矢量来合成。可以选择该小三角形的三个顶点所代表的矢量来替代和合成参 考电压矢量v 。如图2 1 所示的参考电压矢量v ，其三个合成矢量为 11 0 2 2 1 ，2 1 0 ，1 0 0 2 11 。 2 3 2 作用时i 司计算 假设v 在1 ，2 区间( 如图2 1 ) ，v 由矢量2 11 10 0 ，2 21 11 0 和 2 2 2 11i 0 0 0 合成。作用时间分别是t 。，t 。，t 。，计算公式如下： 互= 2 m t , s i n ( - 丌7 9 ) 正= 2 r o t , s i n 0 五： 1 - 2 m t , s i n ( 要+ 9 ) 】瓦 j 假设v 在3 ，4 区间( 如图2 1 ) ，v 由矢量2 11 10 0 ，2 2 1 11 0 和2 10 合成。作用时间分别是t 。，t 。，t 。，计算公式如下： 互= ( 1 2 m s i n o ) t s 巧= 2 m s i n ( - 7 疗+ 臼) 一l 】五 五= 1 - 2 m s i n ( 要一o ) t s 假设vr e f 在5 区间( 如图2 1 ) ，vr e f 由矢量2 11 10 0 ，2 0 0 和2 1 0 合成。 作用时间分别是t 1 ，t 2 ，t 3 ，计算公式如下： 互= ( 2 - 2 m s i n ( 要+ a ) ) c j 互= 2 m s i n ( 要一p ) 一1 五 巧= 2 m t , s i n 0 假设v 在6 区间( 如图2 1 ) ，v 耐由矢量2 2 1 110 ，2 2 0 和2 1 0 合成。作 用时间分别是t 。，t 。，t 。，计算公式如下： 1 2 t j 【2 _ 2 所s i n ( 詈+ o ) t s 互= ( 2 m s i n 0 1 ) 乃 互= 2 m t ss i n ( - 庀7 一目) j 2 3 3 根据圪，区间判断 圪，分别是v 实轴和虚轴分量。假设v 位于扇区1 时，可以根据圪， 来判断所在的小区间。如图2 3 所示。 图2 3利用圪，判断所在区域 下面是4 个判断规则： 规则1 ：卢多犀。螨足的区间有区间6 ) 规则2 ：一v ，l c 乡夕。满足的区间有区间3 、4 、5 、6 规则3 ：口v 水彳芗。( 满足的区f o j 有区间5 ) 规则4 ：83 。( 满足的区间有区间1 、2 、3 、4 、5 、6 ) 表2 1 是判断规则和矢量扇区关系表( 其中、表示满足，x 表示不满足) 表2 1判断规则和矢量扇区关系表 判断规则和矢量扇区关系表 区间规则1规则2规则3规则4 1 2 x xx 5x x 3 4x 6 x 1 3 2 4 开关矢量分配表 确定的三个合成矢量及其开关时间后，接下来就要确定合成矢量的开关 顺序。若从开关频率和输出咖办方面考虑，可令每一个采样周期内每相桥臂开 关动作不超过一次，且在某一瞬时只有一相开关动作。为了消除输出波形中的 偶次谐波，要求矢量1 7 对称分布。表2 2 是一个第1 扇区开关矢量分配表。 1 23456 7 11l2l ll 1 区间o1ll11o 0ol1lo0 ll222ll 2 区间11l2lll oll111o l122211 扇 3 区间 0 l1 l llo 区 o00l000 1 1 2 22 22 l 4 区问11l211l oo11100 l22222l 5 区间00ll1o0 oo01o0o 1222221 6 区间l1222ll 00o1o0o 表2 2第1 扇区电压矢量分配表 b 、c 、d 、e 、f 区的电压矢量分配表的生成与a 区类似，限于论文篇幅， 不加赘述。 1 4 第三章三电平逆变器s v p w m 参考电压分解式调制方法 3 1 引言 三电平逆变器s v p w m 查表式调制方法思路清晰容易接受，但算法复杂，需 要预存大量数据占用控制器内存，甚至包含大量的三角函数，使算法运行缓慢。 随着电平数增加，这种方法很难得到进一步推广。 参考电压矢量合成原理：从空间矢量图可以看出，为了使三电平逆变器( 以 下均以逆变器为例说明) 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，用多边形区接近圆形。 在采样周期内，对于一个给定的参考电压矢量r e f ，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 互k + 瓦k + 毛蚝= i 五+ 互+ 五= z 其中互，互，t 3 分别为k ，圪，巧矢量对应的作用时间，c 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，结合其他要求确定所有的开关状态及其输出的形式。 根据上述原则，为实现三电平变换器的s v p w m 控制，在每一个采样周期 内，应分为以下四个步骤： ( 1 ) 找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。 ( 2 ) 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 ) 确定各个基本矢量对应的开关状态。 ( 4 ) 确定各个开关状态的输出次序以及各相输出电平的作用时间，即 确定输出开关状态序列，和对应三相的占空比。 传统两电平逆变器的矢量合成方法也一样，不同的是普通两电平s v p w m 计 算方法比较简单，如果能将三电平空间矢量分解为几个两电平的空间矢量的组 合，将使p w m 计算大为简化，如图3 1 。用这个思路，可以将三电平参考矢量 分解为一个基矢量和一个两电平矢量，如图3 2 。 1 5 ji 风。沮 么激缪彰 飞哟闰挝 卅n 一 1r ( b ) 图3 1 三电平空间矢量分解为6 个两电平的空间矢量 图3 2 三电平参考矢量分解为一个基矢量和一个两电平矢量 3 2 三电平空间矢量分解 3 2 1 三相参考电压分解 若以直流电压v d c 为基值，求出三相电压的标幺值，则多电平逆变器( 以下 均以逆变器为例说明) 输出电压瞬时值可以表示为 圪= ( ，k ) r 其中， o ，1 ，刀一1 ) 若假设三相参考电压为= ( ，) ，其中o ，刀。如上图3 2 ， 可得 16 2 + 妇= g n t ( ) ，i n t ( v , b ) ，i n t ( v 。) ) r = ( ，v 而，i ) r 则两电平分量三相值可以由下式得到： = 一i n t ( ) _ 一i n t ( v , b ) i _ v 0 一i n t ( v , 。) 参考电压的整数部分在每个采样周期内是保持不变的，而两电平分量通过 坐标变换后可以看成是一个两电平逆变器的参考电压矢量，并且可以采用两电 平s v p w m 方法合成。 对三相参考电压的整数部分和两电平分量进行c l a r k 变换，表示为饯一# 坐标系中的空间矢量形式，得到基矢量和两电平分矢量： ( 咖i 篆b 参考电压对应的两电平分矢量为 w = 盼啊= 。1 荔苏 其中变换矩阵为 ，- 1 - 1 2 - 1 2 吻3 3 l o 坳一、， 3 2 j 3 2 2 三电平空间矢量分解 参考电压分解以后，矢量空间可重新划分区域。原来的三电平空间矢量 图可以看成由六个两电平空间矢量图组成，这六个小六边形的中心分别是三电 平空间矢量图中间一个六角形的各个顶点，如图3 1 ( a ) 。这六个两电平空间 矢量图相互重叠。如果将相邻的两个矢量图重叠部分平分给它们，则原来的三 电平空间矢量图可以看成由六个小六边形组成，如图3 1 ( b ) 。所以，如果将这 些小六边形平移到中点的六边形上，三电平逆变器空间矢量就能简化成两电平 逆变器空间矢量按下面两个步骤将三电平空间矢量图简化成两电平空间矢 量。第一步，根据已给的参考电压从六个六边形中选出一个六边形第二，原来的 参考电压要减到选择的六边形的中点电压矢量。通过这两步，三电平空间矢量图 1 7 就转化成两电平空间矢量图。 将参考电压矢量所在的小六边形记为s 。由表3 1 的公式，可以将参考电 压矢量转化到各个六边形两电平新参考矢量。 表3 1参考电压修正表 sv r a v r b 1v r a v d e 3 v r b + v d c 6 2 v r a - v d c 6 v r b v d c 6 3 v r a + v d c 6 n r b v d c 忍 4 v 阳十v d c 3 v r b v d c 6 5 v r a 十v d c 6v r b + v d c 6 6 v r a - v d c 6 v r b + v d e 3 v r e = v r a - v r b 刃匹按上面两步骤，如伺确定参考电压矢量所在的小六边形和两电半新参考 矢量呢? 如图3 3 ，可以看出，当参考电压处在红色区域( 1 区、3 区、5 区) 时，满足。v r c o 。且当o 时，处在1 区 = l y r a 一吃3 ，2 + 吃6 。且当l y r b o 时，处在3 区， _ + 吃6 ，= v , b v d 。3 。且当o 时，处在5 区， v r a + v a c 6 ，2 + 硒。当。l y r b 。v r c o 时同样分析。详细流程图可 卵图3 3 1 8 图3 3 区域判断 v r a ，v r b ，v r c 梦1 梦多 多梦多 0 y，y， | s = 3 ；a - - 1 ；b = 2s = l ；a = 2b = - is = 5 ；a = - 1 ；b = 1s = 6 ；a = - 1 ；b = - 2s ；4 ：a = - 2 ；b = ls = 2 ；a = 1 ；b = l l上上j 上1 l t v r a = v r a a * v d c 6 v r b = v r b b * v d c 6 v r c = v r a v r b 图3 4 区域判断及参考电压修正流程图 3 2 3 两电平下时间计算 图3 5 为普通两电平逆变器空间矢量图，传统两电平逆变器的矢量合成方 法和三电平空间矢量合成方法一样。 对于第一步，通常将复平面分成6 个扇区，然后确定此时的参考电压矢量 位于哪个扇区，根据参考电压矢量的坐标形式不同一般有两种不同的方法：第 一，当参考电压矢量以极坐标形式表示时，可以通过角度坐标来判断当前所处 扇区位置；第二，当以直角坐标表示时，可以通过坐标值的符号及相互关系来 判断，由于只有6 种情况，确定过程较为简单。 1 9 弟二步是哟定母个基本天重阴作用町1 日j ，口j 根琚天重图出以卜公瓦寻出( 以 1 扇区为例) ： 已( 圭+ t , 5 八j 2 ) + 互芎2 ) + 磊o = 玩归c 令上式等号两边实部、虚部分别相等可以得到以下结果： z ：塑堕s i n a 五= 警咖( 扣 瓦川1 一百4 5 vc o s ( ) ) v 3 ( o l1 ) 图3 5两电平逆变器空间矢量图 v 4 ( 1 0 0 ) o 0 三 其中，3 ，对应6 个扇区共有6 种情况。 第三步，由于6 个顶点的基本矢量与开关状态一一对应，而零矢量对应的 开关状态0 0 0 与1 11 的作用时间可写为t o o2 ( 1 一k ) r o ；r o ，。尼瓦，k 为111 状态作用 的时间比。 对于第四步的实现，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。 采用中心对称的七段式上升沿脉冲时，1 扇区的输出开关状态序列和各相 2 0 占空比如下( 见图3 6 ) ： l 1 t 0 0 2t 4 2t 6 2t 0 7 2t 0 7 2t 6 2 t 4 2丁0 0 ：2 i -_ 1 il 一1 1 v ov 4v 6v 7v 7v 6 v 4v o o o olo o1l o 1 l ll l l 11 01 0 0o o o i i 图3 6 七段式s v p w m 波形 图中有8 个基本矢量以开关函数( s o ，s b ，s c ) 来表示，其中= l 代表上管 导通，= 0 代表下管导通。 通过上述四步就可以很快的由参考电压确定两电平逆变器的输出的开关序 列及占空比。 3 2 4 三电平开关矢量 得到两电平s v p w m 波形后，应将其转换成对应的三电平s v p w m 波形。根据 3 2 2 节的内容，只要将两电平空间矢量的波形加上对应的基矢量yr b a s e 的波形 就可以得到三电平s v p w m 波形图。 每一个小六边形s 所对应的基矢量7r b a s e 如表3 2 所示。以s = 2 时为例，则 表3 2 基矢量表 s基矢量s基矢量 11 0 0 4 0 1 1 211 0 5 0 0 1 3 0 l o 61 0 1 2 1 将图3 6 所示的两电平s v p w m 波形加上对应的基矢量的波形所得到三 电平s v p w m 波形图如图3 7 所示。 t o o 2t 4 21t 6 2t 0 7 2t 6 2 j 一_ j _ j 一一 - 7 _ 1 _ 一1 rl1 _r 一 li i ii 1 222i2l2 2 ii 1 li 一 il 1 ii 112 ：2 ：2 l i 2 i 1l - i i 一1 ii ii o o0 1 ： 1 ill 0 ：0 ：0 ： 一 iil iii 11 02 1 02 2 02 2 12 2 l2 2 0l2 1 0i11 0l iil ili t si ii i 图3 7 三电平s v p w m 波形图 2 2 第四章6 0 。坐标系s v p w m 算法 4 1 引言 一些学者经过研究发现，参考电压所选择的a 一卢正坐标系是导致s v p w m 计算复杂的根本原因。如果选择其他形式的坐标系，来分解参考电压矢量，是 否就可以达到简化计算的目的呢? 4 26 0 。坐标系s v p w m 算法 在a p 平面中，注意到三电平基本空间矢量之间的角度均为6 0 的倍数这 一几何关系，因此可以推断，采用非正交的6 0 。坐标系，会有助于简化参考矢 量的合成和作用时间的计算。 4 2 1 坐标变换 设采用的6 0 。坐标系为g h 坐标系，取g 轴和直角坐标中a 轴重合，逆时 针旋转6 0 。为h 轴，如图4 1 所示。 g 仅 图4 16 0 。坐标系与a p 坐标系 设参考电压矢量在a p 坐标系下的坐标为( ，) ，变换到g 一办坐 标系下的坐标为( k ，) ，根据线性关