（控制理论与控制工程专业论文）基于三电平逆变器调速系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 多电平逆变器是上世纪8 0 年代初提出来的一种适用于高压变频调速领域的逆 变装置，具有降低器件应力，改善输出波形质量的特点。 逆变器是高压变频器的核心部分，在目前的节能减耗的工业社会中最具广阔 的实用前景，具有良好的动态性能，其控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便 于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低，能够减少谐波的危害，因此在清洁 能源的利用上可以起到重要的作用，又可以提高系统的稳定性。 本文首先描述了三电平逆变器系统的结构，分析了n p c 型三电平逆变器相比 与传统两电平逆变器的优点，突显了本课题的重要意义，研究了其中工作状态间 开关的相互转换。分析了三电平逆变器所存在的一个重要问题，即中点电压不平 衡问题，并研究了不同电压矢量对中点电压的影响，得出了通过控制中点电流来 控制中点电压的基本思路。对于中点电压漂移的问题，本文提出两种中点平衡控 制策略来平衡中点电位。 在逆变器的控制策略上，采用了空间矢量法，为逆变器的控制和软件设计提 供了理论基础。通过建立m a t l a b 的仿真模型，对三电平逆变器一异步电机矢 量控制系统进行了仿真，得出仿真结果，验证了控制策略的合理性。最后对实验 平台进行了搭建。对主电路、上电缓冲延时电路、p w m 信号产生电路、电流与 电压采样电路、i g b t 驱动及保护电路进行了设计，并设计了上电缓冲延时程序、 电流电压采样程序、s v p w m 程序。 关键词：三电平逆变器；中点平衡；s v p w m ；d s p 控制系统 i i a b s t r a c t m u l t i 1 e v e li n v e n e fw a sak i n do fi n v e r t e rd e v i c ew h i c hw a sp r o p o s e di nt h e e a r l y8 0 st h el a s tc e n t u r yt h a tw a sa p p l i c a b l et ot h ef i e l do ff r e q u e n c yc o n t r o li nt h e h i g hv 6 l t a g e t h i sk i n do ft o p o l o g yc a n r e d u c ed e v i c e s ss t r e s sa n di m p r o v et h eo u t p u t w a v e f o r mq u a l i t y i n v e r t e ri st h ec o r eo fh i g h v o l t a g ei n v e r t e r ，i ti sp r o s p e c t e di nt h ei n d u s t r i a l s o c i e t y w h i c ha d v o c a t e st h r i f ta n dr e d u c i n g c o s t s i t s d y n a m i cp e r f b r m a n c e i s f a v o u r a b l ea n dt h ec o n t r o lt h e o r yi sw e l l t h ep h a s ea n da m p l i t u d eo ft h eo u t p u ti s e a s yt oc o n t r 0 1a n dr e g u l a t e t h eh a r m o n i c sc o n t e n to ft h eo u t p u t i sl o 、v ，t h a tc a n r e d u c et h ed i s a d v a n t a g eo fh a r m o n i c s oi tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eu t i l i z i n go f c l e a ne n e r g ya l s oi m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo ft h r e e l e v e li n v e r t e r a n a l y s et h ea d v a n t a g e o ft h r e e 1 e v e li n v e r t e r ( n p c ) c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lt w o l e v e li n v e r t e r ，i n d i c a t e s t h es i g n i 丘c a n c eo ft h i st o p i c s r e s e a r c ht h ec o n v e r s i o no fs w i t c hb e t w e e nw o r k s t a t u s ，p o i n t so u tai m p o r t a n ti s s u e t h eb a l a n c eo fn e u t r a l - p o i n tb a l a n c e ，a n d r e s e a r c h t h ee f 托c tt ot h eb a l a n c eo fn e u t r a l p o i n tb a l a n c ec a u s e db yd i f r e n c eo fv o l t a g e v e c t o r ，c o n c l u e st h ei d e ao fc o n t r o l l i n gt h en e u t r a l - p o i n tb a l a n c et h r o u g hc o n t r o l l i n g t h en e u t r a l p o i n tc u r r e n ta n db r i n g sf o r w a r dt w oc o n t r o ls t r a t e g yt o m a i n t a i nt h e n e u t r a l p o i n tv o l t a g e sb a l a n c e a st ot h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r ，t h ep a p e ra d o p t e ss p a c ev e c t o rm e t h o d ， p r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ec o n t r o l l i n go fi n v e r t e ra n dt h ed e s i g n i n go f s o f t w a r e i m p l e m e n t et h es i m u l a t i o no fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb yf o u n d i n gm a r r l a b s t i m u l i n km o d e l c o n t r 0 1s t r a t e g y i sa p p r o v e db yf o u n d i n gs v p w mm a t h e m a t i c m o d e l f i n a l l y ，b u i l de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m d e s i g n m a i nc i r c u i t 、 e l e c t r i f yc u s h i o n c i r c u i t 、p w ms i g n a lg e n e r a t e 、c u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l i n g 、i g b td r i v ea n dp r o t e c t c i r c u i t ，a n dd e s i g ne l e c t r i f yc u s h i o np r o g r a m 、 c u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l i n gp r o g r a m 、 s v p w mp r o g r a m k e y w o r d s ： t h r e e 1 e v e li n v e r t e r ； n e u t r a l - p o i n tb a l a n c e ； s v p w m ；d s pc o n t r o l s y s t e m l h 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 挥五瓠日期：研年f 月；7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：墀盖南7 别醛轹缁移 日期：川年f 月亏日 日期：孓唰7 年，月弓日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 2 0 世纪后半叶，变频调速技术的出现和日益完善，成为电力拖动领域的一个 重大事件。由于这门技术的迅速发展，使结构简单牢固、价格低廉、应用普及的 交流异步电动机有了性能良好的调速手段。 在各种交流异步电机调速方案中，效率最高、调速性能最好的就是变频调速， 它代表了电气传动发展的主流方向。交流调速即对交流电动机的速度控制。交流 电机，尤其是笼型异步电动机，由于结构简单、制造方便、造价低廉、坚固耐用、 无须维护、运行可靠，更可用于恶劣的环境之中，特别是能做成高速大容量 其极 限容量与转速乘积可达( 4 0 0 6 0 0 ) 1 0 6 k w r m i n 】，因此在工农业生产中得到了 极为广泛的应用。但是交流电动机调速、控制比较困难，这是由于同步电动机的 气隙磁场由电枢电流和励磁电流共同产生，其磁通值不仅决定于这两个电流的大 小，还与工作状态有关；异步电动机则电枢与励磁同在一个绕组，因为两者间存 在强烈的耦合，所以不能简单地通过控制电枢电压或电流来准确地控制气隙磁通 进而控制电磁转矩，因此不能有效地实现电机的运动控制。 交流电机调速原理早在2 0 世纪3 0 年代就进行了深入的研究，但一直受实现技 术或手段的限制而进展缓慢。早期传统的交流调速多采用电磁装置和水银整流器 或闸流管等原始变流元件来实现，2 0 世纪5 0 年代发展了异步电机定子串饱和电抗 器实现调压调速的简单方法。交流电机变频调速是一种理想调速方法，我国从1 9 8 5 年起引进交交变频设备，交交变频轧机主传动装置己投产多套，单机容量最大 为9 0 0 0 k w ，运行效果良好。我国许多单位也在开发交交变频技术，现已具有提 供6 0 0 0 k w 全数字带矢量控制的高性能交交变频调速装置的能力。 我国未来能源发展重点：实施“电机系统节能”计划，未来国家将建设一批 电机调速的示范工程，其中包括以元器件、电工技术变频装置制造、相关配套设 备一体化开发为主的高压变频示范工程。作为节能目的，变频器广泛应用于电力、 冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业。以电力行业为例，由于中 国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提 出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的 发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器，变频器的节能应用前景非常广阔。 基于三电平逆变器调速系统的研究 1 2 课题研究的背景及意义 近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变 频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高一低一 高型；根据有无中问直流环节来分，可以分为交一交变频器和交一直一交变频器， 在交一直一交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源 型。 美国洛克韦尔( a b ) 公司的中压变频器b u l l e t i n 5 5 7 系列，其结构为交一直一 交电流源型，采用功率器件g t o 串联的两电平逆变器。a b 公司近期推出新一代中 压变频器p o w e rf l e x7 0 0 0 系列，用新型功率器件一对称门极换流晶闸管s g c t 代替 原先的g t o ，使驱动和吸收电路简化，系统效率提高，6 k v 系列每个桥臂采用三 只耐压为6 5 0 0 v 的s g c t 串联。 美国罗宾康( r o b i c o n ) 公司利用单元串联多重化技术，生产出功率为 31 5 k w l0 0 0 k w 的完美无谐波高压变频器，无须输出变压器即可以实现直接 3 3 k v 或6 k v 高压输出；首家在高压变频器中采用了先进的i g b t 功率开关器件， 达到了完美无谐波的输出波形，无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的 严格要求；输入功率因数可达0 9 5 以上，t h d o 且圪一 o ，则处于扇区中i ；若 o 且 i 圪i - 去 o ，则处于扇区中i i ；若 o 且一圪一去 o ，则处于扇区i i i 吖，吖j 中；若 o 且圪一 o ，则处于扇区i v 中；若 o 且一l 圪i 一去 o ， v jv j 则处于扇区v 中；若 0 ，则b = 1 ，否则b = o ；若杉3 0 ，则c = l ，否则c = 0 ； 共8 种组合，但a 、b 、c 不可能同时为1 或同时为o ，所以实际组合为6 种。令 n = a + 2 b + 4 c ，a 、b 、c 组合不同对应不同扇区，n 与扇区的对应关系为：3 1 ，1 2 ， 5 3 ，4 4 ，6 5 ，2 6 2 2 1 。 小三角形的判别方法如下：如图3 3 所示，令a l = l ，a 2 = 2 ，c 1 = 3 ，c 2 = 4 ，d = 5 ， b = 6 。 ( 1 ) o 口 詈时，若一吨+ 鲁色 o ，则可判断在。区域，设区域变 量为n ，即n = 6 ；若+ 历吃一粤易 字日，则n = 5 ；若+ 怕屹一譬易 o ，则n = 1 ； 其他情况n = 3 。 判断出区域后，就可以根据一定的开关矢量选择规律确定实际作用的开关矢 量及其作用时间，最后计算出确定的开关矢量的作用时问。 以第1 扇区b 三角形区域为例，参考图3 3 ，按照“伏秒积相等的原理，得到 如下的式子： 硕士学位论文 p p p 0 0 0 n n n l k 盯五= y l f l + y 3 岛+ y 4 【五= + 岛+ f 4 v 0 v lo n n av 3 圈3 3 扇区l 甲的参考天重苗厥 其中，分别为开关矢量k ，巧，虼的作用时间， k ，巧，圪和代入该方程组并分成实部、虚部相等得： f c 。s = 等+ 孚岛+ 三 i s i n = 警吃，4 ( 3 15 ) 和( 316 ) 联寺懈得! ，l = 2 1 一砌s i n ( 詈删玩 屯= 2 砌s i n ( 争乡) - 1 】为 ，4 = 2 砌毛s i n 乡 ( 3 1 5 ) 五为p w m 周期。将 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 其中，七= 2 i 为一常数，m = 3 ( 2 ) 为调制比( o 0 ，c l 充电， 中点电位下降，如图3 8 ( c ) ；反之，若不选择p p o 而选择0 0 n ，则中点电流 i 0 = 一屯 o ，c 2 充电，中点电位上升，如图3 8 ( d ) 。若w 相电流为负( 0 0 ) ， 则选择p p o 使中点电位上升，选择o o n 使中点电位下降。选择p o n 时，中点电流 乇= l ，如图3 8 ( e ) 。若为正且0 为负，则c l 充电，中点电位下降；若l 为负且 i w 为正，则c ，充电，中点电位上升；若i 。为正且i w 为负，则c ，放电，中点电位下 降；若l 为负且t 。为正，则c l 放电，中点电位上升。同样可分析其他矢量以及其 他扇区时候的情况。设流出中点的方向为正方向，归纳可得表3 2 乜6 j 。 可以看到，中点电位的不平衡，归根结底是由于流入或出中点的电流蠢的存 在，使得直流侧两个电容中一个放电，一个充电，导致中点电位发生偏移。并且， 该中点电流对中点电位的影响，不仅取决于中点电流的大小，而且还取决于实际 中电机电流的方向。 3 4 中点电位平衡的控制策略 针对中点钳位逆变电路的电容电压平衡问题，本文在分析三电平逆变器中点 电压不平衡的原因以及基本空间电压矢量对中点电位的影响的基础上，从控制策 略方面介绍两种简单易行的方式保证中点电位的稳定，并基于空间矢量图提出了 一种新的矢量调制方法，从原理上更加有效的解决了中点电位平衡问题。 对中点电位的波动的抑制，可以从两个方面采取措施： ( 1 ) 当空间电压矢量确定的情况下，各合成矢量的排列按照最优的原则是一 定的，但可以在各合成矢量的作用时间不变的基础上，合理安排两个小矢量之间 作用时间的比例，从而对中点电流进行控制，使其为0 或尽可能地小。 ( 2 ) 原有的开关矢量中小矢量和中矢量能引起中点电位的波动，即按照原有 的开关矢量图进行的s v p w m 控制策略不可避免地引起中点电位波动。可以考虑 新的空间开关矢量图，其中所有的开关矢量都不会引起中点电位波动心7 2 引。 基于三电_ 甲逆变器调速系统的研究 c i t 南： 屯 二 = 乞 7 驴 c 2 “h 。 = a ) p o ob ) 0 n n c l 二、屯掣，是 1 一 二 乙 c 2 = 7 屯审 = c ) p p od ) 0 n n c l 屯、 r = 写6 多 l r c 2 = 一 0 1 e ) p o n 图3 8 对中点电位有影晌的开关矢量作用示意图 表3 2 不同的开关矢量所引起的中点电流 小矢量中点电流小矢量中点电流小矢量中点电流 b bb p o o 一屯 o n n 一屯 p o n 一乞 p p o 一乞 o o n 一屯 o p n 一屯 o p o n o n 一乞 n p o 一屯 o p p 一屯 n o o 一屯 n o p 一屯 o o p 一屯 n n o 一屯 o n p 一乞 p o p 一屯 o n o 一屯 p n o 一屯 2 8 硕+ 学位论文 3 4 1 调整冗余小矢量作用时间的中点平衡法 对于小矢量和中矢量，三相负载中的一相或者两相连接到中性点，这将产生 引起中点电位波动的中点电流( i n p ) ，中矢量只有一相电流连接到中点，使得中 点电位在一定程度上依赖于负载条件。三相逆变器每个桥臂的输出共有三种状态， 正电平( p ) 、负电平( n ) 和零电平( o ) ，因此可以设逆变器的开关状态为 u ，= is 。，s6 ，s 。1 1 ( 3 2 1 ) 式中最= 一1 ，0 ，1 ，x = a ，b ，c 对于任一相桥臂，当该桥臂连接到中性点时，即s 。( ，) = 0s 时，此相负载电流 会通过箝位二极管流入到中性点，所以流入到中性点电流的瞬时值可以表示为： f 。p ( ，) = 1 一口6s ( s 口) 】f 。+ 【l 一口6s ( s6 ) 】f 6 + 【1 一口6s ( s 。) 】f 。 = 一口6j ( s 4 ) f 口一口6 s ( s 6 ) 一口6s ( s 。) f 。 ( 3 2 2 ) 式中a b s ( ) 为绝对值函数。此中性点电流流经直流电容，必将造成直流电容 电压的波动，所以中点电位平衡控制的任务就是要在一个控制周期t s 中使得流经 中点的平均中点电流为零，使得在每个控制周期中直流电容电压的变化为零。每 对冗余小矢量产生的输出线电压是相同的，但引起的中点电流极性却相反。中点 电压控制的关键就在于采用合适的小矢量产生期望极性的平均中点电流来平衡电 容电压。 在传统的空间矢量调制( s v p m ) 中点电位控制方法中，最常见的一种中点 控制方法就是通过滞环控制调整冗余小矢量的作用时间，这是一种定性粗略的调 节方案，并且这种方案的实际控制效果和负载功率因数有很大关系，功率因数越 低，其中点控制效果越不理想。冗余小矢量总是成对出现，每对矢量产生同样的 线电压，然而产生的中点电流方向却不同，对于中点电压的影响刚好相反，本文 利用冗余小矢量的这种性质，通过精确调整小矢量对的作用时间分配即调整该冗 余小矢量对的分配因子实现中点电压平衡的控制。由以上对中点电流的分析知道， 欲使每个控制周期中直流电压的变化为零，则需在一个控制周期中控制流经中点 的平均中点电流为零而在系统实际运行过程中，中点电压可能偏离平衡点位置， 或者电容的初始电压不相等，这时应施加适当的中点电流电荷，使得在一个控制 周期内中点电压尽量向平衡点变化。 设每个控制周期中测得的两个直流电容电压的偏差为： u ，= u ，一u ， ( 3 2 3 ) 这时施加控制后流入中点的中点电荷应为 。= 一笠笋 ( 3 2 4 ) 基于三电平逆变器调速系统的研究 其中，为直流电容值，如图2 2 所示。 为提高中点控制性能，当参考矢量位于三角形a 和c 中时计算分配因子的同时 应考虑瞬时流入中点的电流极性，为简化系统控制同时也便于系统控制的实现， 两对冗余小矢量的正小矢量时间分配因子k 选取的原则为： 如果两个正小矢量作用时流入中点的电流极性相同，则 f 册= 七。乞，= ( 1 一后) 乞 肋= 七。乙，乙6 = ( 1 一七) 乙 如果相反，则 f 朋= 尼乞，乞= ( 1 一七) 乞 础= ( 1 一尼) 乙，乙6 = 七气 其中，f ，。，fp6 和f 。口，。6 分别为两对冗余小矢量的正小矢量和负小矢 量作用时间。 由式( 3 2 2 ) 并考虑到三相桥臂开关状态，同时假定一个控制周期t s 内三相 负载电流不变，分别为i a 、i b 、i c ，并且两个正小矢量作用时流入中点的电流极性 相同，则可以得出当参考矢量位于第1 扇区a 三角形中时，一个控制周期里流入中 点的平均中点电荷为 q 尸= 一 l 尼( 瓦+ 瓦) 】+ ，。 后( 瓦一无) + 瓦】+ ，。 ( 1 一七) ( 咒+ 瓦) 】 ( 3 2 5 ) 令q p = q 尸d 可得到 七： 生圣生! 三墨! 叟丛丝 ( 3 2 6 ) ( ，。一，。) ( 瓦+ 瓦) 一，。( 瓦一l ) 式( 3 2 6 ) 就是当参考矢量位于三角形a 中时冗余矢量分配因子计算公式。根据 此式得出的分配因子，即可以实现精确调整冗余小矢量的时间分配，以达到中点 电位平衡的目的。当参考矢量位于c 三角形中时，同上假设可以得到冗余矢量分 配因子 当参考矢量位于c 三角形中时，同上假设可以得到冗余矢量分配因子 七： 五圣墨墨生互望堂q ( 3 2 7 ) ( ，。一，。) ( t + 瓦) 一，6 ( 疋一瓦) 当参考矢量位于b 、d 三角形中时，此时只有一对冗余矢量作用故不需判断中 点电流极性，得出的分配因子计算公式分别如式( 3 2 8 ) ，( 3 2 9 ) 。 忌：生! 圣互2 生f 乏互2 生互望业q ( 3 2 8 ) 一2 。2 ： 忌：! ! ! 互互2 生塾! ! 互望型q( 3 2 9 ) 2 c z 。 如果此时流入中点的电流极性相反，类似地可以得出计算公式。当参考矢量 位于其它扇区时，由对称性不难得出相应的分配因子计算公式。控制中点平衡所 硕士学位论文 需分配因子k 是以q 胛= q p d 为条件得出的，但实际分配因子还将受到调整幅值的 限制，必须满足约束条件：0 后1 。在此约束条件下通过调整正负小矢量的时 间分配，中点电位波动可以完全得到抑制。不能满足约束条件的正负矢量时问分 配时，则只能在约束条件的限制下使得流入中点的中点电荷尽可能少，中点电位 波动可以得到改善，但是不能够得到完全地抑制凹引。 运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，对上述原理进行仿真，仿真参数如表 3 3 ，逆变器仿真电路示意图如图3 9 所示口引。 表3 3s i m u l i k 仿真参数 直流母线电压( v )2 0 0 0 电感( m h ) 电阻( q ) 开关频率( k h z ) 调制比m 0 4 1 0 0 5 o 8 图3 9 逆变器仿真电路示意图 运用调整冗余小矢量作用时间的中点平衡法运行后得到如图3 1 0 ( a b ) 所示 波形。 兰：! ：三竺兰兰兰兰竺些至些竺堡垒 02 萋。2 喜：瞻 一5 善0 三) 5 i0 5r | 1 0 15 时叫( s ) a ) 中点电位仿真波形 000 50 10 1 5 时阳j ( s ) b ) 中点电流仿真波形 囤31 0 调整冗余小矢量作用时间中点平衡法的仿真波形 342 基于新开关矢量图的中点平衡法 存以往的一p 点、f 衡控制方法巾很多是基于罔32 所示的基本硼+ 哭电压矢帚罔 束考虑的。所谓基本开关电压矢量。指的是由逆娈器二相的升笑状态( p 、o 或n ) 组成的2 7 个矢最。当参考电压矢量在空f 1 】旋转时，就f i 描所经过区域的早奉开 关欠量占合成参考电压欠量。由前面章节的论述已绛知道，这些基本升荚矢景当 中的小矢景和中矢量影响中点电位。小矢量是他刘的，它们列巾点的影响刚好相 反+ 所以h 要它们的作川时间相等对中点电他的影响可以丰1 1 且抵消而使中点平 衡。但巾矢量却h 有一个以往的控制策略往往忽视该矢罱的作用。所以由这些 基本扑关矢量去价成参考电压矢量的时候可能引起中点电位升；甲衡。那么，有没 有小影响巾 电位的= 1 1 ：戈电压矢罱呢? 符案是肯定的。r 面来推导新的升关电压 欠晕图，以图3 3 第1 扇区为例。 ( 1 ) 零矢量昧( o o o ) 、大矢量e ( p n n ) 和e ( p p n ) 保持不变。 ( 2 ) 小矢昂旷由p 0 0 和o n n 各以1 ，2 比例合成阿各自的作i h 时问相等 ( f m ，= 删= ，2 ) 。小矢量吐由p p o 和o o n 各以】，2 比例台成，日各自的作川时 n u 柏等( ，川，t ，。= ，2 ) 。这样吒空间位置也小变，且引起的巾点电流k = 0 ( 3 ) l 1 矢景只由引起中点电流为t 的小矢量0 n n 、引起叶l 点电流为l 的中矢 量p o n 和引起t i | 点电流为l 的小欠量p p o ，各以1 3 比例米合成t 且这一个矢量的 作用时h j 相等( 卅= f ，。= f m = 7 ，3 ) ，这样含成的吒的窄问位耀刚好拍第1 扇区 的中心，且引起的巾点电流为0 。 第1 扇区的重新配置如幽3l l ( a ) 。进而扩展到其它扇彤，得到如图31 1 ( b ) 硕士学位论文 所示的新的空间电压矢量图口。值得注意的是中矢量的配置，应由中矢量所在扇 区的引起中点电流分别为屯、和0 的三个矢量各以1 3 比例来合成，这样选择是 为了使中点电流为0 。 这样就得到了基于原来矢量图的新的电压矢量图。在这个新的电压矢量图中， 所有矢量引起的中点电流都为o ，都不影响中点电位。 。 27 删 _ p o + v n 、s 4 l 众 嵋= ；( 戊+ n 么 。n乃 途 3 么队5 杰庶 弋 邈 形7疹j 图3 1 1 新空l 司电压矢量图及区域分布 下面介绍怎样合成参考电压矢量。将第1 扇区划分成5 个部分，如图3 1 1 ( a ) 所示m 3 。 当空间电压矢量落在1 区域时，选择瓦、e 、厦作为合成矢量，可以得到： 订瓦= ，o + k f l + 乞 ( 3 3 0 ) 即： i = o + 丢( + ) o 肋+ r d ) + 丢( + ) ( 锄+ ) ( 3 3 1 ) i = o + 三2 + 丢2 锄 ( 3 3 2 ) 代入各量，并分成实部、虚部得： 解得： 秒) t 肿 ， f y 锄 阳5 j 。压了 一2 = = r 1 晔 薹 s s o 憎 m m 证 珥 出 刃上压如 一 m 始 三石 础 三压 = 聊 舫 一 。 脚 比 ，p，。li、制 凋为 动吃 2 代 = m 中其 基于三电平逆变器调速系统的研究 则可得： “2 字2 去s c 秒一 = o ( 3 3 5 ) = 虹警垃斗去m c o s ( 矽一 其中为逆变器u 相p 状态在一个p w m 周期中所占的比例，同理、分 别为u 相o 状态和n 状态在一个p w m 周期中所占的比例，且+ 嘞+ = 1 。而 中点电流乇为： 1 乇= ( 0 乞州一0 ) + ( 0 0 尸d 一靠乞d ) 】 ( 3 3 6 ) j 由于锄= = 2 ，钿= 锄= 乞2 ，所以乇= 0 ，当空间电压矢量落在1 区 域时，由矢量瓦、玩、唬来合成；落在3 区域的时候，可以由或、秀、坟来合成； 落在4 区域的时候，可以由绣、只、暖来合成；落在5 区域的时候，可以由唬、秀、 k 来合成。按照1 区域的计算方法，同样可以得到当空间电压矢量落在第1 扇区2 ， 3 ，4 ，5 三角形区域时候的、。可以发现嘞、的表达式 和上文一样，且各区域的矢量引起的中点电流也都为0 。进而扩展到整个六边形区 域，经计算得出表3 4 及图3 1 2 所示规律。在整个区域内，各相状态作用时间比例 明确，所以只需要乘以一个p w m 周期值，就能得到各相状态作用的时间，由各项 状态合成得到开关矢量，进而得到合成的空间电压矢量。 同理可以求得v 相的、和w 相的、，如表3 5 ，表3 6 所示。 这种方法和以往的控制策略相比，同样需要知道调制比m 和角度汐另外也需 要判断空间电压矢量落在哪个大的扇区，但不需要继续用多个判据来判断落在哪 个小三角形区域，以及落在每个小区域时候的繁琐的时间计算。该方法在合成矢 量的时间计算上比较统一，因此运算量大大降低，从而提高了d s p 执行的效率， 并且理论上能完全控制住中点电位平衡阳3 3 引。 硕十学位论文 图3 1 2 、d 、和空间电压矢量角目的关系 3 5 基于三电甲逆变器调速系统的研究 表3 6w 相开关状态在一个p w m 周期中的比例 运用基于新开关矢量图的中点平衡法进行仿真，仿真参数如表3 3 运行得到 图3 1 3 ( a b ) 所示波形。 3 6 一0 2 专口 ；- o2 一0 4 5 蠢。 脚5 0 0 5d 10 1 5 叫间( s 】 a ) 中点电位仿真波形 00 0 5n 1n 1 5 时间( s ) b ) 中点电流仿真波形 图313 基于新开关矢量围中点平衡法的仿真波形 和第一种方法相比第二种方法引起中点电位的波动情况要好些，但输出的 线电压波形谐波含量比第一种的丰富。图31 3 和表34 对应，表示第二种方法中逆 变器u 相的吐，、吐。、吨。随时间变化的曲线。只要知道了当前时刻，就可以根据 该曲线计算出下一个p w m 周期里u 相p 、o 和n 状态的作用时间。v 相和w 相的p 、 o 和n 状态的作用时间同样可以根据各自的状态比例变化曲线得到。而第一种方法 需要运用繁琐的判断依据，之后还需进行复杂的时间计算，所以第二种方法在 计算上比第一种耍简单的多。其实，从宏观上来看，第一种方法是将开关矢量作 为一个整体，从而去计算其作用的时间，然后去控制逆变器的三相：而第二种方 法刚好相反。它把组成开关矢量的u 、v 和w 相韵开关状态分割，分别去控制这三 相状态的作用时间，从而组成开关矢量。 3 5 本章小结 本章主要介绍了三电平逆变器的控制策略及中点电位平衡问题，包括什么是 中点电位平衡和中点电位不平衡所造成的危害。讨论了各种开关矢量对中点电位 的影响以及造成中点电位不平衡的本质。在此基础上，提出了两种中点电位平衡 的控制策略，详细讨论了各自的机理。研究三电平的中点电位平衡，主要为了能 控制好中点电位的平衡，使得电位的波动不至于影响逆变器的正常工作和输出。 只有较好地解决了中点电位的平衡问题，逆变器才能稳定有效地工作。 基于三电平逆变器调速系统的研究 第4 章基于三电平逆变器调速系统的矢量控制 4 1引言 普通两电平逆变器供电时，其输出电压只和本身的开关状态有关，和电机的 运行状态不存在任何耦合关系。因此，对这类系统的仿真相对简单，可以对逆变 器和电机分别建模，仿真计算时只需将逆变器输出电压作为电机方程组的激励即 可。而三电平逆变器供电时，情况则大不相同。由于n p c 三电平逆变器存在直流 侧中点电位波动问题，使得n p c 三电平逆变器不是一个独立的电压源，而是和电 机负载密切相关的受控电压源。如果将两者分离单独计算，将会造成很大的误差， 不利于分析逆变器中点电压的波动情况。因此，这里将逆变器和异步电动机作为 个整体来研究，建立仿真模型。 4 2 三电平逆变器一异步电机矢量控制系统 基于静止坐标系的异步电机数学方程，虽然它正确的反映了异步电机的特性， 但它是建立在电机稳态数学模型基础上，在三相静止坐标系中，由于电机矩阵方 程中有些系数随转子夹角和转速的变化而变化，不能表达电机运行的动态变化过 程，因此为了使电机控制有很好的响应过程，需要从电机的动态模型出发。由于 动态模型是时变非线性的多变量耦合方程，不能对电机的转矩和磁链进行有效的 解耦控制，因此需要通过坐标变换对其进行解耦，使其达到与直流电机一样的控 制效果。 常规异步电机的矢量控制有：转子磁场定向矢量控制、气隙磁场定向矢量控 制和定子磁场定向矢量控制，如果把旋转坐标系轴m 定向于电机定子磁链，即少。 与m 轴重合，则实现交流异步电机的定子磁场定向控制。此时，定子磁链t 轴分 量为零，即。= 帆，时= 0 ；而气隙磁场定向控制为将旋转坐标系的m 轴与电 机气隙磁链矢量重合。参考下面的转子磁场定向方法可以推导出定子磁场定向 和气隙磁场定向的异步电机数学模型，这两种磁场定向控制方法的磁场和转矩电 流之间没有解耦，不能获得良好的转矩控制性能，而转子磁场定向控制是异步电 机解耦控制中最常用的一种方法，它需要将异步电机的三相a b c 坐标系转换到 同步旋转d 8 q 8 坐标系中，图4 1 给出异步电机转子磁场定向控制的向量图。幽轴 被固定在定子上，而固定在转子上的d 7 9 7 以转子的角速度缈，旋转，同步旋转的 d 8 9 。轴比d 7 9 7 轴超前一个与转差频率国。相关的鼠角，由于转子磁链被定向在d 8 轴 上且= 缈，+ 国。，因此存在： 硕十学位论文 包= n 斫= r q + 织) 衍= p + 包 l ；，d r一7 八 以 b b 易 ， ， 图4 1 转子磁场定向控制的向量图 ( 4 1 ) 由电机d 。9 8 等效电路，可直接导出间接矢量控制的控制方程式，其转子回路 方程： 转子磁链方程： 由上述方程可以得： 0 一( 嚷一q ) = 0 0 + ( 魄一q ) = o = 等专么 ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) 。= 等专。 5 ， 由于转子电流不可测，将式( 4 4 ) ( 4 5 ) 代入( 4 2 ) 得 考虑解耦控制有： 鲁一每r 么一织- o 斗一挚一一q = o 3 9 - ( 4 6 ) ( 4 7 ) 尼 如 + + 警监衍 k 0 厶k + + 0 厶l i i = ，j、【 + + 监衍监班 基于三电平逆变器调速系统的研究 堕鳌：o( 4 8 ) 讲 以使转子的合成磁链”定向在d 。轴上，将式( 4 7 )( 4 8 ) 代入( 4 6 ) 得： 孚孥+ ：厶 ( 4 9 ) r d l ” m “ 红= 差。 l l ，r l r 。 若转子磁链 为常数，则炸= 厶乙，即在稳态时转子磁链与励磁电流分量， 成正比m 3 6 l 。 为了实现对电机的间接矢量控制，要求考虑式( 4 1 ) 、( 4 9 ) 、( 4 1o ) 控制方 程，图4 2 给出一个三电平逆变器矢量控制构成框图，该控制系统需要检测三相电 流和电机的实际转速，采样的三相电流经过静止到旋转的坐标变换产生实际电流 的励磁分量么和转矩分量k ，速度控制环产生定子电流的转矩分量0 ，根据式 ( 4 9 ) 、( 4 10 ) 确定产生期望的转子磁链所需要的励磁电流分量么，转差频率织 基于式( 4 9 ) 、( 4 1 0 ) 由电流产生，对应的转差增益为： 髟驴= 詈= 瓮 信号织与速度信号q 相加产生频率信号敛，如图4 2 磁链观测器所示，其输 入信号为转子转速与定子绕组的电流，输出信号为磁链观测角度和幅值， 为转子时间常数，逆变器采用电压型，以电压幅值和相位作为输入信号， s = is r s 七j 中s 七p 中s 其中： 7 1 一 屯一i 则有： ( 4 1 2 ) 虮= t e + 厶 ( 4 1 3 ) 由( 4 3 ) 、( 4 4 ) 和( 4 5 ) 可以得到 虬= 盯t + 争 ( 4 1 4 ) 因此由式( 4 11 ) 和转子侧方程可以得出转子磁场定向时异步电机的定子电压 方程表示为： 雌二麓二糍二：二麓 1 = ( b + 盯厶p ) 0 一q 盯厶么+ ( 1 一盯) t 魄， 因此给定电压满足下列式子能够得到解耦控制： 一一叩“k 瓯+ 贮 ( 4 1 6 ) 【+ 2q 仃厶么+ ( 1 一) ( k p k + jk 0 衍) 硕士学位论文 其中仃= l 一( 乙2 厶) 。巧，k 分别为比例系数和积分常数。 图4 2 三电平逆变器矢量控制系统框图 4 3 仿真结果及分析 目前电力电子常用的仿真软件有s a b e r 、p s i m 、m a t l a b s i m u l i n k 等，m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的用于数学计算的一套软件，它具有强大的数值运算功能、 丰富的工具箱、简便的绘图功能、可视化的仿真环境s i m u l i n k 。s i m u l i n k 可 以对非线性控制、电力系统、模糊控制等进行深入的建模、仿真和研究。s i m u l i n k 由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分组成。大多数情况下，用户很 少需要编写程序，只需用鼠标拖拉、连接其自带的图形化功能模块，就可以直观 地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。更重要的是， s i m u l i n k 能够用m a t l a b 自身的m 语言或c 、f o i 盯r a n 语言，按照s 函数 的模版，编制用户自定义的功能模块。s i m u l i n k 仿真工具箱中包括了用于仿真 模糊控制系统的模糊工具箱( f u z z yt o o l b o x ) ，以及专门用于电力电子、电气传 动系统仿真的电气系统模块库( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) 。 基于转子磁链定向控制的异步电机矢量控制系统仿真结构图如下： 圣三三皇圣垩耋量堡塞垂些塑窒彗 图43 异步电机矢量控制系统仿真结构闰 图4 3 中，d q _ a b c 模块根据输入u 。和叱及转差角，计算a b 坐标系下的电 压输入到s v p w m 模块，s v p w m 根据输入产生合适脉冲经i g b t i n v e r t 输入等 效的正弦波电压至异步电机定子侧。圈中转速滤波表示转速测量所带来的延时， 矢量控制环节是系统的核心，结构图如下： 田4 4 矢量控制环节仿真结构囤 矢量控制环节包括定子电流3 s ，2 r 变换、转于磁链观测、转差角计算、定子 电流i s d 、i 8 q 分量调节、电压解耦等部分组成，定子电流3 s ，2 r 变换模块根据检 测的定子反馈电流计算出定子电流的、分量“”。 针剥上述矢量控制的理论分析及仿真模型，建立了三电平逆变器一异步电机 硕十学位论文 矢量控制仿真模型，仿真中控制周期为0 0 0 0 2 s ，异步电机功率2 0 0 k w ，额定电压 1 2 0 0 v ，功率因数0 9 ，效率o 8 8 ，频率：5 0 h z ，定子电阻墨= 0 0 5 3 4 q ， 尺2 = o 0 5 3 6 q ，结果如图4 5 所示。 a ) 转矩波形 b ) 线电压波形 c ) 转速波形 ：主li_；f善jj董i 厂 ；ii；i oo 0 5