（电力电子与电力传动专业论文）多电平变换器svpwm矢量发生技术研究.pdf

t e c h n o l o g yo fs v p w ms p a c ev e c t o rg e n e r a t i o nf o r m u l t i l e v e lc o n v e r t e r s a b s t r a c t m u l t i l e v e ld i o d ec l a m pc o n v e r t e rh a so b t a i n e dg o o da p p l i c a t i o ni ns o m eh i g h p o w e rs i t u a t i o n sw h i c he n e r g yc a nf l o wf o r w a r da n db a c k s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) c o n t r o im e t h o dh a sb e c o m eo n eo f i t sm o s ti m p o r t a n tc o n t r o l m e t h o d s ，f o ri t sl o wh a r m o n i cc o n t e n t ，h i g hv o l t a g eu s i n ge f f i c i e n c y ，c o n v e n i e n c e w i t hd i g i t a lr e a l i z a t i o na n ds oo n ， s p a c ev e c t o r sg e n e r a t i o ni st h ek e yp a r to fs v p w mc o n t r o lo fm u l t i 1 e v e l c o n v e r t e r s o n eo ft 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 e a c c e p t ，b u ti t sa 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 et h e s p a c ev e c t o r sg e n e r a t i o n ，m a n yn e wm 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 n m e t h o d si n t h i sa r t i c l e o n em e t h o di st h ed i s a s s e m b l yo fr e f e r e n c ev o l t a g e v e c t o r t h er e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o rc a nb ed i s a s s e m b l ei n t ot w ov e c t o r s ：b a s ev e c t o r a n dt w o l e v e l sv e c t o r , t h e nw ec a nu s et h em e t h o dw h i c hi ss i m i l a rt ot w o l e v e ls p a c e v e c t o rt oc h o o s et h r e eb a s i cv e c t o ra n dc a l c u l a t et h et i m e t h eo t h e rm e t h o di sb a s e d o nt h e c 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 lc o o r d i n a t e s 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 e ss y s t e m t 1 1 i sm e t h o dd o e s n tn e e d t oi n v o l v et e d i o u st r i a n g l eo 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 e m e n to f v e c t o rs e c t o ra n dt h et i m eo f c 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 e v e c t o r g e n e r a t o r i s s p e c i a l l yu s e d f o rs v p w ms p a c ev e c t o r g e n e r a t i o no ft h em u l t i l e v e l sc o n v e r t e r , b yas e r i e so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i t sa m o d u l ew h i c hf i r s t l yo b t a i n st h ev e c t o r sm a g n i t u d ea n da n g l ef r o mt h ed s p p r o c e s s o r ，a n ds e c o n d l yf i n i s ht h ed r i v i n gs i g n a l sg e n e r a t i o n t h i sa r t i c l ei n d e t a i l i n t r o d u c es e v e r a lk i n do fv e c t o r sg e n e r a t o r s f e a s i b l ep l a n s ：”b a s e do nd s pv e c t o r g e n e r a t o r ”，”b a s e d o nd s p + f p g av e c t o rg e n e r a t o r ”，b a s e do nf p g av e c t o r g e n e r a t o r ”i ti sf o u n dt h a t ”b a s e do nd s p + f p g av e c t o rg e n e r a t o r ”i se a s yt or e a l i z e c o m p a r e dw i t ht w oo t h e rp l a n s t h i sa r t i c l ef i n a l l yh 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 em u l t i l e v e l s v e c t o rg 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 eo f1 5 k wt h r e e l e v e li 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 nf p g av 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 li n v e r t e r ；s p a c ev o l t a g ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；v e c t o r g e n e r a t i o n ；v e c t o rg e n e r a t o r 插图清单 图1 1 电压型多电平变换器分类图! 图1 2 单相单臂全桥二极管筘位变换器3 图1 3 单相单臂全桥电容籀位式变换器3 图1 4 独立直流电源级联式三电平交换器4 图1 5 多电平s h e p w m 4 图1 6 各种无电平载波调制示意图5 图1 7 二极管箝位式三电平逆变器主拓扑及其驱动6 图1 8 空间电压矢量分布图7 图2 1 参考电压矢量在空间矢量图中的轨迹1 0 图2 2u 。、u 口合成v 1 0 图2 3 利用曰和i v r a i 判断v 一所在区域1 1 图2 4 利用u 、v b 判断v 。r 所在区域1 1 图3 1 三相参考电压分解1 5 图3 2 三电平空闻矢量的重薪划分圉1 5 图3 3 两电平空间矢量图1 6 图3 4 规则采样p w m 1 7 图3 5 选择j 值抑制中点电位波动1 9 图3 6 窄脉冲可能出现的区域1 9 图3 7 四电平空间矢量图的简化2 0 图3 8 小四边形分割法示意图2 0 图3 9 矢量平移图2 l 图3 1 0 “中压法”改进图2 1 图4 1m n 坐标系下的空间矢量图2 3 图4 2k l 坐标系下空间矢量示意图一2 4 图4 3k l 坐标系下区域判断2 6 图5 1 模型框架2 8 图5 2 脉冲发生块一2 8 图5 - 3 主电路2 9 图5 4 脉冲发生器内部构成2 9 图5 5t i m e 模块2 9 图5 6s v p w m 模块。3 0 图5 7 “s u b s y s t e m ”模块3 1 图5 8 “扇区判断与计算角度输出”模块3 2 图5 9 “区域判断与调制比”模块3 2 图5 1 0 “作用时间判断与输出”模块3 2 图5 1 1 “时间分配”模块3 3 图5 1 2 “m u l t i p o r ts w i t c h ”模块3 3 图5 1 3 “s t a t e - t o - 1 2 p u l s e sd e c o d e r ”模块3 4 图5 1 4 相电压仿真波形3 4 图5 1 5 滤波前后的线电压仿真波形3 4 图5 1 6 模型框架3 5 图5 1 7 “脉冲发生块”模块3 5 图5 1 8 “c o r r e c t i o no fr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o r ”模块3 6 图5 1 9 “t w ol e v e ls v p w m ”模块3 6 图5 2 0 “f a nx i uz h e n gx i nh a o ”模块3 7 图5 2 1 输出相电压仿真波形( 新型) 3 7 图5 2 2 滤波前后的线电压仿真波形( 新型) 3 7 图6 1 矢量发生器独立模块3 8 图6 2 基于d s p 的矢量发生器硬件构成4 0 图6 - 3 矢量发生器算法总流程图4 1 图6 4 判断区域k 的流程图4 2 图6 5 基于d s p + f p g a 矢量发生器的三电平逆变器系统构成4 5 图6 6 基于d s p + f p g a 的矢量发生器硬件结构4 5 图6 7d s p 的程序流程图4 5 图6 8t 1 嵌套中断服务予程序流程图4 6 图6 9f p g a 译码流程4 6 图6 1 0 基于f p g a 的矢量发生器的硬件构成4 7 图7 1 多电平矢量发生的逆变实验系统构成4 9 图7 2 光耦t l p 2 5 0 驱动电路5 0 图7 3 二极管嵌位式主电路5 l 图7 4d s p 的电源电路5 2 图7 5 调理电路5 2 图7 6 看门狗电路5 2 图7 7t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 处理器芯片及其一些外围5 3 图7 8f p g a 的电源5 4 图7 9c y c l o n ee p l c 3 t 1 4 4 芯片及其一些夕 围5 5 图7 1 0 直流电压检测电路5 6 图7 11 交流电压检测保护电路 图7 1 2 交流电流检测保护电路 图7 。13t 1 管驱动脉冲波形( 1 8 3 6 6 0 拍) 一 图7 1 4 验证电路输出波形( 1 8 1 3 6 1 6 0 掐) 图7 1 5 拍数为18 时主电路t 1 管波形 图7 1 6 拍数为18 时主电路t 2 管波形 图7 1 7 滤波前输出相电压波形( 1 8 拍) 图7 1 8 滤波后输出相电压波形( 1 8 拍) 图7 1 9 主电路t l 管波形图( 3 6 拍) 图7 2 0 主电路t 2 管波形( 3 6 拍) 图7 2 1 主电路滤波后输出相电压波形( 3 6 拍) 跖卯卯卯锶弼船鳃铝鼹鲫 表格清单 表1 ，1 矢量分类表 表2 1 判断规则和矢量扇区关系表 表2 ，2a 区电压矢量分配表 表3 1 参考电压修正表 表3 2 两电平分矢量扇区位置判断条件 表6 1p w m x 和主功率电路开关管对应关系 表7 1c y c l o n e 配置模式 7 1 2 l3 1 6 1 7 4 1 5 4 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一j ：作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和i 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，也不包宙为获得 佥胆j ：些厶堂 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：徐钏苔签字嗽如瞬6 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒世王些态堂有关保留、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。本人授权金蟹王些太鲎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) 黜嫦繇彳笨针伊 签字日期d 茹多月廖日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：胁 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师张崇巍教授以及张兴教授的糟心指导下完成的。从课程学 习、论文选题到论文成稿，无不倾注了导师的大量心血。导师渊博的知识、开 阔的胸怀，令我高山仰止景行行止：导师宽厚慈爱的师长风范，诲人不倦的敬 业精神，使我如沐春风受益匪浅；导师严谨的科研态度、务实的工作作风，给 我言传身教树立榜样。在我生病其间，导师在繁忙的工作之余，仍然给予我感 怀亲切的安慰、殷切诚恳的鼓励以及细丝入微的关心，帮助我顺利度过难关。 在此向他们致以最诚挚的敬意，表示深深的感谢! 衷心祝愿两位老师工作顺利， 桃李天下! 另外还要感谢张强、许颇、谢震、杨淑英等几位师兄，丁金刚、鲍伟、张 宝星、汪令祥、方亮、余发平、邓凡礼、司媛媛、倪华、姚丹等几位同学，他 们对我的学习和研究给予了大力支持和无私帮助! 尤其要感谢我的师弟苑春明， 他帮助我搜集了大量的资料，并在多次讨论中及时给予启发，给我的工作带来 极大的方便。同时也要感谢合肥阳光电源公司，他们提供的实验平台和良好的 工作氛围，使我受到了很好的磨练和熏陶! 还要感谢我的父母、亲友、朋友，在你们亲切关怀努力呵护下，我逐渐成 长起来了。我踏出的每个步伐，都离不开你们这道坚强的后盾。 作者：徐剑飞 2 0 0 6 年5 月于合肥工业大学 1 1 多电平变换器 第一章绪论 在电压型d c a c 变换器中，若设直流源电压为p 么，以其负端为零电位点， 经过电力电子变换电路之后，得到的输出p w m 脉冲波只有两种电平即0 和， 因此，通常称这类变换器电路为两电平( t w o 1 e v e l ) 电路。如果多个直流源和 电力电子器件经过特定的拓扑变换，并且控制不同的直流源串联输出，则在变 换电路的不同开关状态下，就可以在输出端得到不同幅值的多种电平的输出。 采用这种原理的变换电路称作多电平( m u l t i 1 e v e l ) 电路。 1 1 1 多电平变换器的分类、应用和研究现状 ( 一) 分类 经过多年的发展，至今已形成了几类多电平变换器结构：一类是箝位型变换 器拓扑，包括二极管箝位型、电容箝位型等，以及在此基础上发展出的通用型 结构；第二类为级联型结构。电压型多电平变换器分类如图1 1 所示。 多电平变换器具有很多 自己的特点： 1 这种多电平技术无需 升降压变压器，又无需均压电 路，可以实现“高一高”方式 的高压变频。 2 随着输出电平数的增 加，输出波形具有更好的谐波 频谱。 3 每个开关器件承受的 电压应力小，无需均压电路； 并可用较低频率进行开关动 作，开关频率低、损耗小、效 率高。 图1 1电压型多电平变换器分类图 4 降低了输出电平的跳变，可避免大的a v a t ； 5 输出功率因数很高。 ( 二) 应用 多电平变换器与传统两电平相比具有许多优势，可以用在各种高压大容量 领域，包括直流和交流之间的变换、直流和直流之间的变换。主要分为：交直 流能量转换、高压大容量交流电机变频调速、电能质量综合治理等领域。 1 交直流能量转换。与传统的两电平电路相比，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。可以用于高压 直流输电、超导储能、感应加热和大容量u p s 电源等。 2 电能质量综合治理。风力发电和太阳能发电可通过高压多电平变换器入 网，可以起清洁能源的利用。随着大量电力电子装置的普及使用，电网受到闩 益严重的谐波污染，多电平变换器在无功补偿和有源滤波方面，也有着广泛应 用。 3 高压大电机变频调速领域。水厂、电厂的风机、泵类负载和钢厂轧钢都 用到高压大容量机车牵引系统，采用多电平变换调速技术可以节约大量能源， 提高生产效率及实现重载、高速列车的牵引。 ( 三) 研究现状 目前，二极管箝位式的研究仍以三电平居多，也有五电平变换器见诸理论 场合。三电平以上的变换器受限于技术瓶颈，一直未有较大的突破。而h 桥串 联型，变换器的电平数可以做得很高。 研究领域主要分为以下几类：多电平变换器的拓扑；多电平变换器的控制； 中点电位平衡问题和窄脉冲闻题。 1 1 2 多电平交换器拓扑概述 从目前所见到的各种多电平变换器主电路拓扑结构来看，主要可归结为三 种基本的拓扑结构：1 ) 二极管箝位式；2 ) 箝位电容式；3 ) 独立直流电源级联 式。其他一些新型拓扑都是由这三类最基本的拓扑演化而来的。 ( 一) 二极管箝位式( d i o d e c l a m p e d ) 二极管箝位式三电平逆变器也称中点箝位( n e t u r a lp i o n tc l a m p e d ，n p c ) 逆变器，图1 2 ( a ) 所示的是一个单项单臂全桥二极管箝位三电平变换器。其中。 d 1 、d 2 为箝位二极管，c 1 、c 2 为分压电容且电容值相同，所以每个电容上的 电压为e 犯，s 1 、s 2 、s 3 、s 4 为开关器件，每个开关器件有一个主开关管和一 个续流二极管组成。 若要得到更多的电平数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为( n 一1 ) 个串联，每桥臂主开关器件改为2 ( n 1 ) 个串联，每桥臂的箝位二极管数量 改为( n 1 ) ( n 2 ) 个，图1 2 ( b ) 为单相单臂二极管筘位五电平变换器结构。 二极管箝位多电平变换器也可构成三相结构，它的控制原理和单相相同。 对于需要四象限可逆运行的负载，只需将两组相同的多电平三相变换器按照“背 靠背”方式连接就可实现。 h 厂刊f n 毪 ( a ) ( b ) 图i 2 单相单臂全桥二极管箝位变换器 二极管箝位式多电平逆变器的特点如下： 优点：( 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少；( 2 ) 器件在基频t i 作， 开关损耗小，频率高：( 3 ) 可控制无功功率；( 4 ) 可以背靠背( b a c k t o b a c k ) 连 接四象限运行，系统控制简单。 缺点： ( 1 ) 需要大量的箝位二极管；( 2 ) 只用单个逆变器难以控制有功功率 换流；( 3 ) 存在电容电压不平衡问题。 二) 电容箝位式( f l y i n g - c a p a c i t o r ) ( a ) ( b ) 图1 3 单相单臂全桥电容箝位式变换器 亦称之为飞跨电容式，最早是由t a m e y n a r d 和h f o c h 在1 9 9 2 年的p e s c 会 议上提出的。图1 3 ( a ) 所示的是单相飞跨电容三电平变换器，c 3 为箝位电容， 直流分压电容c 1 = c 2 。 若要得到更多的电平数，例如n 电平，只需将直流分压电容改为( n 一1 ) 个，开关器件为2 ( n 1 ) 个，以及箝位电容( n 1 ) ( n 2 ) 2 个。图1 3 ( b ) 为 飞跨电容五电平变换器。 飞跨电容多电平变换器的特点： 优点：( 1 ) 省去了大量的箝位二极管；( 2 ) 开关方式灵活；( 3 ) 对功率器 件保护能力较强；( 4 ) 既能控制有功功率又能控制无功功率。 缺点：( 1 ) 需要大量筘位电容；( 2 ) 系统控制复杂；( 3 ) 存在直流分压电 容电压不平衡问题。 ( 三) h 桥串联式( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e ) 也称为独立直流电源级联式，该变换器采用若干个低压p w m 变换单元直接 级联方式实现高压输出。图1 4 是一个由两个相同的独立单元组 成的5 电平变换器。 优点；( 1 ) 电平数越多，输 k 出电压谐波含量越少；( 2 ) 器件 在基频下开通和关断，损耗小， 效率高；( 3 ) 无需箱位二极管和 电容，易于封装；( 4 ) 基于低压 小容量变换器级联的组成方式， 技术成熟，易于模块化；( 5 ) 可 。 采用软开关技术，以避免笨重、 耗能的阻容吸收电路；( 6 ) 不存 在电路电压平衡问题。 缺点：( 1 ) 需多个独立电源； 图1 4 独立直流电源级联式三电平变换器 ( 2 ) 不易实现四象限运行。 1 1 。3 多电平变换器控制概述 ( 一) 低次谐波消去法( s h e p w m ) 它是根据s p w m 调制后输出的电压波 形，预先确定l ，a 2 ，a 。这n 个未知 量角度，傅立叶分解后，然后根据要消去 的2 k + l ( k = l ，2 1 1 ) 次谐波，列出n 个非线性方程组。 用牛顿拉夫逊迭代法求解这个非 线性方程组，解得a l ，u 2 ，a 。的值。 微处理器根据这n 个角度，发出脉冲去控制 功率管，得到理想的输出波形( 不含有所 o45 9 0 节r l 图1 5 多电平s h e p w m 消去的谐波) 。这种方法用于三电平的调制波形如图1 5 。 低次谐波消去法( s h e p w m ) 的特点： 优点：( 1 ) 在同样的开关频率下，产生最优的输出电压波形，从而减小电 流纹波和转矩脉动，提高整体性能；( 2 ) 减小直流侧纹波，使直流侧滤波器尺 寸减小：( 3 ) 得到最低开关频率，减少开关损耗，提高转换效率：( 4 ) 通过调 制得到较高基波电压，提高直流电压利用率。 缺点：( 1 ) 用牛顿迭代法解一组非线性方程组，这是最大的一个困难：( 2 ) 若用“离线式”( 离线计算后存于计算机) ，受计算时间和存储容量限制。 ( 二) 多电平载波调制p w m 技术 1 载波层叠法( c a r r i e rd i s p o s i t i o np w m ) 对于n 电平变换器，采用n 一1 个等幅值、同频率的三角波为载波，上下连续 层叠，与同一调制波进行比较，在采样时刻根据调制波与各个三角波的比较结 果输出不同的电平，并决定对应开关管的开关状态。根据三角载波之间相位关 系的排列不同，又可以分为三类： a 同相层叠方式( p h a s ed i s p o s i t i o n - - p d ) ，即所有载波以相同的相位上下 排列叠加。如图1 6 ( a ) 所示。 b 正负反相层叠式( p h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n - - p o d ) ，这种方法是使零 一一 ( b ) ( c ) ( d j 图1 6 各种无电平载波调制示意图 值以上的载波相位和零值以下的载波相位相反。如图1 6 ( b ) 所示。 c ，交替反向层叠式( a l t e r n a t i v ep h a s eo p p o s i t i o nd i s p o s i t i o n - - a p o d ) ，这 种方式是指所有相邻载波的相位都相反。如图1 6 ( c ) 所示。 载波层叠法可直接用于二极管箝位型多电平结构的控制，对其它类型的多 电平结构也可适用。 2 载波移相法( p h a s es h i f i c a r r i e rp w m ) 对于n 电平变换器，n 1 个不同相位的三角载波分别与调制波进行比较，生 成相对独立的n 一1 组p w m 调制信号，去驱动n 1 个功率单元，每一个单元控制就 退化成两电平单元的p w m 控制，各单元的输出相加生成一个等效多电平p w m 波形。如图1 6 ( d ) 所示，我们可以看到，载波移相法( p s ) 和a p o d 非常类 似。载波移相法一般用在h 桥级联型结构、电容籍位型结构。 3 特点比较 这四种载波p w m 方法在输出谐波方面有所不同。利用双边傅立叶分析， 可以得出这四种载波方法的各次谐波的值，从而得出它们在谐波消除方面的优 劣。结论如下： a 载波同相层叠方式( p d ) 的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能。交 替反向层叠式( a p o d ) 次之，正负反相层叠式( p o d ) 效果最差。 b a p o d 和p s 有相同的谐波性能，前提是在一个基波周期内总的开关次数 相同。 c 在p s 方式下，通过不连续的控制波与移相载波的比较，可以得到类似p d 方式的谐波性能。 ( 三) 多电平空间矢量p w m 技术 传统的多电平s v p w m 和两电平s v p w m 在原理上是基本一致的，多电平 s v p w m 只不过是两电平s v p w m 的一种拓展。 图1 7 是二极管箝位 式三电平逆变器的主电路 结构。在每相桥臂的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，并分别从相节 点输出e 、e 2 和0 。将这 3 种开关组合及其电压输 出称为状态，并分别记为： 刮 二劂日匹型 图1 7 二极管箝位式三电平逆变器主拓扑及其驱动 2 、1 和0 ，我们将之取名为“开关状态码”。图中的三相三电平逆变器中的3 个桥臂的状态能形成3 3 - - - 2 7 种组合，形成2 7 个电压矢量，每个组合都唯一对 应一个空间电压矢量。因此在下面的论述中可用3 个桥臂的开关状态码来标记 空间矢量，如：2 2 0 、1 1 2 等。 可以把2 7 个空间电压矢量分为四类：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量， 对应于表1 1 。 其中，小矢量的幅值为e 3 ，中矢量的幅值为i e 3 ，大矢量的幅值为2 e 3 。 2 7 个矢量的顶点可构成如图2 所示的六边形空间矢量图。三电平逆变器的2 7 个矢量远多于两电平逆变器的8 个矢量，矢量选择范围的拓展使得逆变器能更 好地逼近正弦输出，获得更好的性能。 零矢量0 0 0 ，1 l l ，2 2 2 小矢量 1 0 0 ，1 1 0 ，0 1 0 ，0 1 1 ，0 0 1 ，1 0 1 ：2 1 1 ，2 2 1 ，1 2 1 ，1 2 2 1 1 2 2 1 2 中矢量 2 1 0 ，1 2 0 ，0 2 1 ，0 1 2 ，1 0 2 ，2 0 1 大矢量 2 0 0 ，2 2 0 ，0 2 0 ，0 2 2 ，0 0 2 ，2 0 2 0 2 v 、 0 2 0 表1 1 矢量分类表 a 4 1 ( c 4 ( 大矢量) 1 0 ( 中矢量) d 9 l1 1 f 4 a 0 1 2 i 矿 ，e 2 w 旆 e 4 1 0 1 f 2 2 0 1 图1 8 空间电压矢量分布图 图1 8 中，6 个大矢量将矢量空间划分成a f 六个大区域，而在每个大区 域之中又由其包含的各矢量的顶点组成四个小区域，共得到有2 4 个小区域。空 间矢量调制的控制思想就是当参考电压矢量落入某一个小区域时，可选择该区 域中离参考电压矢量最近的3 个矢量来替代与合成，这种方法称之为“最近3 矢量法”。具体步骤详见第二章。 空间矢量p w m 法( s v p w m ) 是多电平控制方法中最受重视的一种。其优 点在于： 1 在大范围调制比内有很好的性能： 2 无需存储大量数据且易于数字化实现； 3 具有较小的输出谐波含量和较高的电压利用率。 1 2 多电平s v p w m 矢量发生研究的意义 s v p w m 控制技术是二极管箝位式多电平变换器较适合的控制技术。目前 对于s v p w m 技术的研究主要集中在：矢量发生技术的简化、中点电位的控制、 转矩脉动的优化、窄脉冲问题、开关损耗、过调制等等。 本文将矢量发生单独拎出并加以研究，是具有重要意义的。首先，多电平 s v p w m 算法的复杂程度大大超过了两电平，如果不分割处理，实现难度将无 法想象。其次，矢量发生是s v p w m 算法的关键部分，将其进行系统研究将会 凸现其重要性，这就可以为其他新型矢量发生的提出铺平道路。 1 3 本文的主要工作 作者在收集大量文献后，概述了多电平变换器目前存在的几种矢量发生技 术，包括查表式多电平矢量发生、参考电压分解式多电平矢量发生、非正交坐 标系多电平矢量发生等，通过对查表式和参考电压分解式两种矢量发生方法进 行m a t l a b 仿真，在理论上验证他们是可行的。然后在上述的基础上，又提出 矢量发生器的概念，并详细介绍几种矢量发生器的方案：包括“基于d s p 的矢 量发生器”，“基于d s p + f p g a 的矢量发生器”，“基于f p g a 的矢量发生器”。最 后，作者搭建一个三电平矢量发生的逆变实验系统平台，将制作的矢量发生器 用于主电路，得到较为理想的实验结果，进一步在实践上验证其可行性。 2 1 引言 第二章查表式s v p w m 矢量发生 查表式s v p w m 矢量发生是常规的多电平矢量发生，它是从两电平矢量发生演 变而来的。本章我们以三电平逆变器为例说明这种查表式s v p w m 矢量发生的实现 过程。 具体步骤如下： ( 1 ) 确定参考电压矢量 ( 2 ) 确定参考电压矢量所在区域； ( 3 ) 确定最近三矢量并计算矢量合成时间； ( 4 ) 按矢量分配表发送信号。 2 2 矢量选择 假定u ，v ，w 三相参考电压如下 u = u s i n t o t 1 u r = u ，s i n ( o x 一詈丌)( 2 - 1 ) = 吣i n ( t o t 一詈石) 则可将参考空i 司电压矢量定义为z = 要( u u + e l r u p + 8 j ”u ) ( 2 2 ) 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) ，可得： 11 v 一2 掣号u ms i n w t + j i 。c mc o s w t ：要昙u 。【s i n w t + - ，c o s w 】：u 。p “p ( 2 - 3 ) 图2 1 所示的三电平空间电压矢量圈中，晰量轨迹为一个圆。对于任一个 p 只需知道，古勺幅值和相角，就能判断出处于哪个区域，然后选择最近 三矢量替代。对于参考电压矢量，也可以看作是由n ，卢轴分量v 。、v b 合成得 到的，如图2 2 所示。 罱) 图2 1 参考电压矢量在空间矢量图中的轨迹 坛 图2 2 v ”v b 合成r 当参考电压矢量y 疆席入某一个小区域时，可选择该区域中离参考电压矢量 最近的3 个矢量来替代与合成，所谓的最近三矢量，即p k 所在小三角形区域三 个顶点代表的矢量。如图2 1 所示的参考电压矢量p ；驴其最近三矢量为1 1 0 ，2 2 1 ， 2 1 0 ，l o o 2 。 2 3 区域判断和矢量合成 2 3 1 根据。和lk ，l 区域判断和矢量合成 先根据口角的大小，判断参考电压矢量蔗入a f 哪个区域，然后根据昕口 1 l 共同来判断属于该区域的哪个小区间。若以a 区域为例，如图2 3 ( a ) 所 示，由a 轴将a k 域分成两部分：0 = 0 3 0 。为第一部分；0 = - - 3 0 6 0 。为第二部分。 当圪矗e 第一部分时，如图2 。3 ( b ) 所示，已知两个角和一条边大小，如下应用 正弦定理： 丝：土 s i n ；如c 弘， 盟：土 u 叫 s m _ 2 ns i n ( 要p ) jj 可以求出两个交点处的长度m l 和j v ：l ，1 v 。| lv l i 时，处于a 1 区间， 卜+ l 2 1 0 一 2 0 0 一 1 0 0 ，作用时间分别为t o ，t l ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，周期为b 。v 町 在0 【轴分量u 和p 轴分量u 的作用时间分别记为：l ，由图2 4 可知，1 3 轴 分量只由v 2 ( 矢量“2 1 0 ”) 决定，故有：t 2 = t b 。 引人r a 、r b ，即n 轴和p 轴上电压等效作用时间比：r n5 瓦l s ，r b2 黄 a 轴分量却是由多个矢量共同决定的，为了实现这几个未知量的解耦，进 行坐标原点变换，将坐标原点移至矢量“1 0 0 ”处。 j v ：- v o 1 vp = , v 7 b v o ( 2 - 7 ) 这时，轴分量只由图2 4 中的v 2 ( 矢量“2 1 0 ”) 、v 3 ( 矢量“2 0 0 ”) 和 链接矢量v o ( “1 1 1 ”) 决定。 ( 2 - 8 ) 在新坐标下，v o 在a 轴上投影为k ，v 2 在位轴上投影为警，v 3 在0 轴 上投影为。我们由l = t o + t 2 + l 可得： 1 2 一u一u b k = = v v a 卢 r r = = l k l = t - ( 一t o ) 一= t o + t o - ( 2 - 9 ) 其中，t o 由于是链接矢量的作用时问，故为一个定值，可以根据需要选取 并固定下来。剩下的t 1 ( 矢量“2 1 1 ”) ，t 4 ( 矢量“1 0 0 ”) 之和便可方便求得。 t 1 ，t 4 的选择主要是为了弥补电容充放电的不平衡，处理方法与传统方法类同。 2 4 矢量分配 表2 2 是一个a 区矢量分配表，各电压矢量按节拍的分配以三相开关状态 码表示。从表中可以看到，参考电压矢量无论落入a 1 a 4 哪个小区域，都由 最近三矢量来合成替代( 其中有一对小矢量如a 2 中的1 0 0 2 1 1 算作同一个矢量， 首尾矢量“1 1 1 ”是作为矢量链条的链结) 。 每一拍可分为9 段发生，每段切换时，尽量做到只有一个开关函数变动，这 123456789 111lo1l11 a 1l1l000l11 1lo00o01l 1l222221l a 2l0o1ll001 al0o010001 区 11l222l11 a 31o1111l0l lo00l0001 l l2 2 22211 a 4 1l12 221ll l000100ol 样可以优化开关频率。并且矢量l 9 对称分布，是为了消除输出波形中的偶次 谐波。 b 、c 、d 、e 、f 区的电压矢量分配表的生成与a 区类似，本文陷于篇幅， 不加赘述。 具体实现时，可以先将各个区域的电压矢量分配表制成表格存于d s p 内， 然后用查询表的方法实现信号的发送。 第三章参考电压分解式s v p w m 矢量发生 常规的查表式矢量发生技术思路清晰容易接受，但算法复杂，需要预先存 储大量的数据表格，甚至可能包含大量的三角函数，d s p 处理起来较复杂且速 度慢。随着电平数的增多，这种方法显然无法进一步推广。 对于常规方法的改进，一种途径，将参考电压矢量分解为基矢量和两电平 矢量，然后用类似两电平空间矢量的方法确定构成小三角形三个顶点的基本矢 量，以及计算对应的作用时间。这种方法将多电平空间矢量分解为几个两电平 空间矢量的组合，如果将一些两电平空间矢量的简化算法引入，将大大简化 p w m 计算。 3 2 六边形区域法 3 2 1 三相参考电压分解 若以直流电压为基值，求出三相电压的标么值，则多电平逆变器输出电 压瞬时值可以表示为： k = r ，1 ，舻v 。j 1 ， 其中v 。，v 曲，v 。1 0 ，l ，一一1 假设三相参考电压为k f = r v 。，v 。，v 。j 7 ，其中v 。，v 巾，v 。 o 1 ，疗一l ，则 三相参考电压可以分解为如图3 1 所示的基矢量和对应两电平分量的矢量和，表 示为： l= 。+ l 。= ( i n t ( 1 名) ，i n t ( v n ) ，i n t ( v 。) ) 7 ( 3 1 ) l一= ( v 。，v m ，v e t ) 。 则两电平分量三相的值可以由下式得到： l v 。= v 。一i n t ( v 。) v 巾= v 而- i n t ( v 而) ( 3 2 ) i v 。= v 。一i n t ( v 。) 参考电压的整数分量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