(新)基于SVPWM的三电平逆变器控制策略研究.doc

第十一届电力电子年会论文集 基于非正交坐标系的三电平逆变器控制策略研究基于非正交坐标系的三电平逆变器控制策略研究 祝龙记 张立 安徽理工大学 淮南 邮政编码 232001 摘要摘要 论文在分析三电平逆变器空间电压矢量控制的基础上 提出了一种基于非正交 坐标系 SVPWM 控制策略 该控制策略在传统空间电压矢量调制 SVPWM 的基础上 将直 角坐标系转换为非正交的 600坐标系 在非正交坐标内对小三角形区域判断规则 合成参 考电压矢量的计算和 PWM 信号的产生方法进行了研究 该算法不仅计算简单 易于实现 而且能方便地推广到多电平逆变器中 通过仿真验证了该控制策略的正确性及有效性 关键词关键词 空间矢量脉宽调制 三电平 逆变器 非正交坐标系 The Research on the Control Strategy of Three Level Inverter Based on SVPWM in non orthogonal coordinates ZHU LONG Ji ZHANG Li Anhui University of Science Technology Huainan 232001 Abstract The basic principle of Space Vector Pulse Width Modulation SVPWM for threes level inverter is analyzed in this paper A SVPWM control strategy in non orthogonal coordinates is presented Base on traditional SVPWM control strategy the orthogonal coordinate system is converted to the 60 non orthogonal coordinates In non orthogonal coordinates the judging rules of the small sectors the out voltage vector sequence as well as the producing means of PWM signals is studied This algorithm has the characteristic of account simpleness realizing easiness and can spread to multilevel inverter The simulation results show the effectiveness and correctness of the algorithm Key Words SVPWM three level inverter non orthogonal coordinates 1 引言引言 对于三电平逆变器来说 传统三电平 SVPWM 算法是把电压矢量空间等分成 6 个大扇 区 每个扇区又分成 4 个小三角形扇区 利用基本矢量在小扇区中计算出矢量作用时间 根据矢量切换点的切换条件在 24 个小三角形之间进行切换 传统三电平 SVPWM 算法的 矢量作用时间基本上有两种实现方式 一是利用角度和基本矢量配合计算出矢量作用时间 二是直接计算出矢量作用时间 并不涉及到角度问题 这两种方式的缺点是计算量大 最 大的缺点是不易于推广到多电平 为此 本文提出了一种非正交坐标系及基于该坐标系的 多电平 SVPWM 统一简化算法 该算法计算简单 易于实现 是多电平逆变器 SVPWM 控 制算法的通解 1 2 三电平逆变器的主电路结构及其工作原理三电平逆变器的主电路结构及其工作原理 三电平逆变器的拓扑结构如图 1 所示 每相桥臂有三个基本电平状态 以 A 相为例 其桥臂有四个开关器件 IGCT 即 VT1A VT1M VT4A VT4M 每一个 IGCT 元件都反并联 一只续流二极管 VD1 VD4是两个辅助箝位二极管 主开关器件 VT1A VT4M实现和两电 平逆变器主电路中上下管相同的功能 在 A 相桥臂中的另外四个功率管 VT1m VT4A VD1 VD4起零点箝位作用 将输出电位箝位在零电平 三电平逆变器的直 第十一届电力电子年会论文集 流侧由直流电容 C1和 C2组成 且这两个电容中间点 O 和箝位二极管的中点相连接 在这 种连接方式下 中点 O 的电位会受到电流变化和开关状态的影响而浮动 VF1 R1 C3组 成上桥臂吸收电路 当 VT1A VT1M关断时 电流通过 VF1对 C3充电 由于 C3两端的电 压不能突变 从而限制加到上桥臂开关器件的电压上升率 当 C3两端的电压大于 Ud 2 时 将通过 R1放电 从而限制了 C3两端的最高电压 同理 VF2 R2 C4组成下桥臂吸收电 路 三电平逆变器每相有三种开关状态 共有 33 27 种开关状态 三电平逆变器可以输出 27 种电压矢量 其中有效矢量 19 种 将这 27 种电压矢量分为零电压矢量 小电压矢量 中电压矢量和大电压矢量 零电压矢量和大电压矢量对中点电位没有影响 中电压矢量因 为使用正侧的直流电源和负侧的直流电源 所以中点电位的上升和下降取决于输出电压的 相位和负载功率因数 正小电压矢量由于使用正侧的直流电源 所以带负载时 中点电位 上升 再生时中点电位下降 负小电压矢量由于使用负侧的直流电源 所以带载时中点电 位下降 再生时中点电位上升小电压矢量成对出现 可以用来控制中点电位 2 5 ABC DC O DC Ud 2 Ud 2 VD1A VT4m VT3A VT6m VT5A VT2m VD3AVD5A VD4m VD6m VD2m VD1 VD4 VD3 VD6 VD5 VD2 VT1A VT4A V VF F1 1 V VF F4 4 C C1 1 C C2 2 R R1 1 R R4 4 C C3 3 C C4 4 VT1m VD4A VD1m C C5 5 C C6 6 C C7 7 C C8 8 R R3 3 R R6 6 R R5 5 R R2 2 V VF F3 3 V VF F6 6 V VF F5 5 V VF F2 2 VT3m VT6A VT5m VT2A VD3mVD5m VD6A VD2A 图 1 三电平逆变器主电路 3 非正交坐标系非正交坐标系 SVPWM 算法的分析算法的分析 空间电压矢量 SVPWM 技术源于交流电机的变频调速驱动 3 4 着眼于如何控制三相 逆变器的开关动作来改变施加在电机上的端电压 使电机内部形成准圆形旋转磁场 以后 的发展使得这种 PWM 控制脱离了交流电机磁链轨迹控制的原意 形成了电力电子技术中 一类 PWM 控制方式 6 7 SVPWM 技术由于其电压利用率高及控制简单 数字化实现方便 等优点而得到了广泛应用 三电平电压矢量定义为 1 2 refabc VUUU 式中 Ua Ub Uc为输入的三相参考电压 2 3 j ae 在 平面中 三电平基本空间矢量之间的角度均为 60 度的倍数 因此采用非正交 第十一届电力电子年会论文集 60 坐标系有助于简化参考矢量的合成和作用时间的计算 3 1 非正交坐标系坐标变换非正交坐标系坐标变换 将 a b c 坐标下的变换器输出基本矢量转换为 60 g h 坐标的形式 且变换后所有基本 矢量的坐标归一化为整数 取 g 轴和直角坐标系中的轴重合 逆时针转 60 为 h 轴如图 2 所示 0 0 h h V Vr re ef f g g 图 2 60 坐标系与 坐标系 设参考电压矢量 Vref 在 坐标系下的坐标为 Vr Vr 变换到 g h 坐标系下的坐 标为 Vrg Vrh 根据线性关系可以得到两种坐标系的变换关系 2 1 1 3 2 0 3 rgr r rh vv v v 以 a b c 坐标形式表示时 设三相电压为 V va vb vc 则由 Clark 变换可以得到在 g h 坐标系下的电压矢量形式 3 110 2 0113 a rg b rh c v v v v v 3 2 选择基本矢量选择基本矢量 将参考电压矢量变换到 60 g h 坐标 对于任意的参考矢量 分别对其向上和向下取整 组合可以得到 4 个电压矢量坐标 其中 3 个坐标就是参考矢量终点所在的小三角形的 3 个 顶点 可通过参考矢量坐标值归纳出算术表达式 并对符号进行逻辑判断 得到 3 个矢量 第十一届电力电子年会论文集 g g 1 1 0 0 2 2 0 0 1 1 1 1 0 0 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 0 0 1 1 1 1 0 0 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 h h V Vr re ef f 6 60 00 0 1 12 20 00 0 1 18 80 00 0 3 30 00 00 0 0 00 0 g g h h 图 3 60 坐标系下的三电平空间矢量图 由图 3 可知 所有的基本矢量坐标为整数 因此对于任意的空间参考矢量 Vref Vrg Vrh 距离其最近的 4 个参考矢量可以由空间参考矢量的坐标向上和向下取整得 到 对图 3 的参考矢量 对应的 4 个电压矢量设为 1 0 rg UL rh V V V 1 1 rg UU rh V V V 0 2 rg LU rh V V V 0 1 rg LL rh V V V 上式中 在坐标变量上画线表示向上或向下取整 矢量下标 U 代表其中的变量向上取 整 L 代表向下取整 例如 VUU表示对 Vrg Vrh向上取整 这样 4 个矢量的终点构成一个 菱形 见图 3 被由 VUL VLU终点构成的对角线分成 2 个等边三角形 同时 VUL VLU总是 2 个最近的矢量 那么第三个矢量就是剩下 2 个矢量中的一个 这个矢量比如与参考矢量 落在由 VUL VLU的终点所构成的对角线的同一侧 此对角线为 4 ULgULh ghVV 根据表达式的符号 可以判断出第三个矢量 表达式的值大于 0 ULgULh ghVV 则 VUU是第三个矢量 表达式的值小于等于 0 则 VLL是所求的第三个矢量 3 3 计算作用时间计算作用时间 对一个线性方程组求解得出各个矢量的占空比 d1 d2 d3 一旦 3 个最近的矢量被确 定 则可以通过下面的方程组求解得出各个矢量的占空比 5 112233ref Vd VdVd V 6 123 1ddd 其中 V1 VUL V2 VLU V3 VLL或者 V3 VUU 所有的开关状态的坐标为整数 方程的 解可以基于参考电压的小数部分而获得 当 V3 VLL时 将式 5 按 g h 轴展开 并与式 6 连立得 7 123rgULgLUgLLg VVdVdVd 第十一届电力电子年会论文集 8 123rhULhLUhLLh VVdVdVd 9 123 1ddd 10 1 1 LLhULh LLgLUg LUhLLh ULgLLg VV VV VV VV 求解式 7 10 得 11 1ULrgLLg ddVV 12 2LUrhLLh ddVV 13 3 1 UUULLU dddd 通过以上的推导 可以看出基于 60 的坐标系能够简化大量的计算 非正交 60 坐标系 SVPWM 算法是实现三电平空间矢量脉宽调制控制一种十分有效的方法 3 4 确定输出开关状态确定输出开关状态 这一步是利用已经得到的和参考电压最近的三个基本矢量 确定三相输出开关状态 对于二极管钳位型三电平逆变器 NPC 设三个最近矢量之一为 14 11111 2 1 0 1 2 T r gr hgh Vvvvv 该基本矢量对应三相开关状态为 15 1111111 0 1 2 T abcabc SSSSSSS 则有以下方程组 且 16 1 11 111 a bg cgh Si Siv Sivv 1 11 02 02 02 g gh i iv ivv 利用式 16 选择不同的 i 得到基本矢量 Vi 对应全部开关状态 从方程组 16 可以 看出 得到的基本矢量为二维坐标 这样确定三相输出开关状态就有一个可选择的自由 度 设 i 为对应的参数 利用这一参数对三相开关状态进行选择 就可以实现三电平逆变 器的中点电压平衡控制 4 仿真实验仿真实验 应用 MATLAB SIMULINK 进行非正交 60 坐标系算法及其控制的三电平逆变器进行仿 真 仿真参数如下 Udc 400V Ts 2 5ms 负载 Rs 50 电感 Lm 10mh 电源侧电容 C1 C2 1000uF 得到如下的仿真结果 图 4 图 5 分别为调制比 m 0 85 时和 m 1 1 时的 输出调制波 图 6 为三电平逆变器输出的线电压 图 7 为中点电位波形 第十一届电力电子年会论文集 图 4 调制比为 0 85 时输出的调制波 图 5 调制比为 1 1 时输出的调制波 图 6 f 20Hz 时输出线电压波形图 第十一届电力电子年会论文集 图 7 中点电位波形图 从仿真结果可以看出 三电平逆变器电压输出的主要特点是由多个电平合成输出的电 压波形 其波形接近正弦波 同时 SVPWM 控制策略能很好的控制三电平中点电位波动 保证中点电位在一定范围内波动 完全符合中点电压波动的最大值在直流电压 5 以内的 要求 而且可以方便地改变仿真模型的调制比 5 结论结论 通过对三电平逆变器非正交 60 坐标系 SVPWM 算法的理论分析和仿真验证 该控制 策略可以方便直观地实现三电平 SVPWM 控制算法 与传统 SVPWM 控制相比其计算量大 为减