基于空间电压矢量控制三电平逆变器系统仿真.pdf

1 1 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第4期 基 于空 间电压矢量控制三电平逆变器 系统仿真 田莉 龙孜 1 兰州交通大学 自动化与 电气工程学院 兰州 7 3 0 0 7 0 2 中国电建集 团中南勘测设计研究院有限公 司 长沙 4 1 0 0 1 4 摘要 根据基 于空间矢量控制技术的三电平逆变器的基本原理与控制方法的分析 设计 了空间 矢量控制算法 并通过 Ma t l a b仿真验证 了其可行性 关键词 中点箝位型三电平逆 变器 空间电压 矢量调制 电容电压失衡 仿真 中图分类号 T P 3 9 1 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 0 4 0 l 1 8 0 3 Th r e e l e v e l in v e r t e r s y s t e m s imul a t io n ba s e d o n t h e s pa ce v o l t a g e v e ct o r c o n t r o l TI AN Li LONG Zi 1 S ch o o l o fA u t o m a t i o n a n d E l e ct r i ca l E n g i n e e r in g L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y L a n z h o u 7 3 0 0 7 0 C h i n a 2 P o we r C h i n a Z h o n g n a n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d C h a n g s h a 4 1 0 0 1 4 C h i n a Abs t r a ct Th e s pa ce v e ct o r co nt r o l a l g o ri t h m is d e s ig n e d in t h e p a p e r ba s is t h e a na l y s i s o f t h e b a s i c p ri ncip l e s o f t h e t h r e e l e v e l in v e r t e r b a s e d o n s p a ce v e ct o r co n t r o l t e ch no l o g y a nd co n t r o l me t h o d s a n d Ma t l a b s i mu l a t io n t o v e r if y it s f e a s ib il it y Ke y wo r ds n e u t r a l cl a mp t y p e t h r e e l e v e l i nv e r t e r s p a ce v o l t a g e v e ct o r mo d u l a t io n ca pa cit a n ce v o l t a g e imb a l a n ce s imu l a t i o n 0 引言 三电平逆变器属于 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 三电平逆变 器的各种拓扑结构有着多 电平逆变器的共 同特点 适用于高 电压 大容量 的变频场合 主要优 点有开 关损耗低 效率高 受电磁干扰 的影响小 波形的台 阶数增加 谐波含量低 提高了波形质量 三电平逆 变器在工业领域主要应用在高压大电容变频调速 高压直流输 电 电能质量的综合治理等方面 1 三电平逆变器 S M 控 制原 理 1 1 三电平逆变器的拓扑结构 多电平逆变器 的电路拓扑结构种类繁多 大致 可以分为二极管箝位型 飞跃 电容型和独立直 流电 源级联多电平 3种拓扑 其 中二极管箝位型拓 扑结 构应用最为广泛 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 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 1 7 基金项 目 甘肃省科技计划资助项 目 1 2 1 2 R J Z A 0 7 3 作者简介 田莉 1 9 7 1 女 硕士 讲师 从事电机及控制方面的 教学研究工作 功率应用中得到了普遍重视 二极管箝位式三电平 逆变器的拓扑结构如图 1所示 图 1 二 极管箝 位型三电平逆变器拓扑结构 1 2三电平逆变器的基本原理 三电平逆变器每相 由 4个 I G B T功率器件 串联 组成 每个功率器件反并联 1 个续流二极管 直流 中 性点 O由V D V D 引出 这样每个功率器件耐压值 可降低一半 更适合 大功率交流传动 系统 的控 制 由于多 电平逆变器 的可能开关状 态数量 与 逆变器电平数 目呈三次方关系 而其可能的矢量数 目为 工一1 N ve 1 6 i 其 中 是电平 的数 目 在 一 空间矢量平面上 三 电平逆变器 的 同 2 0 1 5年第 4期 工业仪表与 自动化装置 1 1 9 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 设输入电机的三相正弦电压瞬时值为 则 由它们所产生的空间电压矢量可表示为 十M e 1 J 式 1 可知 是以电角速度 2 同步旋转 的 根据 J 删 可知电机磁链运动方向及速度与 J 空间电压矢量一致 1 3 二极管箝位式三电平逆变器的工作状态 如图 1所示 三 电平逆变器每相桥臂输 出 3种 可能 电平 P状态 2 O状态 0 N状态 一 2 根据矢量合成原理 三 电平逆变器不同状态下输 出 电压合成基本矢量情况如图 2所示 J 二极管箝位 式三 电平逆变器开关状态与输 出 电压 的关 系 以 A 相为例 如表 1 所示 I I m s bnp pnph V 图2 三电平逆变器空间矢量及大扇区划分图 表 1 开关状态与输出电压的关系 为了实现三电平逆变器的 S V P WM控制 在每 个采样周期里应首先判断参考矢量的具体位置 找 出用于合成它 的 3个基本矢量 其次计算每个基本 矢量的作用时间 最后将每个 基本矢量所对应 的逆 变器功率器件开关状态和作用时间分配给相应的功 率器件 完成对三 电平逆变器主电路 的控制 2 电压空间矢量控制算法及仿真 2 1 给定参考矢量大扇区的判断 传统算法中将空间矢量平面分为 6 个扇区 每 个扇区的角度为 a t 3 仿真时扇 区的判断是根据参 考矢量的幅角 0 所在的扇 区进行判断的 例如 0 0 r r 3为第一扇 区 7 r 3 0 2 t r 3为第二扇区 以 此类推 大扇区的仿真模型如图3 所示 图 3 大扇区判断模 型 2 2 给定参考矢量小区域的判断 以第一扇区为例来具体说 明 如图 4所示 假 设