一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PWM控制技术

1、第33卷增刊2003年9月东南大学学报(自然科学版 JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition Vol 133Sup. Sept. 2003一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术李明马小平陈爱丽(中国矿业大学信电学院, 徐州221008摘要:根据三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制原理, 针对过调制问题, 提出了一种改进的空间电压矢量PW M 控制技术, 并推导了三电平逆变器空间电压矢量在各个过调制区域内的等效作用时间算法. 仿真实验结果表明该方法在过调制时能够保证线性调制关系, 有效抑制谐波, 提高电

2、压利用率.关键词:三电平逆变器; 空间电压矢量PW M ; 过调制中图分类号:T M464文献标识码:A 文章编号:-0179204A improved SVPWM level inverterX Chen Aili(In formation , China University of M ining and T echnology , Xuzhou 221008, Chinese Abstract :T o s problem of over 2m odulation , this paper proposes a im proved technique based on the princ

3、iple of three 2level inverter space v oltage vector pulse 2width m odulation and derives the correspond 2ing time alg orithm of three 2level inverter space v oltage vector in the over 2m odulation sectors. Simulation ex 2perimental results show that the method can restrain the content of harm onious

4、 and increase v oltage utiliza 2tion.K ey w ords :three 2level v oltage inverter ; space v oltage vector PW M ; over 2m odulation收稿日期:2003206226. 作者简介:李明(1962- , 男, 博士, 副教授,xzmingli 163. com.电压型逆变器在交流传动、不间断电源和有源滤波器等高性能电力电子装置中得到广泛应用. 近年来, 为适应高电压、大功率应用场合, 多电平逆变器的研究和应用日益受到人们的关注和重视, 例如, 矿井提升机、通风机等的交流电动机

5、调速系统, 其电压等级为6kV , 功率可达数千千瓦, 是典型的多电平逆变器应用对象. 作为核心技术的PW M 控制方法也得到了越来越深入的研究, 迄今为止, 已提出了多种PW M 控制方法和技术1,2. 本文主要针对过调制问题, 在原有三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术的基础上提出一种改进的控制方法, 使逆变器的输出基波在过调制下也能保证线性调制关系, 同时具有输出谐波含量小以及算法的实时性强等特点. 最后给出了在Simulink 环境下的仿真实验结果.1三电平逆变器结构及空间电压矢量PW M 控制原理111三电平逆变器主电路结构目前, 应用较广的是二极管中点钳位(neutral p

6、oint clam ped ,NPC 式三电平逆变器, 其主电路的拓扑结构如图1所示. 这种二极管钳位式结构的特点是采用多个二极管对相应开关元件进行钳位, 输出相应三电平的相电压.112三电平逆变器的空间电压矢量PW M 控制原理如果把三相三阶中点钳位逆变器每一相的3种输出状态组合起来, 则逆变器共能获得27种不同输出状态, 其中包括6个长矢量,6个中矢量,12个短矢量和3个零矢量, 如图2所示. 其中6种幅值为E 的长矢量图1三电平逆变器的主电路结构图将圆等分为6个扇区, 每个扇区占60°空间角. 每个扇区又被幅值为2及2E 的短矢量和中矢量分为4个小三角形. 由于三电平的27个矢

7、量, 远大于二电平的8个矢量, 因此矢量选择范围大, 能更好地逼近正弦输出, 获得更好的性能.11211空间电压矢量的等效作用时间图3为V 0, V 7, V 9形成的等边三角形, 在这个三角形中包含长矢量 V 7=E e j0, V 9=E ej 3, 中矢量V 8=2E e j 6, 短矢量V 1=2E e j0, V 2=2E e j 3以及零矢量V 0=0, 把图2三电平逆变器的空间电压矢量图V 1, V 2, V 8的顶点连接起来, 大三角形被分成4个小三角形A ,B ,C ,D.如果参考矢量V ref =V e j 处于三角形B 中, 就用V 1V 7, V 8三个矢量合成参考矢量

8、V ref , 矢量作用时间可由式(1 求解, 即V 1t 1+V 7t 7+V 88V st 1+t 7+t 8(1式中, T s 是采样周期; t 1t 7, t 8分别为V 1, V 7, V 8的作用时间.把V 1=2E e j0, V 7=E e j0, V 8=E e j 6, V ref =Ve j 代入式(1 , 可得V 1, V 7, V 8的作用时间t 8=E T s sin t 7=ET s sin 3-T s t 1=T s -t 8-t 7(2 图3V 0, V 7, V 9形成的三角形同理可以得出参考矢量V ref =V e j 处于其他三角形A ,C ,D 的作用

9、时间.112. 2空间电压矢量的作用顺序设参考矢量落在小三角形A 中, 则可供选择的矢量为V 0, V 1, V 2, 按七段式SVPWM 的产生方法, 得到开关序列V 0(000 V 1(100 V 2(110 V 0(111 V 2(110 V 1(100 V 0(000 . 其脉冲波形如图4所示.只要参考电压矢量V ref 的端点轨迹位于六边形的内切圆内, 则都可以利用逆变器的输出矢量合成, 其输出电压就为正弦波形. 此时, 能达到线性最大调制. 如图5所示, 如果参考电压矢量V ref 的端点轨迹位于六边形的内切圆和外接圆之间,SVPWM 将出现过调制. 此时, 若仍按式(2 计算电压

10、矢量的作用时间, 则t 1+t 8+t 7>T s . 因此有必要对上述空间电压矢量PWM 算法作适当的改进. 2改进空间电压矢量PWM 控制方法参考二电平逆变器处理过调制的思想3,4, 可以研究三电平逆变器过调制问题. 如图5所示, 对V ref 端点081东南大学学报(自然科学版 第33卷图4三角形A 内的PWM 脉冲波形轨迹超出六角形的部分, 保持V ref 的相位角不变, 将V ref 的端点强制固定在六边形上, 同时未超出六角形部分仍保留为圆形, 因此, 最后V ref 的端点轨迹为ab 段圆弧、bc 段直线、cd 段圆弧. 对端点轨迹未超出六角形的部分, 作用时间仍按照式(2

11、 计算, 对端点轨迹强制固定至六角形的部分, 作用时间推导如下:对于图5中三角形V 0V 8b , 由正弦定理得sin (+3 =sin 2(3 图5过调制轨迹示意图式中, |V 0V 8|=2E , |V 0b |=V , 代入式(2 、(3 得V =2sin +3(4 根据等效原则并将式(4 代入式(2 可得V 1, V 7, V 8间为t 8=sin 3+T s t 7=2sin sin +3T s -T st 1=T s -t 8-t 7(5由以上分析可知, 改进的空间电压矢量PWM 方法中需要对电压矢量轨迹是否超出六角形进行判断, 然后分别对应地应用式(2 和式(5 计算矢量作用时间

12、.3仿真研究为验证上述改进算法的正确性, 在Matlab/Simulink 环境下进行仿真实验. 基本参数为:三相异步电动机额定功率为212kW , 额定电压为380V , 频率为50H z , 定子电阻为3118, 电感为10 1 304 mH , 转子电阻为11308, 电感为7162mH , 转动惯量为01089kg m 2, 极对数为2; 直流侧电感为4700F ; 采样周期T s =2ms , E d =400V. 仿真结果如图6和图7所示.图6正常PW M 调制输出线电压及电流波形图7过调制输出线电压及电流波形图181增刊李明等:一种改进的三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制技术

13、图6为正常PW M 调制输出线电压及电流波形, 给定参考电压346V , 频率50H z , 调制比01866. 图6(a 为异步电动机定子AB 间线电压波形, 从图中可以看出电动机定子线电压有±400,0和±200V 五种电平. 图6(b 为异步电动机定子三相电流波形, 从图中可以看出电动机定子电流最大幅值为912A , 而且三相电流波形是非常好的正弦波.图7所示为过调制输出线电压及电流波形图, 给定参考电压为367V , 频率为50H z , 调制比为01911. 图7(a 为异步电动机定子AB 间线电压波形. 图7(b 为异步电动机定子三相电流波形, 从图中可以看出电

14、动机定子电流最大幅值为819A , 而且三相电流波形接近正弦.4结论本文根据三电平逆变器空间电压矢量PW M 控制原理, 针对过调制问题, 提出了一种改进的空间电压矢量PW M 控制技术. 该方法能够有效地抑制谐波, 提高电压的利用率, 仿真实验结果表明了该方法的有效性.参考文献(R eferences 1Halase Sandor. Optimal control of three 2level PW M inverterJ.44(1 :99106.2钟彦儒, 高永军, 曾光. 采用空间电压矢量PW M . 2000,34(1 :1013.Zhong Y anru , G ao Y ongjun , Z eng G uang. S tudy on three 2vector PW M method J.Power Electronics , 2000, 34(1 :10