一種改進的三電平逆變器空間電壓矢量PWM控制技術

1、第33卷增刊2003年9月東南大學學報(自然科學版 JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition Vol 133Sup. Sept. 2003一種改進的三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術李明馬小平陳愛麗(中國礦業(yè)大學信電學院, 徐州221008摘要:根據三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制原理, 針對過調制問題, 提出了一種改進的空間電壓矢量PW M 控制技術, 并推導了三電平逆變器空間電壓矢量在各個過調制區(qū)域內的等效作用時間算法. 仿真實驗結果表明該方法在過調制時能夠保證線性調制關系, 有效抑制諧波, 提高電

2、壓利用率.關鍵詞:三電平逆變器; 空間電壓矢量PW M ; 過調制中圖分類號:T M464文獻標識碼:A 文章編號:-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. 作者簡介:李明(1962- , 男, 博士, 副教授,xzmingli 163. com.電壓型逆變器在交流傳動、不間斷電源和有源濾波器等高性能電力電子裝置中得到廣泛應用. 近年來, 為適應高電壓、大功率應用場合, 多電平逆變器的研究和應用日益受到人們的關注和重視, 例如, 礦井提升機、通風機等的交流電動機

5、調速系統(tǒng), 其電壓等級為6kV , 功率可達數千千瓦, 是典型的多電平逆變器應用對象. 作為核心技術的PW M 控制方法也得到了越來越深入的研究, 迄今為止, 已提出了多種PW M 控制方法和技術1,2. 本文主要針對過調制問題, 在原有三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術的基礎上提出一種改進的控制方法, 使逆變器的輸出基波在過調制下也能保證線性調制關系, 同時具有輸出諧波含量小以及算法的實時性強等特點. 最后給出了在Simulink 環(huán)境下的仿真實驗結果.1三電平逆變器結構及空間電壓矢量PW M 控制原理111三電平逆變器主電路結構目前, 應用較廣的是二極管中點鉗位(neutral p

6、oint clam ped ,NPC 式三電平逆變器, 其主電路的拓撲結構如圖1所示. 這種二極管鉗位式結構的特點是采用多個二極管對相應開關元件進行鉗位, 輸出相應三電平的相電壓.112三電平逆變器的空間電壓矢量PW M 控制原理如果把三相三階中點鉗位逆變器每一相的3種輸出狀態(tài)組合起來, 則逆變器共能獲得27種不同輸出狀態(tài), 其中包括6個長矢量,6個中矢量,12個短矢量和3個零矢量, 如圖2所示. 其中6種幅值為E 的長矢量圖1三電平逆變器的主電路結構圖將圓等分為6個扇區(qū), 每個扇區(qū)占60°空間角. 每個扇區(qū)又被幅值為2及2E 的短矢量和中矢量分為4個小三角形. 由于三電平的27個矢

7、量, 遠大于二電平的8個矢量, 因此矢量選擇范圍大, 能更好地逼近正弦輸出, 獲得更好的性能.11211空間電壓矢量的等效作用時間圖3為V 0, V 7, V 9形成的等邊三角形, 在這個三角形中包含長矢量 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, 把圖2三電平逆變器的空間電壓矢量圖V 1, V 2, V 8的頂點連接起來, 大三角形被分成4個小三角形A ,B ,C ,D.如果參考矢量V ref =V e j 處于三角形B 中, 就用V 1V 7, V 8三個矢量合成參考矢量

8、V ref , 矢量作用時間可由式(1 求解, 即V 1t 1+V 7t 7+V 88V st 1+t 7+t 8(1式中, T s 是采樣周期; t 1t 7, t 8分別為V 1, V 7, V 8的作用時間.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的作用時間t 8=E T s sin t 7=ET s sin 3-T s t 1=T s -t 8-t 7(2 圖3V 0, V 7, V 9形成的三角形同理可以得出參考矢量V ref =V e j 處于其他三角形A ,C ,D 的作用

9、時間.112. 2空間電壓矢量的作用順序設參考矢量落在小三角形A 中, 則可供選擇的矢量為V 0, V 1, V 2, 按七段式SVPWM 的產生方法, 得到開關序列V 0(000 V 1(100 V 2(110 V 0(111 V 2(110 V 1(100 V 0(000 . 其脈沖波形如圖4所示.只要參考電壓矢量V ref 的端點軌跡位于六邊形的內切圓內, 則都可以利用逆變器的輸出矢量合成, 其輸出電壓就為正弦波形. 此時, 能達到線性最大調制. 如圖5所示, 如果參考電壓矢量V ref 的端點軌跡位于六邊形的內切圓和外接圓之間,SVPWM 將出現過調制. 此時, 若仍按式(2 計算電壓

10、矢量的作用時間, 則t 1+t 8+t 7>T s . 因此有必要對上述空間電壓矢量PWM 算法作適當的改進. 2改進空間電壓矢量PWM 控制方法參考二電平逆變器處理過調制的思想3,4, 可以研究三電平逆變器過調制問題. 如圖5所示, 對V ref 端點081東南大學學報(自然科學版 第33卷圖4三角形A 內的PWM 脈沖波形軌跡超出六角形的部分, 保持V ref 的相位角不變, 將V ref 的端點強制固定在六邊形上, 同時未超出六角形部分仍保留為圓形, 因此, 最后V ref 的端點軌跡為ab 段圓弧、bc 段直線、cd 段圓弧. 對端點軌跡未超出六角形的部分, 作用時間仍按照式(2

11、 計算, 對端點軌跡強制固定至六角形的部分, 作用時間推導如下:對于圖5中三角形V 0V 8b , 由正弦定理得sin (+3 =sin 2(3 圖5過調制軌跡示意圖式中, |V 0V 8|=2E , |V 0b |=V , 代入式(2 、(3 得V =2sin +3(4 根據等效原則并將式(4 代入式(2 可得V 1, V 7, V 8間為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, 改進的空間電壓矢量PWM 方法中需要對電壓矢量軌跡是否超出六角形進行判斷, 然后分別對應地應用式(2 和式(5 計算矢量作用時間

12、.3仿真研究為驗證上述改進算法的正確性, 在Matlab/Simulink 環(huán)境下進行仿真實驗. 基本參數為:三相異步電動機額定功率為212kW , 額定電壓為380V , 頻率為50H z , 定子電阻為3118, 電感為10 1 304 mH , 轉子電阻為11308, 電感為7162mH , 轉動慣量為01089kg m 2, 極對數為2; 直流側電感為4700F ; 采樣周期T s =2ms , E d =400V. 仿真結果如圖6和圖7所示.圖6正常PW M 調制輸出線電壓及電流波形圖7過調制輸出線電壓及電流波形圖181增刊李明等:一種改進的三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制技術

13、圖6為正常PW M 調制輸出線電壓及電流波形, 給定參考電壓346V , 頻率50H z , 調制比01866. 圖6(a 為異步電動機定子AB 間線電壓波形, 從圖中可以看出電動機定子線電壓有±400,0和±200V 五種電平. 圖6(b 為異步電動機定子三相電流波形, 從圖中可以看出電動機定子電流最大幅值為912A , 而且三相電流波形是非常好的正弦波.圖7所示為過調制輸出線電壓及電流波形圖, 給定參考電壓為367V , 頻率為50H z , 調制比為01911. 圖7(a 為異步電動機定子AB 間線電壓波形. 圖7(b 為異步電動機定子三相電流波形, 從圖中可以看出電

14、動機定子電流最大幅值為819A , 而且三相電流波形接近正弦.4結論本文根據三電平逆變器空間電壓矢量PW M 控制原理, 針對過調制問題, 提出了一種改進的空間電壓矢量PW M 控制技術. 該方法能夠有效地抑制諧波, 提高電壓的利用率, 仿真實驗結果表明了該方法的有效性.參考文獻(R eferences 1Halase Sandor. Optimal control of three 2level PW M inverterJ.44(1 :99106.2鐘彥儒, 高永軍, 曾光. 采用空間電壓矢量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