基于合成中矢量的三電平pwm整流器矢量調(diào)制

基于合成中矢量的三電平pwm整流器矢量調(diào)制

1瞬態(tài)不平衡的量表由于開口的獨特結(jié)構(gòu)和多總線的特點，三平流場的波形電壓損失小，交直流電流電壓穩(wěn)定，波形成分少，隨著聰大能耗的雙向流動，。故逐漸取代傳統(tǒng)相控整流器而廣泛應(yīng)用于中高壓、大功率調(diào)速領(lǐng)域及電力系統(tǒng)中。但是由于二極管鉗位三電平的特殊結(jié)構(gòu),使三電平PWM整流電源直流側(cè)兩輸出電容的電壓產(chǎn)生不平衡,即中點不平衡,它對三電平PWM整流器的工作性能有著很重要的影響。如果直流側(cè)中點不平衡,其一使交流側(cè)的電流波形產(chǎn)生畸變;其二它會引起開關(guān)器件的承壓不均勻,導(dǎo)致開關(guān)器件的工作不正常,甚至損壞;其三輸出電容的容量增大,裝置體積增加;再者對三電平的變頻器負載而言,也會嚴重影響電機的工作性能等等。目前基于空間電壓矢量的三電平PWM整流器中點平衡的控制策略主要是通過調(diào)整成對小矢量的作用時間來完成的,其中大量文獻著重研究小矢量的調(diào)節(jié)因子,還有一些研究瞬態(tài)不平衡檢測及控制方法,但是這些方法主要從平均意義上解決中點的平衡問題,同時受矢量調(diào)制算法的限制,調(diào)節(jié)裕度很有限。本文通過分析大、中和小矢量對二極管鉗位三電平PWM整流電路中點電位的影響,提出了一種新的不對稱5段式空間矢量調(diào)制算法。該法采用大矢量合成中矢量解決中矢量對三電平整流器中點電位的影響。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的矢量調(diào)制方法相比,該法很好地解決了PWM整流器的中點電位不平衡問題,同時在小的直流濾波電容下,輸出直流電壓仍然穩(wěn)定,交流側(cè)電流正弦度好,功率因數(shù)高,系統(tǒng)響應(yīng)快。2矢量調(diào)制算法圖1為三相二極管鉗位三電平整流電路原理圖。顯然每一相由于4個管子的導(dǎo)通狀態(tài)不同可以有3種輸出電平Udc/2,0和-Udc/2,其中Udc為直流側(cè)輸出電壓。三相共27個狀態(tài),對應(yīng)27個矢量。這些矢量可分為4組:大矢量6個、中矢量6個、小矢量12個和零矢量3個,如圖2所示。其工作原理就是通過控制三相3個橋臂上的功率開關(guān)管的通斷,來調(diào)整三相橋臂中點的電位Ua,Ub和Uc,即電壓矢量,從而達到調(diào)整輸入電流、輸出電壓以及功率因數(shù)的目的,其雙閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。顯然中點電位的不平衡可以由兩種原因引起:一是由三電平電路的拓撲引起,不同的矢量調(diào)制算法會產(chǎn)生不同的中線電流in,使中點電位不平衡;二是由于不平衡的三電平負載引起,如圖1所示上下橋臂負載不平衡,則同樣會產(chǎn)生不同的中線電流in。本文主要解決由于三電平拓撲中因中矢量發(fā)送產(chǎn)生的中點電位的不平衡問題,但該法可對第二種原因引起的不平衡進行適量調(diào)節(jié)。3將大向量合成中向量的中心點平衡新方法3.1影響中點電位的因素三電平電路27個矢量中,零矢量不和中點n相連,故不對中點電位造成影響;小矢量成對出現(xiàn),對中點電位作用相反;中矢量和大矢量對中點的影響如圖4所示。從圖4a可以看出中矢量V12工作時,由于b相直接接入中點,因此有電流流過中線,無論是流入n點或者流出n點,都會對兩電容上的電壓有影響,造成中點電位不平衡。而從圖4b可以看到,大矢量V1工作時,a相接P點,bc兩相接入N點,都不和中線相連,因此不會對中點造成任何影響。顯然由于小矢量是成對出現(xiàn)的,其對中點電位的影響可以相互抵消,只要選擇合適的矢量調(diào)制算法,小矢量從平均意義上來講對中點電位沒有影響;而中矢量的作用就成了三電平電路中影響中點電位的主要因素。這和文獻的理論分析推導(dǎo)結(jié)果一致。矢量在第一大扇區(qū)(由零矢量,大矢量V1和V2組成的三角形區(qū)域)時中線電流表達式為in=d(0-1-1)ina+d(100)inb+d(10-1)inb+d(100)inc(1)式中:ina,inb,inc為三相連接到中點n的電流;d(0-1-1)為小矢量(0-1-1)的占空比,其余類推。綜上,要解決中矢量對中點電位的影響,就要盡可能減少使用中矢量。但是,如果沒有了中矢量,輸出電平數(shù)量會減少,波形質(zhì)量會變差,故本文采用大矢量合成中矢量的5段式矢量調(diào)制算法,巧妙解決了上述問題。3.2矢量合成方法的選擇既然大矢量不影響中點電位,那么采用大矢量合成中矢量,自然解決了中矢量對中點電位的影響;同時需要中矢量時,用臨近大矢量合成等效中矢量,自然也不會減少中矢量產(chǎn)生的電平。圖5為第一大扇區(qū)的傳統(tǒng)的矢量區(qū)域劃分方法。假設(shè)矢量落在B區(qū),則采用傳統(tǒng)7段式矢量調(diào)制算法,矢量合成由小矢量V01、中矢量V12和大矢量V13種矢量,按臨近原則合成如下:V·Ts=V01·t0+V12·t1+V1·t2Ts=t0+t1+t2(2)顯然,本法使用了中矢量,影響了中點電位;新合成方法則改用大矢量V1和V2合成中矢量V12,也就是說矢量合成實際上是由小矢量V01、大矢量V1和V23種矢量,根據(jù)鄰近原則合成:V·Ts=V01·t0+V1·(t1+t2)+V2·t1Ts=t0+t1+t2(3)實際中由于小矢量的不成對出現(xiàn),以及中矢量的使用,自然會造成中點的不平衡。而當整流器啟動、負載突加突減、不平衡分布時,也會造成中點電位的不平衡,嚴重的會造成整流器的不正常工作以及損壞。因此,在矢量合成時,著重考慮一個周期內(nèi)矢量作用效果的平衡,并盡可能使小矢量成對出現(xiàn);同時為了降低數(shù)字控制器的實現(xiàn)難度,調(diào)制方法采用5段式,以第一扇區(qū)為例,各小區(qū)的矢量合成方法為:A,C區(qū)采用兩個大矢量V1,V2和零矢量合成;B區(qū)采用小矢量V01和兩個大矢量V1,V2合成;D區(qū)采用小矢量V02和兩個大矢量V1,V2合成。表1為新的不對稱5段式矢量調(diào)制方法,顯然B,D區(qū)的起終矢量采用成對小矢量,通過這對小矢量可以平衡中點電位;各區(qū)域中均沒有中矢量,采用大矢量合成了中矢量,消除了中矢量對中點電位的影響;B區(qū)和D區(qū)以正的小矢量始發(fā),較好地避免了不同開關(guān)周期之間的矢量跳變。傳統(tǒng)7段式矢量合成方法為:A區(qū)采用小矢量V01,V02和零矢量合成;B區(qū)采用小矢量V01,中矢量V12和大矢量V1合成;C區(qū)采用小矢量V01,V02和中矢量V12合成;D區(qū)采用小矢量V02、中矢量V12和大矢量V2合成。表2為傳統(tǒng)7段式矢量調(diào)制方法,每一區(qū)間都有一對小矢量成對出現(xiàn),B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)均有中矢量,因此對中點電位影響較大。顯然5段式矢量調(diào)制方法段數(shù)少,開關(guān)次數(shù)應(yīng)該少,但在B,D兩區(qū)中有一相會出現(xiàn)從1到-1的矢量變化,因此總的開關(guān)次數(shù)與7段式基本相當。但DSP實現(xiàn)時,存儲量小。4仿真及結(jié)果分析本文采用Matlab軟件,在Simlulink環(huán)境下對新矢量調(diào)制算法進行了仿真實驗。并在不同情況下,對不對稱5段式與傳統(tǒng)7段式脈沖調(diào)制效果進行對比。仿真參數(shù):電網(wǎng):Em=311V,f=50Hz;交流側(cè)參數(shù):Ls=10mH,Rs=0.5Ω;直流側(cè)參數(shù):Cd=600μF;直流側(cè)給定電壓Udc=600V;帶10kW等效負載;開關(guān)頻率fs=5kHz;采用傳統(tǒng)7段式脈寬調(diào)制方式仿真時,主電路參數(shù)相同,PI控制器參數(shù)也相同。4.1段式脈沖調(diào)制方法圖6和圖7為7段式和新5段式在整流器啟動時的仿真結(jié)果。顯然采用7段式脈沖調(diào)制方法,在整流器啟動過程中,中點電位有著較大的波動。而采用5段式脈沖調(diào)制方法后,整流器從啟動到進入穩(wěn)態(tài)過程中,中點電位始終在±2V范圍內(nèi)波動,有著很好的中點電位平衡效果。4.2段式調(diào)制方式對系統(tǒng)負載的影響圖8和圖9為7段式和新5段式在整流器突加負載時的仿真結(jié)果(圖8為在系統(tǒng)運行0.06s時,并聯(lián)5kW負載,圖9為在系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,0.06s時,并聯(lián)5kW負載)。顯然,7段式調(diào)制方式在負載發(fā)生變化時,中點電位調(diào)整能力的不足,電位波動±5V;而采用5段式后,中點穩(wěn)定效果很明顯,突加負載時,中點電位仍保持在±2V范圍內(nèi)波動。4.3中點電位波動隨電容容值的變化情況下,依據(jù)壓力方程計算公式為圖10和圖11為7段式和新5段式在直流給定電壓突變時的仿真結(jié)果(在系統(tǒng)運行0.06s時,給定電壓突變1000V)。當給定電壓發(fā)生變化,采用7段式調(diào)制方法,在直流側(cè)電容的容值只有600μF情況下,中點電位波動達到了±100V;而采用5段式后,在相同的電路參數(shù)以及控制器參數(shù)下,中點電位波動也只是在±15V以內(nèi)。顯然,新的5段式調(diào)制方法,在整流器啟動過程中、給定電壓突變,負載不均衡突變等瞬變情況下,