基于三電平空間矢量調(diào)制的能量回饋研究

田 微，張俊敏

(1．中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074;2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

節(jié)約能源的一種簡單可行的方法是從能量回饋角度，將多余的能量回饋給電網(wǎng)。其控制的核心是如何實(shí)現(xiàn)直交變流，即如何實(shí)現(xiàn)有源逆變。以往常用一些常規(guī)的SPWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，然而多數(shù)常規(guī)方法直流利用率低［1－2］，且傳統(tǒng)的高頻三角波與調(diào)制波比較生成PWM波的方式只適合模擬電路，已不適應(yīng)現(xiàn)代化電力電子技術(shù)數(shù)字化的發(fā)展趨勢［3－4］?；谝陨涎芯?，筆者采用三電平空間矢量控制策略來實(shí)現(xiàn)能量回饋，以提高三相逆變器的可靠性和可行性，進(jìn)一步降低并網(wǎng)成本。實(shí)驗(yàn)證明，該方法具有一定的實(shí)用價值。

1 三電平逆變器的空間矢量調(diào)制

圖1為三電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中VA1等開關(guān)器件選用IGBT。以A相為例，其共有3種狀態(tài)，分別為 UDC、UDC/2、0。其中，UDC為 VA1、VA2導(dǎo)通時A相電壓的大小，UDC/2為VA2、VA3導(dǎo)通時A相電壓的大小，0為VA3、VA4導(dǎo)通時A相電壓的大小，分別記為2電平、1電平和0電平。

設(shè)Um為相電壓有效值，f為電網(wǎng)頻率。根據(jù)空間矢量的概念，有:

則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)可表示為:

圖1 三電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

利用三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和式(2)，可以得到如圖2所示的三電平逆變器空間矢量圖［5］。圖2中所標(biāo)矢量共有27個，依據(jù)矢量大小，可分為 4 類:零矢量(000，111，222)、小矢量(100，110，010，011，001，101，211，221，121，122，112，212)、中矢量(210，120，021，012，102，201)和大矢量(200，220，020，022，002，202)。

2 SVPWM控制算法

2．1 電壓矢量作用時間的計(jì)算

由伏秒平衡原理［6］可得:

設(shè)參考矢量在Ⅰ區(qū) 110［221］、210、100［211］所圍三角形區(qū)域內(nèi)，則得:

圖2 三電平逆變器電壓空間矢量圖

式中:t1、t2、t3分別為矢量 V1、V2、V3的作用時間;為大矢量大小;θ為參考矢量的方位角。

同理，可推出Ⅰ區(qū)其他三角形的3矢量的作用時間。調(diào)整θ角，可得到其他區(qū)域的情況［7－8］，例如，Ⅵ區(qū)的 θVI=2π －θt。

2．2 參考矢量所在區(qū)域的判斷

為了使逆變器輸出的諧波分量最小，在此采用了最近3矢量合成方法。該方法就是判斷參考矢量位于矢量圖中的哪個小三角形中，再用上述方法計(jì)算矢量的作用時間，最后制定脈沖序列。

判斷參考矢量所在小三角形區(qū)域，可先依據(jù)方位角判定參考矢量所在的大三角形區(qū)域Ⅰ區(qū)～Ⅵ區(qū)，再判定所在小三角形區(qū)域。判定小三角形區(qū)域時，可以通過該區(qū)域的大矢量和零矢量來判斷，也即可用二電平矢量圖來簡化［9］。以Ⅵ區(qū)為例，其空間矢量圖如圖3所示。在二電平矢量圖中，設(shè)ta、tb、t0分別為三角形的兩個大矢量和零矢量的作用時間，當(dāng)ta大于T/2時，為Ⅵ4區(qū)域;當(dāng)tb大于T/2時，為Ⅵ2區(qū)域;當(dāng)t0大于 T/2時，為Ⅵ1區(qū)域;否則為Ⅵ3區(qū)域。

圖3 Ⅵ區(qū)空間矢量圖

2．3 脈沖序列的實(shí)現(xiàn)

脈沖序列實(shí)現(xiàn)最基本的原則是:①在一個控制周期內(nèi)，歷遍所有矢量，生成對稱的PWM波形，盡可能地使諧波最小;②為使諧波盡可能小，當(dāng)矢量跳變時，應(yīng)使電壓變化最小化。另外，從矢量圖中可以看出，有些三角形的頂點(diǎn)有兩個矢量，使得矢量圖中存在大量的冗余矢量。冗余矢量的存在使得控制更加靈活，但也增加了控制難度。現(xiàn)以Ⅵ區(qū)為例，該區(qū)中每個小三角形區(qū)域內(nèi)的矢量作用順序如表1所示，當(dāng)矢量跨區(qū)切換時，脈沖序列如表2所示。

表1 Ⅵ區(qū)脈沖序列

表2 脈沖序列

由表2可知，當(dāng)k＞1時，屬于過調(diào)制暫態(tài)，輸出的波形會出現(xiàn)嚴(yán)重失真［10］。

3 方法驗(yàn)證

矢量調(diào)制是用于能量回饋，在運(yùn)用上述方法時，要注意以下幾點(diǎn):①相電壓有效值為220 V;②回饋的起始時刻為電網(wǎng)A相電壓的相角θ=0;③f=50 Hz。另外，選擇參數(shù) L=1 mH，C=4 400 μF，采樣時間為 200 μs。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件框圖如圖4所示。為使系統(tǒng)計(jì)算性能和控制性能更優(yōu)良，主控單元采用雙控制器來實(shí)現(xiàn)，控制器TMS320C2812DSP完成采樣及矢量序列相關(guān)計(jì)算，控制器LPC2294負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)相關(guān)測控功能。同步電壓檢測單元檢測電網(wǎng)電壓，當(dāng)A相電壓從負(fù)半周過零進(jìn)入正半周時，開始回饋能量，即參考矢量方位角θ從0開始。功率器件選用富士的6MBI12L－120IGBT模塊，并選用富士的EXB840作為驅(qū)動模塊。溫度、電流和電壓檢測單元負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的逆變器進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果傳遞給主控單元的LPC2294，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制功能。實(shí)驗(yàn)所得的電網(wǎng)側(cè)A相電壓波形如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

圖5 電網(wǎng)側(cè)A相電壓

4 結(jié)論

三電平及多電平空間矢量調(diào)制方法常用于整流器和逆變器的設(shè)計(jì)，專用于能量回饋的比較少。筆者根據(jù)能量回饋逆變器的特點(diǎn)，將三電平空間矢量調(diào)制方法用于能量回饋系統(tǒng)之中，并結(jié)合能量回饋的其他特殊要求，構(gòu)造能量回饋系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的正確性。

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