級(jí)聯(lián)型逆變器的新型多電平SVPWM研究

林青松，劉躍敏，蘭冠鵬，范波，2

（1.河南科技大學(xué) 電信學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

1 引言

目前多電平SVPWM的研究，主要集中在錯(cuò)時(shí)采樣SVPWM。錯(cuò)時(shí)采樣 SVPWM（STSSVPWM）技術(shù)是結(jié)合傳統(tǒng)兩電平SVPWM技術(shù)，而得到的一種適合級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的多電平空間矢量調(diào)制方法。

本文對(duì)STS－SVPWM的調(diào)制機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)其不足之處，應(yīng)用一種新型簡(jiǎn)化多電平PWM技術(shù)，即單元矢量延時(shí)疊加SVPWM（overlap time staggered－SVPWM，OTS－SVPWM）技術(shù)，并將其應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型逆變器中，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性和實(shí)用價(jià)值。

2 STS－SVPWM 技術(shù)

錯(cuò)時(shí)采樣SVPWM（STS－SVPWM）技術(shù)是將各個(gè)級(jí)聯(lián)功率單元的采樣時(shí)間錯(cuò)開(kāi)一個(gè)固定的時(shí)間，以達(dá)到各個(gè)級(jí)聯(lián)單元輸出電壓矢量相互錯(cuò)開(kāi)的目的。即級(jí)聯(lián)型逆變器的總輸出電壓矢量可以看作是各個(gè)功率單元輸出的小電壓矢量的總和，各個(gè)小電壓矢量的幅值相同，只是在空間上相差一定角度。

對(duì)于STS－SVPWM技術(shù)，一級(jí)單元逆變電路的2個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)信號(hào)均需采樣計(jì)算，總采樣頻率為左橋臂采樣頻率的2倍，對(duì)于N單元級(jí)聯(lián)型逆變器，采樣頻率為左橋臂采樣頻率的2 N倍，說(shuō)明采樣頻率隨級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加成比例增加，采樣周期成比例減小，這無(wú)疑提高了對(duì)控制芯片運(yùn)算性能的要求，限制了逆變器的級(jí)聯(lián)數(shù)量。

3 OTS－SVPWM 技術(shù)

從調(diào)制方法的結(jié)果來(lái)看，錯(cuò)時(shí)采樣得到的多電平PWM輸出，相當(dāng)于對(duì)輸出電壓相位進(jìn)行了移動(dòng)，而與對(duì)同一個(gè)矢量通過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)發(fā)送，得到的多個(gè)PWM輸出幾乎一模一樣。而延時(shí)發(fā)送與前者相比，幾乎不占用系統(tǒng)內(nèi)存，與采樣頻率和級(jí)聯(lián)數(shù)目無(wú)關(guān)，算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)性都會(huì)非常好。

從調(diào)制原理上講，通用的兩電平SVPWM基于矢量合成，必須是三相生成。為此，需要一些特殊處理，才能應(yīng)用到H橋。從兩者功能的實(shí)現(xiàn)上，即三相的角度來(lái)分析，三相一單元H橋和三相通用橋都可以讓電機(jī)轉(zhuǎn)，那么，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上應(yīng)有共同點(diǎn)?？梢园袶橋左右橋臂分開(kāi)來(lái)看待，如果對(duì)左右橋臂分開(kāi)控制，3個(gè)左右橋臂相當(dāng)于2個(gè)三相橋。從實(shí)現(xiàn)的安全性角度，只要保證同一個(gè)橋臂上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管不直通，即取反的關(guān)系即可。分開(kāi)控制與這個(gè)安全性要求不沖突。

具體實(shí)現(xiàn)上，對(duì)單個(gè)橋臂施加SVPWM，得到正電平和零電平交替的兩電平信號(hào)。如果對(duì)SVPWM信號(hào)進(jìn)行邏輯取反得到負(fù)電平和零。這時(shí)H橋輸出的是2倍幅值的正電平和零電平交替的兩電平信號(hào)。如果加上一定的延時(shí)，再邏輯取反，即可得到正，零，負(fù)交替的三電平PWM信號(hào)。

OTS－SVPWM技術(shù)的采樣頻率只是第1個(gè)橋臂的采樣頻率，不隨級(jí)聯(lián)數(shù)的增加而增加，因此并不額外增加CPU的工作量，而輸出電壓性能影響不大，因而應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型逆變器拓?fù)渲?，具有明顯優(yōu)勢(shì)。使得研究者可以把主要精力集中在控制策略的改善上，從而極大地促進(jìn)了級(jí)聯(lián)多電平SVPWM技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

4 仿真及分析

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，仿真采用 Matlab7.1自帶的SVPWM發(fā)生器，對(duì) STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM進(jìn)行對(duì)比研究。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了OTS－SVPWM技術(shù)良好的控制效果。

4.1 級(jí)聯(lián)型STS－SVPWM技術(shù)仿真研究

STS－SVPWM技術(shù)電壓利用率高，且便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。但由于其基于錯(cuò)時(shí)采樣和矢量合成，需要非常大的系統(tǒng)資源和強(qiáng)大的CPU運(yùn)算能力。出于實(shí)時(shí)性控制考慮，本文取級(jí)聯(lián)單元數(shù)為3，其總體結(jié)構(gòu)、主電路及脈沖分配如圖1～圖3所示。

圖1 STS－SVPWM總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of STS－SVPWM

圖2 三相3單元STS－SVPWM主電路Fig.2 Three－phase 3unit main circuit of STS－SVPWM

圖3 三相3單元STS－SVPWM脈沖分配圖Fig.3 Three－phase 3unit pulse allotment of STS－SVPWM

圖4中，仿真參數(shù)如下：直流電壓為400V，SVPWM調(diào)制度m＝0.90，采樣頻率fs＝10 kHz。輸出相電壓UA為1200V、7電平的階梯波形，線電壓UAB為2400V、13電平階梯波形。且線電壓UAB，UBC，UCA互成120°。從波形上可以看出，線電壓上下半周輸出電壓波形略有不同，出現(xiàn)一定的脈沖混疊現(xiàn)象。若想保持平衡，須增大采樣頻率。而這個(gè)受限于CPU運(yùn)算速度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。如果繼續(xù)增大級(jí)聯(lián)數(shù)目，對(duì)CPU運(yùn)算能力的要求更高，實(shí)時(shí)性更差。

圖4 三相3單元STS－SVPWM仿真圖Fig.4 Three－phase 3unit of STS－SVPWM waves

4.2 級(jí)聯(lián)型OTS－SVPWM技術(shù)仿真研究

OTS－SVPWM 和STS－SVPWM 主電路結(jié)構(gòu)完全一樣。其差別僅在于脈沖發(fā)生器的處理上。OTS－SVPWM技術(shù)由于其基于矢量合成和依次延時(shí)發(fā)送環(huán)節(jié)，只要延遲環(huán)節(jié)取得合適，其不會(huì)出現(xiàn)STS－SVPWM常有的脈沖混疊現(xiàn)象。疊加形成的多電平SVPWM波形更加趨于正弦波，諧波含量更少。其相應(yīng)的問(wèn)題是脈沖量比STS－SVPWM少一些。仍以三相3單元為例，其總體結(jié)構(gòu)和脈沖分配如圖5、圖6所示。

圖5 OTS－SVPWM總體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The overall structure of OTS－SVPWM

圖6 A相3單元OTS－SVPWM脈沖分配圖Fig.6 A－phase 3unit pulse allotment of OTS－SVPWM

兩電平SVPWM是通過(guò)空間矢量變換得到的，SVPWM的延時(shí)發(fā)送必須加布爾代數(shù)的邏輯取反得到?？紤]到信號(hào)的延遲造成的積累誤差。這里延遲時(shí)間依次增大0.1Ts。即第一個(gè)延遲單元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，3。

圖7中，仿真參數(shù)和仿真輸出的波形幅值及相位關(guān)系與圖4中的完全一樣。但OTS－SVPWM仿真時(shí)間比STS－SVPWM快得多。輸出波形質(zhì)量也較STS－SVPWM理想，沒(méi)有脈沖混疊現(xiàn)象。

圖7 三相3單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.7 Three－phase 3unit of OTS－SVPWM waves

隨著級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，采樣周期和單元延遲時(shí)間均應(yīng)適當(dāng)減小。如果處理不當(dāng)，很容易造成電平的跳變和電平間的相互抵消。

圖8中，直流電壓為577V，SVPWM調(diào)制度m＝0.90，采樣頻率Ts＝8×10－5s。這里，第一個(gè)延遲單元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，…，11。輸出相電壓UA為3500V的13電平階梯波形，線電壓UAB為7000V的25電平階梯波形。盡管線電壓近似UAB，UBC，UCA互成120°，但存在電平波動(dòng)，波形質(zhì)量較差。

圖8 三相6單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.8 Three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

如果采用改進(jìn)的SVPWM發(fā)生器，并且把各單元延遲時(shí)間一律改為0.00003s。其他電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)與圖5一樣。則可在一定程度上緩解這種情況。SVPWM脈沖發(fā)生器和輸出波形如圖9、圖10所示。

圖9 改進(jìn)的SVPWM發(fā)生器Fig.9 The improved SVPWM pulse generator

圖10 改進(jìn)的三相6單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.10 The improved three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

圖10中，幅值和相位情況與圖8一致，但沒(méi)有較大的電平波動(dòng)和缺失，波形對(duì)稱(chēng)性良好，得到了近乎完美的多電平SVPWM輸出。

比較 STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM 仿 真情況如下。

1）OTS－SVPWM 的仿真速度比 STS－SVPWM快得多。OTS－SVPWM僅第一個(gè)橋臂需要矢量運(yùn)算，其后續(xù)的實(shí)現(xiàn)，只要統(tǒng)一加邏輯運(yùn)算即可。而STS－SVPWM每個(gè)橋臂都需要采樣和矢量運(yùn)算，占用系統(tǒng)資源，仿真時(shí)間很慢。如果有N個(gè)單元的三相逆變橋。OTS－SVPWM的運(yùn)算速度是STS－SVPWM 的2 N 倍。OTS－SVPWM便于實(shí)時(shí)控制和集成控制。

2）OTS－SVPWM技術(shù)由于其基于矢量合成和依次延時(shí)發(fā)送環(huán)節(jié)。只要延遲環(huán)節(jié)取得合適，其不會(huì)出現(xiàn)STS－SVPWM常有的脈沖混疊現(xiàn)象。疊加形成的多電平SVPWM波形更加趨于正弦波，諧波含量更少。其相應(yīng)的問(wèn)題是脈沖量比STS－SVPWM少一些，同時(shí)需存在一定的延遲，在系統(tǒng)其它參數(shù)一致的情況下，其脈沖缺失的情況比 STS－SVPWM 嚴(yán) 重。可 見(jiàn)，OTS－SVPWM以犧牲一定的脈沖數(shù)量，來(lái)?yè)Q得更為理想的輸出波形。

3）隨著級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，OTS－SVPWM延遲環(huán)節(jié)的考慮更加復(fù)雜，一般而言，需要更小的延遲時(shí)間和更高性能的SVPWM脈沖發(fā)生器才能實(shí)現(xiàn)其控制效果。OTS－SVPWM技術(shù)應(yīng)用在高壓領(lǐng)域，尚有一些難題。但其便于實(shí)時(shí)控制和集成控制的優(yōu)點(diǎn)，是STS－SVPWM所無(wú)法比擬的。因此，OTS－SVPWM技術(shù)將是研究的熱點(diǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)及分析

鑒于實(shí)驗(yàn)室條件限制，采用三相一單元級(jí)聯(lián)型H橋結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主電路采用3個(gè)富士IPM－7MBP75RA120，只用其前兩路構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)和3個(gè)30V的直流穩(wěn)壓電源互連，構(gòu)成三相一單元結(jié)構(gòu)?？刂破鞑捎?DSPTMS320F2812，其共有12個(gè)PWM輸出口，剛好可以滿(mǎn)足三相一單元結(jié)構(gòu)的OTS－SVPWM脈沖實(shí)現(xiàn)。

采用5段式硬件生成模式得到兩電平三相SVPWM波，采樣周期為10kHz。通過(guò)邏輯延遲生成多電平SVPWM波。最終得到相電壓30V的3電平波形和線電壓60V的5電平波形。電機(jī)為額定相電壓220V，額定電流8.8A。帶電機(jī)空載的逆變器實(shí)驗(yàn)波形如圖11、圖12所示。

圖11 相電壓UA波形圖Fig.11 Phase voltage UAwaveform

圖12 線電壓UAB波形圖Fig.12 Line voltage UABwaveform

OTS－SVPWM在作用效果上，完全可以與STS－SVPWM相媲美。通過(guò)帶電機(jī)負(fù)載測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在效果上，采用三相一單元H橋結(jié)構(gòu)的5電平OTS－SVPWM比直接加相同幅值的兩電平SVPWM使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，噪聲更小。

6 結(jié)論

OTS－SVPWM技術(shù)以其實(shí)時(shí)性好和算法簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在一定采樣頻率和級(jí)聯(lián)單元下，比STS－SVPWM技術(shù)更加具有實(shí)用價(jià)值?？紤]到FPGA等邏輯處理芯片在邏輯處理方面具有的優(yōu)勢(shì)，采用DSP＋FPGA的方案可以實(shí)現(xiàn)多單元高壓 OTS－SVPWM 技 術(shù)?？?之，OTS－SVPWM技術(shù)在高壓變頻器領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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