基于H單元三電平SVPWM移相級(jí)聯(lián)的矢量控制系統(tǒng)

趙 克， 王廣林， 孫 力

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

多電平變換器和兩電平變換器相比，具有輸出電壓諧波分量小，能用低壓器件輸出高等級(jí)電壓、dU/dt小等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合于高壓大容量工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，級(jí)聯(lián)型多電平逆變器可分為二極管箝位型、電容鉗位型和單元級(jí)聯(lián)型等三類［1-2］。

單元級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)通?；趥鹘y(tǒng)的三電平逆變器單元，因此主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡單，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)逆變橋由相互獨(dú)立的直流電壓源供電，不存在中性點(diǎn)電壓不平衡問題。單元級(jí)聯(lián)技術(shù)降低了逆變系統(tǒng)對(duì)開關(guān)器件的耐壓要求，同時(shí)獲得了更高的等效開關(guān)頻率，大大降低了開關(guān)損耗，進(jìn)一步改善了輸出波形。

為了提高電壓利用率，改善諧波特性，SVPWM可以應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型逆變器。二極管嵌位型三電平和H單元二電平SVPWM的相關(guān)研究已有很多文獻(xiàn)［3-6］。本文把三電平SVPWM、數(shù)字移相技術(shù)及矢量控制結(jié)合應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型逆變系統(tǒng)。

1 H單元三電平SVPWM

H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)

該三電平逆變器每相電壓輸出有3種狀態(tài):－1，0，1，三相輸出共27種狀態(tài)，其中包括6個(gè)長矢量，6個(gè)中矢量，12個(gè)短矢量和3個(gè)零矢量。長矢量 U7、U9、U11、U13、U15、U17將空間矢量圖分為Ⅰ～Ⅵ六個(gè)正三角形扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)又被中矢量和短矢量分割成4個(gè)小三角形。圖2為三電平逆變器電壓輸出空間矢量圖。

圖2 三電平逆變器電壓空間矢量圖

零輸出狀態(tài)具有(000)、(111)、(－1－1－1)三種組合，因此，實(shí)際輸出的狀態(tài)組合將大大增加，為便于分析，仍認(rèn)為零狀態(tài)只有一種開關(guān)組合。

三電平SVPWM法的步驟如下:

(1)確定參考電壓矢量Uref;

(2)確定參考電壓矢量Uref所在大扇區(qū);

(3)確定Uref所在小扇區(qū);

(4)確定實(shí)際作用的電壓矢量及其順序;

(5)確定實(shí)際電壓矢量的作用時(shí)間。

實(shí)際上，SVPWM的實(shí)現(xiàn)有很多方法，文獻(xiàn)［5，7］提到的方法均可實(shí)現(xiàn)。為了改善輸出特性，減少共模電壓，通常矢量電平不能從－1到1或從－1到0直接變化，而需經(jīng)零狀態(tài)過渡，采用同一個(gè)三角形上的小矢量可以避免扇區(qū)切換時(shí)發(fā)生矢量突變。各矢量確定后，依據(jù)臨近三矢量合成原則及伏秒平衡的原則，可得矢量作用時(shí)間。

假設(shè)參考電壓矢量由Ua、Ub、Uc三個(gè)電壓矢量合成，利用式(1)可計(jì)算各矢量的作用時(shí)間。

式中，Ta、Tb、Tc分別為矢量 Ua、Ub、Uc作用時(shí)間，Ts為空間矢量控制周期，可得到該三角形內(nèi)各矢量作用時(shí)間。其作用時(shí)間受級(jí)聯(lián)單元直流母線電壓和調(diào)制系數(shù)的影響。

再由對(duì)稱性可得其他5個(gè)扇區(qū)矢量作用時(shí)間。采用歸一化算法，將上述各計(jì)算公式中θ分別用 θ+60°，θ+120°，θ+180°，θ+240°，θ+300°來代替，即可計(jì)算出整個(gè)空間的矢量合成時(shí)間。

2 級(jí)聯(lián)型三單元移相式SVPWM

目前廣泛應(yīng)用的單元級(jí)聯(lián)型多電平逆變器采用若干個(gè)具有獨(dú)立直流電源的低壓逆變功率單元直接串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出，當(dāng)逆變器級(jí)聯(lián)的功率單元數(shù)為N，且各單元均工作在三電平輸出狀態(tài)，其輸出的相電壓電平數(shù)為2N+1，即為七電平。

三單元級(jí)聯(lián)逆變電路的電壓空間矢量可分為六大扇區(qū)，每扇區(qū)包含(N－1)2=4個(gè)小三角形，而電壓矢量數(shù)多達(dá)27個(gè)，電壓矢量選擇和矢量作用時(shí)間的計(jì)算極為復(fù)雜［7］。若由對(duì)三電平逆變器的分析擴(kuò)展開，對(duì)于圖3中的N單元級(jí)聯(lián)逆變電路，每單元仍可視為一個(gè)三電平結(jié)構(gòu)，單元級(jí)聯(lián)電路也可采用上述SVPWM的調(diào)制方法。

圖3 N單元級(jí)聯(lián)逆變器

如果N單元輸出的電壓矢量相位相同，則逆變器輸出電壓只是在幅值增加，波形仍為三電平。借鑒載波移相SPWM的調(diào)制思想，保證相鄰的兩個(gè)單元電壓矢量有一個(gè)固定的相位差，使每相N單元的各矢量作用順序一致，就可以生成多電平波形。設(shè)空間矢量的采樣時(shí)間為Ts，采用上述空間矢量調(diào)制方法，N單元級(jí)聯(lián)逆變電路各單元矢量作用時(shí)間的差值為Ts/N。

若采用微處理器實(shí)現(xiàn)移相式SVPWM矢量控制，主DSP只需負(fù)責(zé)一個(gè)三電平逆變單元的矢量計(jì)算，其他(N－1)單元的矢量控制信號(hào)由FPGA進(jìn)行移相。數(shù)字移相一般采用延時(shí)方法，以延時(shí)的長短來決定兩數(shù)字信號(hào)間的相位差，當(dāng)SVPWM的控制周期為Ts時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將PWM控制信號(hào)延時(shí)Ts/N，2Ts/N，…(N－1)Ts/N，從而得到第二、三、…第N級(jí)功率單元的SVPWM控制信號(hào)。對(duì)于三單元級(jí)聯(lián)型逆變器，PWM分配板的每相三路PWM輸出相位差為2π/3。

3 基于雙處理器的移相式SVPWM級(jí)聯(lián)三電平H單元矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單元級(jí)聯(lián)型逆變器采用按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，磁場定向依據(jù)Ψrt=0的約束條件。轉(zhuǎn)子磁鏈和機(jī)械角速度滿足式(2)。根據(jù)電流模型法，可得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和空間位置角。

系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4 級(jí)聯(lián)三電平SVPWM的矢量控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件電路主要包括功率單元、DSP主控制板、PWM分配板及其他外圍電路。主控制板以TI公司TMS320LF2812芯片為核心，實(shí)現(xiàn)矢量控制并輸出一單元三電平SVPWM信號(hào);PWM分配板采用 Altera公司 Cyclone芯片EP1C6Q240C8，接收主控制板輸出的PWM信號(hào)并對(duì)其移相，實(shí)現(xiàn)移相式SVPWM輸出;功率驅(qū)動(dòng)采用SEMIKRON公司的IGBT雙管模塊。

主控制板DSP矢量控制程序采用匯編語言編寫，包括主程序和中斷服務(wù)子程序(見圖5)。主程序完成初始化;中斷服務(wù)子程序是本程序的核心，包括電流采樣環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速測試環(huán)節(jié)、坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子磁鏈位置估算環(huán)節(jié)和 PI調(diào)節(jié)及SVPWM生成等環(huán)節(jié)。

PWM分配板載FPGA芯片采用原理圖法和VHDL語言混合編程實(shí)現(xiàn)PWM脈沖移相多路輸出。對(duì)于N單元級(jí)聯(lián)疊加的逆變器，每相PWM脈沖序列相位相差2π/N。

4 系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)結(jié)果

圖5 DSP中斷服務(wù)子程序流程圖

利用MATLAB的Simulink仿真工具對(duì)本文所提出的基于移相式SVPWM的級(jí)聯(lián)型多電平矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真用電機(jī)型號(hào)為JSQ1512－6，該電機(jī)參數(shù)如下:額定電壓Un=6 000 V，額定電流In=88 A，額定功率Pn=780 kW，額定頻率fn=50 Hz，極對(duì)數(shù)P=3，額定轉(zhuǎn)速nn=990 r/min，效率 η=0.94，功率因數(shù) cos φ =0.90，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為 1.5，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.1，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jn=100 kg·m2。仿真參數(shù)如下:給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，級(jí)聯(lián)單元電壓為1 000 V，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=7 000 N·m，在t=10 s后增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩到TL=9 000 N·m，仿真時(shí)間為15 s。此條件下的相電壓、線電壓、電流和轉(zhuǎn)速等如圖6所示。

為檢驗(yàn)級(jí)聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可行性，根據(jù)設(shè)計(jì)思想搭建小功率模擬試驗(yàn)平臺(tái)，并在平臺(tái)上進(jìn)行了小功率試驗(yàn)。所選電機(jī)型號(hào)為 YTSZ90，電機(jī)參數(shù)如下:Un=380 V，In=3 A，Pn=1.1 kW，P=2，nn=1 415 r/min，J=0.003 kg·m2，Tn=7.0 N·m，Rs=3.2 Ω，Rr=4.56 Ω，Ls=0.386 H，Lr=0.712 H，Lm=0.375 H，TL=5.0 N·m。功率單元采用三菱公司PS21869的IPM模塊，額定電壓600 V，額定電流可達(dá)50 A，單個(gè)IPM模塊就能驅(qū)動(dòng)3.7 kW的電機(jī)，滿足小功率平臺(tái)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求。模仿大功率情況，將逆變器開關(guān)的最高頻率設(shè)為1 kHz。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為n=1 200 r/min時(shí)，三單元級(jí)聯(lián)疊加輸出的電壓、電流波形如圖7所示。

圖6 級(jí)聯(lián)型逆變器矢量控制系統(tǒng)仿真波形

可以看出，三單元級(jí)聯(lián)型逆變器相電壓波形為七電平，線電壓波形為十三電平，線電流波形呈現(xiàn)較好的正弦特性，表明本文提出的基于移相式SVPWM的級(jí)聯(lián)多電平矢量控制系統(tǒng)是正確和可行的。

圖7 級(jí)聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)語

本文討論的級(jí)聯(lián)多電平逆變系統(tǒng)移相式SVPWM方法，解決了以往控制算法存在的電壓矢量選擇困難和計(jì)算復(fù)雜的問題，也解決了傳統(tǒng)移相式SPWM應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)存在的電壓利用率較低的缺點(diǎn)。采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)了移相式SVPWM輸出。采用DSP與FPGA雙處理器結(jié)合的方法，具有計(jì)算速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)是可行的。

［1］周京華，蘇彥民，詹雄.多單元串聯(lián)多電平逆變電源的控制方法研究［J］.電力電子技術(shù)，2003(8):49-51.

［2］付超，石新春，王毅.級(jí)聯(lián)型逆變器的空間矢量移相調(diào)制方法［J］.電力電子技術(shù)，2005(10):51-53.

［3］余明鋒，劉志剛，苗春暉.一種三電平逆變器空間矢量PWM控制算法的實(shí)現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2005(2):48-50.

［4］AMIT K G，ASHWIN M K.A space vector PWM scheme for multilevel inverters based on two-level space vector PWM［JJ］.IEEE Transactions on industrial electronics，2006(10):1631-1639.

［5］唐雄民，龔理專，彭永進(jìn).一種快速的多電平空間矢量調(diào)制算法研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(2):75-77.

［6］王琛琛，李永東，高躍.基于通用多電平 SVPWM算法的三電平無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(9):107-111.

［7］JAE H S，CHANG H C.A new simplified space-vector PWM method for three-level inverters［J］.IEEE Transaction on power electronics，2001(7):545-550.

［8］HABIB R，XU L R.A voltage model flux observer design requires no stator resistance or voltage signal information［C］∥APEC，2002(1):299-303.