多電平無扇區(qū)SVPWM逆變的動(dòng)態(tài)矢量控制研究

吳承天, 王魯楊, 李　然, 黃思源, 孫　皓

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上?！?00090)

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多電平無扇區(qū)SVPWM逆變的動(dòng)態(tài)矢量控制研究

吳承天, 王魯楊, 李然, 黃思源, 孫皓

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:針對傳統(tǒng)多電平SVPWM算法需要三角函數(shù)運(yùn)算和大小扇區(qū)判斷的缺陷,建立了120°坐標(biāo)系下無扇區(qū)空間矢量調(diào)制方法.基于傳統(tǒng)多電平SVPWM矢量動(dòng)作的規(guī)律,提出了動(dòng)態(tài)矢量控制策略.新優(yōu)化方法將算法進(jìn)行統(tǒng)一,并能推廣到更高的多電平逆變環(huán)境.在Matlab環(huán)境下的仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性及可行性.

關(guān)鍵詞：120°坐標(biāo)系; 多電平; 無扇區(qū); 動(dòng)態(tài)矢量優(yōu)化

多電平SVPWM控制技術(shù)是多電平研究的關(guān)鍵核心技術(shù)[1-2].傳統(tǒng)的SVPWM計(jì)算過于復(fù)雜,并且?guī)в腥呛瘮?shù)運(yùn)算,在實(shí)際應(yīng)用中有很多的不便.近年來,針對多電平SVPWM逆變?nèi)秉c(diǎn)的改進(jìn)算法層出不窮.文獻(xiàn)[3]利用三角函數(shù)的特點(diǎn)將扇區(qū)重新排序,從而減少了三角運(yùn)算;文獻(xiàn)[4]用兩電平SVPWM算法的多層疊加實(shí)現(xiàn)三電平SVPWM算法;文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]通過SVPWM的本質(zhì),用三相電壓磁鏈?zhǔn)睾愕姆绞教岢隽藷o扇區(qū)的算法,但該方法易于兩電平的實(shí)現(xiàn),難以推廣到三電平或者更高電平逆變的情況.本文通過研究傳統(tǒng)三電平7段式矢量安排中隱藏的規(guī)律,結(jié)合120°坐標(biāo)系空間矢量圖三角形的特點(diǎn),提出了一種無扇區(qū)的動(dòng)態(tài)矢量優(yōu)化算法.該算法首先化整為零,研究整個(gè)矢量空間的一個(gè)三角形中的矢量動(dòng)作規(guī)律,再化零為整,由一個(gè)小三角區(qū)域的規(guī)律推廣到整個(gè)矢量空間的動(dòng)作規(guī)律,最后完成這個(gè)矢量控制,進(jìn)而推廣到更高電平的逆變控制.

1傳統(tǒng)三電平SVPWM逆變矢量安排規(guī)律

傳統(tǒng)的三電平逆變一共有27個(gè)矢量,其中有效矢量19個(gè).圖1為三電平逆變器下開關(guān)狀態(tài)及對應(yīng)的空間矢量圖.

傳統(tǒng)SVPWM逆變控制策略在經(jīng)過大小扇區(qū)判斷、矢量作用的時(shí)間計(jì)算后,采用7段式矢量安排來完成整個(gè)空間矢量的控制.因?yàn)?段式矢量動(dòng)作的后半段與前半段對稱,表1給出了扇區(qū)1中各小扇區(qū)前半段的矢量安排,其中各小扇區(qū)的定義在圖1中給出.

對表1進(jìn)行深入分析和推廣,有以下結(jié)論:在7段式前半段的矢量安排中,當(dāng)參考矢量處于正三角形區(qū)域時(shí),矢量的安排體現(xiàn)順時(shí)針性;當(dāng)參考矢量處于倒三角形區(qū)域時(shí),矢量的安排體現(xiàn)逆時(shí)針性.以小扇區(qū)3,小扇區(qū)4,小扇區(qū)5為例,如圖2所示.

2多電平無扇區(qū)SVPWM逆變優(yōu)化算法

2.1120°坐標(biāo)系的建立和變換

在傳統(tǒng)的三電平SVPWM算法基礎(chǔ)上,提出了一種新的控制算法——基于120°坐標(biāo)系的無扇區(qū)SVPWM優(yōu)化算法.建立120°坐標(biāo)系,g軸為橫軸與直角坐標(biāo)系的α軸重合,h軸為g軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°,如圖3所示.

設(shè)參考矢量Vref在直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(Uα,Uβ),在g-h坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(Ug,Uh),由于參考矢量固定,可得到:

(1)

再通過clark變換,可以得到abc三相電壓在120°坐標(biāo)系下的形式,Ua,Ub,Uc為三相電壓,分別為:

(2)

2.2基本矢量的確定

對于任意參考矢量,選取其所在的三角形區(qū)域的3個(gè)矢量為基本矢量,如圖4所示.

首先要選取距離參考矢量最近的4個(gè)矢量,這4個(gè)矢量是由參考矢量在g軸和h軸上投影的上下取整所組成的,4個(gè)基本矢量分別為Ucc,Ucf,Ufc,Uff.其中,c代表ceiling,即向上取整,f代表floor,即向下取整;由圖4可以看出,Ucc和Uff為其中兩個(gè)確定的基本矢量.

第3個(gè)矢量由參考矢量終點(diǎn)的平行方程表達(dá)式確定,假設(shè)過點(diǎn)(g,h)的直線如下:

(3)

上述直線為經(jīng)過參考矢量Vref終點(diǎn),當(dāng)k≥Ugc-Uhc時(shí),Vref落在正三角形內(nèi),此時(shí)選取Ucf為第3個(gè)基本矢量;反之,則Vref落在倒三角形內(nèi),此時(shí)取Ufc為第3個(gè)基本矢量.

2.3矢量作用順序動(dòng)態(tài)安排

通過上述對傳統(tǒng)三電平逆變矢量的順序安排,以及120°坐標(biāo)系的三角形特點(diǎn),提出一種動(dòng)態(tài)化的矢量順序安排,使得該控制策略能推廣到任意多電平逆變的SVPWM逆變控制策略.

在基本選取過程中,定義U1=Uff,U2=Ucc,最后一個(gè)矢量選取為U3(等于Ucf或Ufc).由表1整理的前半段矢量安排可以看出:當(dāng)Vref在正三角形區(qū)域時(shí),矢量動(dòng)作體現(xiàn)順時(shí)針性,結(jié)合120°坐標(biāo)系的三角形特點(diǎn)和3個(gè)基本矢量的定義,矢量動(dòng)作順序?yàn)?-2-3-1所在循環(huán);當(dāng)Vref在倒三角形區(qū)域時(shí),由于矢量動(dòng)作體現(xiàn)逆時(shí)針性,矢量的動(dòng)作順序仍然為1-2-3-1所在循環(huán),如圖5所示.

由圖5可以得到以下結(jié)論:對于落在任意小三角區(qū)域的參考矢量Vref,其基本矢量7段式的前半段矢量動(dòng)作的順序?yàn)?-2-3-1所在循環(huán).

由于多電平空間矢量的模型是由三角形區(qū)域所組成,而新算法正是將整個(gè)空間矢量歸一到一個(gè)小三角形區(qū)域,針對一個(gè)小三角的基本矢量安排即完成了整個(gè)空間矢量的安排,跳過了大小扇區(qū)的判斷,因而能適用于五電平、七電平甚至更高電平數(shù)的控制策略.

3仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證.以三電平NPC逆變?yōu)槔?無扇區(qū)SVPWM逆變仿真系統(tǒng)由120°坐標(biāo)變換、基本矢量選取、矢量作用時(shí)間計(jì)算、首矢量確定、動(dòng)態(tài)矢量安排5個(gè)模塊組成.整個(gè)觸發(fā)信號(hào)仿真系統(tǒng)如圖6所示.

其中,“First vector select”模塊即包含了7段式矢量動(dòng)態(tài)安排的前半段,“Seven array”為整個(gè)7段式的動(dòng)態(tài)化安排.

對于任意的參考矢量,只要確定其落在的三角形區(qū)域,則其對應(yīng)的矢量安排即可確定.以圖4a為例,參考矢量落在(1,1)(2,2)(2,1)所在三角形內(nèi),則U1=(1,1),U2=(2,2),U3=(2,1),動(dòng)態(tài)矢量安排為1-2-3-1;同理,在圖4a中,當(dāng)參考矢量落以U1=(0,1),U2=(1,2),U3=(1,1)為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)時(shí),其動(dòng)態(tài)矢量安排為3-1-2-3.圖7給出了動(dòng)態(tài)矢量順序優(yōu)化的仿真及結(jié)果.

圖7中，從上至下分別為第1個(gè)動(dòng)作矢量、第2個(gè)動(dòng)作矢量、第3個(gè)動(dòng)作矢量.圈出的一組動(dòng)態(tài)矢量為對圖4a動(dòng)態(tài)矢量優(yōu)化的仿真驗(yàn)證.

逆變輸出結(jié)果如圖8所示,從上至下分別是線電壓、A相電壓以及A相電流的波形.負(fù)載為阻感負(fù)載,電阻為1.1 Ω,電感值為0.91 mH,仿真時(shí)間為0.1 s,間隔采樣時(shí)間為1e-5s,調(diào)制波為三相正弦調(diào)制波,載波為三角波,頻率為5 000 Hz.

仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性.同樣,對于更高電平的空間矢量圖,由于三角形的分布特性以及傳統(tǒng)多電平矢量安排的規(guī)律性,該方法也能夠應(yīng)用于更高的多電平逆變中.

4結(jié)語

針對傳統(tǒng)SVPWM逆變控制策略中矢量安排的隱藏規(guī)律,提出了一種基于120°坐標(biāo)系下采用動(dòng)態(tài)矢量優(yōu)化的無扇區(qū)調(diào)制算法,該方法跳過了傳統(tǒng)的大小扇區(qū)判斷,并將整個(gè)矢量運(yùn)算統(tǒng)一到一個(gè)小三角區(qū)域來計(jì)算,通過一個(gè)小三角區(qū)域反應(yīng)整個(gè)算法的規(guī)律性.

對于任意電平的矢量空間狀態(tài)圖,在120°坐標(biāo)系下總是呈現(xiàn)三角形的特性,因此該矢量動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法將算法統(tǒng)一起來,進(jìn)而可以推廣至更高電平的逆變控制策略.

參考文獻(xiàn)：

[1]李永東,肖曦,高躍.大容量多電平變換器:原理控制應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:10.

[2]李永東,高躍.多電平PWM控制技術(shù)發(fā)展[J].變頻器世界,2006，3(6):6-13.

[3]PEROUTKA Z,GLASBERGER T.Comparison of methods for continuous transition of space vector PWM into six-step mode[C].12th Intemational Power Electronics and Morion Control Conference,Portoroz，2006:925-930.

[4]謝東東,范波,趙偉剛.一種化簡三電平SVPWM的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制方法[J].微特電機(jī),2013,41(6):45-49.

[5]方斯琛,李丹,周波,等.新型無扇區(qū)空間矢量脈寬調(diào)制算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008(28):35-40.

[6]蘇杭,陳東華,孫仲兵,等.一種無扇區(qū)判斷SVPWM算法及仿真研究[J].華電技術(shù),2008,30(10):27-30.

(編輯白林雪)

Research of Dynamical Vector Control with No Sector SVPWM of Multi-level InverterWU Chengtian, WANG Luyang, LI Ran, HUANG Siyuan, SUN Hao

(School of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:In view of the disadvantage of traditional multi-level SVPWM algorithm,trigonometric function and judging the external and interior section,120 degree coordinate system without sector judgment SVPWM modulation method is established.Based on the principle of vector’s action in traditional algorithm,the strategy of dynamic vector control is proposed.New optimization method unifies algorithm and can promote the environment of higher multi-level inverter.The model testifies the validity and feasibility of the conclusion under the circumstance of Matlab/Simulink.

Key words:120 degree coordinate system; multi-level; no sector; dynamic vector optimization

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0025-04

通訊作者簡介：吳承天(1990-),男,在讀碩士,江蘇鎮(zhèn)江人.主要研究方向?yàn)楦邏憾嚯娖侥孀兛刂撇呗约八惴?E-mail:1078494540@qq.com.

收稿日期：2015-09-30

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.007