三相PWM整流器最少空間矢量脈寬調(diào)制策略

屈莉莉，李湘峰

（佛山科學技術(shù)學院 自動化系，廣東 佛山 528000）

三相PWM整流器最少空間矢量脈寬調(diào)制策略

屈莉莉，李湘峰

（佛山科學技術(shù)學院 自動化系，廣東 佛山 528000）

傳統(tǒng)三相PWM整流器空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）策略需要對6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量進行調(diào)制，開關(guān)切換序列較復雜，且開關(guān)損耗較大。在對三相PWM整流器的切換線性系統(tǒng)模型及其能控性研究的基礎(chǔ)上，指出只需3個非零電壓矢量和零電壓矢量參與調(diào)制便可使得整流器系統(tǒng)狀態(tài)完全可控。在此基礎(chǔ)上，提出了一種三相PWM整流器的最少空間矢量脈寬調(diào)制策略（MSVPWM)，實現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。與傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制策略相比，在載波頻率和輸出電壓相同的情況下，利用所提出的最少空間矢量脈寬調(diào)制策略，可使整流器功率管的開關(guān)次數(shù)減少2/3，從而簡化了控制系統(tǒng)設計，有效降低了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)效率。仿真實驗驗證了所提出調(diào)制策略的正確性與可行性。

最少空間矢量脈寬調(diào)制；三相PWM整流器；開關(guān)切換序列

空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）策略［1-6］相比正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，具有輸出電流波形的諧波分量小，控制簡單，更易于數(shù)字化控制等優(yōu)點。但傳統(tǒng)SVPWM控制技術(shù)中開關(guān)切換序列復雜，且要求功率開關(guān)管具有較高的開關(guān)頻率。

在前期對三相PWM整流器開關(guān)拓撲及拓撲動態(tài)變化過程中切換系統(tǒng)模型和能控性研究的基礎(chǔ)上，本文確定了三相PWM整流器開關(guān)的最少工作模態(tài)及其切換控制序列，提出了一種三相PWM整流器的最少空間矢量脈寬調(diào)制策略（MSVPWM），實現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。?

1 三相PWM整流器及其SVPWM控制策略的開關(guān)模態(tài)切換分析

圖1所示為三相電壓型PWM整流器的主電路。

圖1 三相電壓型PWM整流器主電路

在圖1所示電路中，若用1表示某相上橋臂導通、下橋臂關(guān)斷，用0表示某相下橋臂導通、上橋臂關(guān)斷，則三相電壓型PWM整流器有8種有效的開關(guān)模態(tài)000～111，各開關(guān)模態(tài)中開關(guān)器件的通斷情況如表1所示。

表1 三相PWM整流器的8個開關(guān)模態(tài)

對于三相PWM整流器，傳統(tǒng)的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）策略使用圖2所示8個空間矢量進行調(diào)制。其中U1-U6表示6個非零矢量，分別與開關(guān)模態(tài)100，110，010，011，001，110對應；U0、U7表示兩個零矢量，分別與000和111開關(guān)模態(tài)對應。

傳統(tǒng)的SVPWM一般利用圖2中8個空間矢量進行調(diào)制，6個扇區(qū)開關(guān)模態(tài)切換序列和切換次數(shù)如表2所示。

圖2 SVPWM空間矢量及扇區(qū)劃分

表2 SVPWM開關(guān)模態(tài)切換序列表

2 三相PWM整流器最少空間矢量脈寬調(diào)制策略

基于三相PWM整流器的切換線性系統(tǒng)模型及其能控性研究結(jié)果表明，只要表1中3個開關(guān)模態(tài)100、010、001或者110、011、110參與三相PWM整流器的工作過程，即可控制三相PWM整流器實現(xiàn)狀態(tài)可控。顯然，這意味著與開關(guān)模態(tài)1、3、5對應的空間矢量100、010、001和零電壓矢量參與調(diào)制便可使得整流器系統(tǒng)狀態(tài)完全可控。

同理，與開關(guān)模態(tài)2、4、6對應的空間矢量110、011、101和零電壓矢量參與調(diào)制也能得到相同的效果，其工作過程相同。

因此，可據(jù)此設計三相PWM整流器的最少空間矢量脈寬調(diào)制策略以簡化控制系統(tǒng)。

圖3所示為與3個開關(guān)模態(tài)100、010、001和模態(tài)000相應的MSVPWM非零空間矢量和零矢量及扇區(qū)劃分圖，其開關(guān)模態(tài)切換序列如表3和圖4所示。

圖3 一種MSVPWM空間矢量及扇區(qū)劃分

表3 MSVPWM開關(guān)模態(tài)切換序列表

圖4 MSVPWM開關(guān)切換序列

在靜止坐標α-β兩相坐標軸上，輸出電壓矢量Uref在其上的分量可以用Uα與Uβ表示，則圖3中參考電壓矢量所屬扇區(qū)由式

共同確定。

這樣，容易得到各開關(guān)模態(tài)作用時間分別為

由圖4和表3可知，三相PWM整流器的MSVPWM策略中，一個開關(guān)周期同一相上下橋臂的2個功率管各開關(guān)1次，而SVPWM控制時，一個開關(guān)周期上下橋臂6個功率管各開關(guān)1次，因此在載波頻率以及電壓輸出相同的情況下，MSVPWM比SVPWM開關(guān)頻率減少了2/3。

3 仿真驗證

為檢驗前述理論分析的正確性，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型來檢驗三相PWM整流器的MSVPWM調(diào)制策略的正確性與可行性。

主電路參數(shù)：交流側(cè)相電壓80V，電感8mH，電容2 200μ F，負載電阻120Ω，輸出電壓400V，載波頻率10kHz。三相PWM整流器MSVPWM和SVPWM仿真實驗結(jié)果分別如圖5和6所示。三相PWM整流器兩種調(diào)制策略均實現(xiàn)了三相PWM整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，三相電流均為正弦波。在載波頻率和輸出電壓相同的情況下，所提出的MSVPWM策略與SVPWM策略相比，5、7、11、13次諧波含量略有增加，系統(tǒng)輸入側(cè)線電流總諧波畸變率THD為3.14％。不過整流器功率管的開關(guān)次數(shù)減少2/3，系統(tǒng)效率提高約7％。

圖5 三相PWM整流器MSVPWM仿真結(jié)果

圖6 三相PWM整流器SVPWM仿真結(jié)果

4 小結(jié)

本文提出并設計了一種適用于三相PWM整流器的最少空間矢量脈寬調(diào)制策略。仿真結(jié)果表明，與SVPWM調(diào)制策略相比，所提出MSVPWM調(diào)制策略抑制了PWM整流器的4個開關(guān)模態(tài)，所使用的電路模態(tài)數(shù)減少一半，切換序列得到極大簡化，從而更易于數(shù)字實現(xiàn)。所提出的分析方法亦可推廣應用至其他電力電子變換器調(diào)制策略設計中，以提升控制系統(tǒng)性能，減少開關(guān)次數(shù)，提高系統(tǒng)效率。

［1］VANDER BROECKHW,SKUDELNYH,STANKE G V.Analysis and realization of a pulse width modulator based on voltage space vectors［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,1988,24（1）:142-150.

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【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

Minimum space vector pulse width modulation strategy for three-phase PWM rectifier

QU Li-li,LI Xiang-feng
（Department of Automotive Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

The traditional space vector pulse width modulation(SVPWM)strategyfor three-phase PWM rectifier requires the 6non-zero voltage vectors and 2 zero voltage vector.Therefore its switch sequence is more complex, with bigger switching loss.Based on analysis of the switch linear system model of three-phase PWM rectifier and its controllability,a new kind of minimum space vector pulse width modulation strategy(MSVPWM)for three-phase PWM rectifier is put forward to realize the system function.The proposed MSVPWM strategy only needs to modulate 3non-zero space vectors and 1zero space vector.Under the same carrier frequency and the output voltage,the switch times of power tubes in MSVPWM strategy is reduced by 2/3compared with the traditional SVPWM strategy.Hence,the control system of three-phase PWM rectifier is simplified,while switching loss is effectively reduced and the system efficiency is improved.Simulation results demonstrate the validity and feasibility of the proposed modulation strategy.

minimum space vector pulse width modulation;three-phase PWM rectifier;switching sequence

TM461

A

1008-0171（2016）06-0001-05

2016-09-01

國家自然科學基金資助項目（51277030）；廣東省自然科學基金資助項目（2016A030310241）；廣東省高等學校高層次人才資助項目（2050205-194）

屈莉莉（1968-），女，湖北老河口人，佛山科學技術(shù)學院教授。