電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)算法與仿真研究

何 笠，蔣超利，高 嵬，孫 軍

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電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)算法與仿真研究

何 笠，蔣超利，高 嵬，孫 軍

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

本文對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的基本原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究，分析了電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的調(diào)制波。并利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK搭建SVPWM的仿真模型，對(duì)所搭建的模型做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，提出了一種新的改進(jìn)算法，最后與經(jīng)典SVPWM仿真模塊進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了改進(jìn)的可行性與有效性，為實(shí)際SVPWM變流器的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

SVPWM 脈寬調(diào)制 MATLAB 改進(jìn)算法

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和功率半導(dǎo)體開關(guān)器件性能的提高，電力電子裝置在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。作為電力電子裝置的一項(xiàng)核心技術(shù)，PWM調(diào)制技術(shù)因其具有輸入電流正弦、功率因數(shù)高且諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用與研究。傳統(tǒng)SPWM調(diào)制技術(shù)比較適合于模擬電路實(shí)現(xiàn)，不適應(yīng)于現(xiàn)代電力電子技術(shù)數(shù)字化趨勢(shì)的發(fā)展。與傳統(tǒng)SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)相比，SVPWM不僅具有更低的高次諧波含量，而且利于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注的重點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)的基本原理

1.1 空間電壓矢量

電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組可以定義一個(gè)三相平面靜止坐標(biāo)系，即三相靜止ABC坐標(biāo)系。

ABC在空間上靜止不動(dòng)，他們之間的相位差是120。，三相電壓U()、U()、U()分別加在ABC上，方向和軸線方向一致，大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。假設(shè)U為相電壓的幅值，為電源頻率，則

1.2 開關(guān)狀態(tài)

圖1 三相PWM逆變器

三相逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，用、、表示三相逆變器的上下橋臂的開關(guān)，當(dāng)、、為1時(shí)，表示相應(yīng)橋臂的上橋臂導(dǎo)通，當(dāng)、、、、為0時(shí)，表示相應(yīng)的相應(yīng)橋臂的下橋臂導(dǎo)通。整個(gè)電路有23=8種開關(guān)狀態(tài)，即：100、110、010、011、001、101、111、000。其中前六個(gè)工作狀態(tài)時(shí)有效的，稱為非零矢量，后兩個(gè)工作狀態(tài)稱為零矢量。

采用clark變換，可以將三相靜止A-B-C坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成兩相靜止坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

表1、與開關(guān)函數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 SVPWM仿真模型的搭建

通常情況下，SVPWM的調(diào)制方案分為三個(gè)步驟：

2) 判斷相鄰電壓矢量開關(guān)所作用的時(shí)間；

3) 根據(jù)開關(guān)所作用的時(shí)間合成三相PWM信號(hào)；

2.1 判斷合成矢量所在的扇區(qū)

由伏秒平衡原理，可得在任意扇區(qū)的滿足式：

零矢量不產(chǎn)生輸出電壓，但可以填補(bǔ)有效矢量作用時(shí)間部分的不足。計(jì)算各個(gè)矢量的作用時(shí)間為：

2.2 計(jì)算A、B、C三相開關(guān)的作用時(shí)間

由前面的推導(dǎo)計(jì)算出相應(yīng)扇區(qū)中相鄰兩個(gè)矢量的作用時(shí)間和1，再根據(jù)上面的矢量作用方式計(jì)算出各橋臂的開啟時(shí)間、、。

3 仿真分析

系統(tǒng)的主電路如下圖2所示：主電路圖是由6個(gè)IGBT反并聯(lián)二極管組成的橋式電路，負(fù)載端先通過一個(gè)LC濾波器然后接三相負(fù)載，通過觀察濾波前后三相負(fù)載BC兩端的線電壓和相電壓的波形來檢驗(yàn)SVPWM調(diào)制的作用效果，其中濾波器中的電感參數(shù)設(shè)置為2 mH，濾波電容的參數(shù)為30 kVar，所用matlab為matlab2015b版本，仿真算法采用ode23t(mod. Stiff/Trapezoidal)，相對(duì)誤差為1e-3，仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，仿真波形如圖3所示。

對(duì)濾波前后BC間的線電壓和B相的相電壓進(jìn)行傅里葉分析，觀察總諧波系數(shù)THD的大小，并以THD的大小來反應(yīng)波形的質(zhì)量，THD越小，則波形的質(zhì)量越高。所得到的FFT分析如下圖e和圖f所示，由圖e和圖f可以看出，采用SVPWM調(diào)制后，濾波后得到的波形基波頻率為50 Hz，THD的值均為0.48%，THD的值很小，說明濾波后得到的波形諧波含量比較低，所得到波形的質(zhì)量很高，也體現(xiàn)了SVPWM的特性。

圖2 仿真系統(tǒng)主電路

4 改進(jìn)SVPWM算法

圖3 經(jīng)典SVPWM仿真波形圖

通過上面的分析可得，以上在某扇區(qū)的合成方法是利用相鄰兩電壓和零矢量按照伏秒平衡原理來合成的，其中零矢量可以是SV0和SV7的組合，也可以單獨(dú)選用SV0或SV7；零矢量的作用時(shí)刻也可以選擇。上述所述的矢量合成式SVPWM 的控制策略在每個(gè)采樣周期內(nèi)是平均分配零矢量的，它屬于連續(xù)脈寬調(diào)制方式。與常規(guī)SPWM調(diào)制方式相比，這種調(diào)制方式除了直流側(cè)電壓利用率得到顯著提高外，它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)槊看坞妷菏噶康淖兓挥幸粋€(gè)功率器件動(dòng)作，因此在每個(gè)電壓周期內(nèi)逆變器的總開關(guān)次數(shù)得到顯著減少，開關(guān)損耗和電流諧波含量顯著減少。

通過合成矢量順序的不同，特別是零矢量作用時(shí)間的不同分配，即可改變其相電壓的調(diào)制函數(shù)，從而得到以降低開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗為顯著特點(diǎn)的各種優(yōu)化策略。觀察圖11中的電壓空間矢量可以發(fā)現(xiàn)，任意相鄰三個(gè)矢量狀態(tài)都有且僅有一位相同(為1或-1 )。因此，如果在三個(gè)相鄰矢量所夾扇區(qū)內(nèi)固定選用一個(gè)適當(dāng)?shù)牧闶噶?，可使每一相在一個(gè)周期內(nèi)有連續(xù)的扇區(qū)開關(guān)不需要開通和關(guān)斷；同時(shí)，任意兩個(gè)相鄰矢量和一個(gè)選定的零矢量（SV0或SV7）三者有且僅有一位相同。這就說在任何一個(gè)扇區(qū)內(nèi)無論零矢量如何分配，最多只能保證一相橋臂不開通關(guān)斷，或者說任何一個(gè)扇區(qū)內(nèi)不可能有兩個(gè)橋臂同時(shí)處于不開通或關(guān)斷狀態(tài)，即在三相開關(guān)狀態(tài)對(duì)稱的條件下，每相橋臂在一個(gè)周期內(nèi)最多可有兩個(gè)不開關(guān)扇區(qū)?？傊?，在SVPWM控制方式中，適當(dāng)?shù)胤峙淞闶噶?，在采樣周期不變的前提下，每相每周期最多可有兩個(gè)扇區(qū)不開關(guān)，從而最多可將開關(guān)總次數(shù)減少三分之一。

本文將采用僅用零矢量SV0的方法對(duì)經(jīng)典SVPWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，由分析可知，在扇區(qū)1、2中，c相保持不變，上斷下通；在扇區(qū)3、4中，a相保持不變，上斷下通；在扇區(qū)5、6中，b相保持不變，上斷下通。

改進(jìn)后的整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示，運(yùn)行改進(jìn)后的模型，得到仿真波形如圖5所示。

由上圖可知，改進(jìn)后的BC的線電壓和B相的相電壓的諧波含量THD分別是0.39%和0.40%，與改進(jìn)前相比，諧波含量分別減少了0.09%和0.08%，證實(shí)了改進(jìn)方法的正確性與有效性。

圖4 改進(jìn)后系統(tǒng)的完整仿真圖

圖5 改進(jìn)SVPWM仿真波形圖

5 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了SVPWM調(diào)制技術(shù)的基本原理和仿真模型的搭建過程，通過matlab的仿真，驗(yàn)證了所搭建SVPWM調(diào)制模塊的正確性，同時(shí)提出了一種單一零矢量的改進(jìn)方式，與經(jīng)典SVPWM調(diào)制方式相比，所得的線電壓和相電壓的總諧波含量分別下降了0.09%和0.08%。驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性與有效性。

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The Improved Algorithm and Simulation Research of SVPWM Technology

He Li, Jiang Chaoli, Gao Wei, Sun Jun

（Naval University of Engineering College of Electrical Engineering, Wuhan 430033, China）

TN787

A

1003-4862（2018）08-0051-05

2018-04-28

何笠（1991-）男，講師，研究方向：電力電子技術(shù)和無線電能傳輸技術(shù)。E-mail: 502075389@qq.com