光伏直驅(qū)空調(diào)同步空間矢量調(diào)制算法研究與實(shí)現(xiàn)

林寶偉，楊茂濤，曾文偉，趙志剛，林京

(1.珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計(jì)量中心)，湖南 長(zhǎng)沙410004；3.智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410004)

0 引言

大型中央空調(diào)冷水機(jī)組，特別是永磁同步變頻離心式水冷機(jī)組，其最大功率可達(dá)兆瓦級(jí)，其中的機(jī)載換流器具有電流大，體積小的特點(diǎn)[1-5]。換流器的最高開(kāi)關(guān)頻率因功率器件開(kāi)關(guān)損耗和機(jī)組散熱條件受到限制[6-9]。另一方面，離心機(jī)最高運(yùn)行頻率到450 Hz以上時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率與調(diào)制基波之間的載波比將變得很小，如果繼續(xù)單純采用異步調(diào)制策略進(jìn)行控制，電機(jī)高頻率運(yùn)行(頻率越高，功率也相對(duì)越大)會(huì)造成電機(jī)電流諧波變大，進(jìn)一步影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[10-12]。為了避免異步調(diào)制在低載波比情況下輸出波形的嚴(yán)重不對(duì)稱、電流諧波大等問(wèn)題，通常會(huì)采用同步調(diào)制策略，不僅可以解決輸出波形不對(duì)稱(電流諧波也可以改善)的問(wèn)題，還能降低開(kāi)關(guān)頻率，提高機(jī)組效率[13-14]。

同步調(diào)制算法主要有三類:①中間60°同步調(diào)制，其特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，但該方法存在輸出電壓低次諧波高、諧波性能差、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等缺點(diǎn)；②特定諧波消除脈寬調(diào)制(SHEPWM)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基波電壓的準(zhǔn)確控制，提高直流母線電壓利用率，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定次諧波的消除，減小諧波電流對(duì)電機(jī)的影響，但實(shí)現(xiàn)比較困難；③同步空間矢量調(diào)制(SVPWM)，空間矢量調(diào)制的同步調(diào)制版本，繼承了空間矢量調(diào)制算法的電壓利用率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓的基波幅值與電壓指令存在偏差[15-17]。

本文研究基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理)空間矢量調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證同步調(diào)制永磁同步電機(jī)矢量控制中的有效性。

1 SVPWM調(diào)制原理

對(duì)于兩電平三相逆變器，如圖1所示，根據(jù)三相橋臂不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，可以得到8種電壓空間矢量，包括6個(gè)有效電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量，其在復(fù)平面的分布如圖2所示。

SVPWM是以伏秒平衡原則保證每個(gè)采樣周期內(nèi)，通過(guò)電壓矢量所在扇區(qū)的3個(gè)有效電壓矢量和零電壓矢量的線性組合生成所需的參考電壓矢量。因此通過(guò)參考矢量就可以計(jì)算、獲取各相脈沖在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比。

圖1 電壓型三相逆變器

圖2 空間矢量分布圖

SVPWM是建立在SVPWM占空比計(jì)算之上，相比異步調(diào)制(異步調(diào)制只與載波相關(guān)，但載波與電壓矢量角度沒(méi)有相關(guān)性)，同步調(diào)制的脈沖作用與電壓矢量角度嚴(yán)格相關(guān)。另外同步SVPWM是通過(guò)確定每個(gè)扇區(qū)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)電流周期固定輸出的脈沖個(gè)數(shù)?；趥鹘y(tǒng)空間矢量策略(CSVS)的SVPWM切換方式，見(jiàn)表1。

表1 SVPWM的傳統(tǒng)空間策略(第Ⅰ扇區(qū))(CSVS)

假設(shè)在扇區(qū)I的采樣點(diǎn)數(shù)為3，由SVPWM計(jì)算的30°時(shí)的A相占空比為0.7。那么在30°和50°區(qū)間中，A要輸出一個(gè)0.7占空比的波形，這個(gè)波形的周期就是電機(jī)從30°運(yùn)行到50°的時(shí)期。因此輸出脈沖的頻率與電機(jī)的運(yùn)行頻率彼此相關(guān)，且相位關(guān)系也是固定的。

通過(guò)傳統(tǒng)的空間矢量策略實(shí)現(xiàn)的SVPWM，其脈沖數(shù)P=3N，N為每個(gè)扇區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)量。通過(guò)其他切換策略，能夠?qū)崿F(xiàn)采樣點(diǎn)不變的情況下減小脈沖數(shù)量，實(shí)現(xiàn)P=2N+1，如表2所示的基本母線鉗位策略(BBCS)。

在同樣的采樣點(diǎn)情況下，由于矢量組合方式的不同，BBCS每周期的輸出脈沖比CSVS要少一些。要實(shí)現(xiàn)BBCS策略，就要在程序中實(shí)現(xiàn)各種矢量的組合。對(duì)于任意兩個(gè)基本矢量和零矢量的組合，按矢量開(kāi)始極性和零矢量分布系數(shù)，一共有6種表達(dá)。所以要實(shí)現(xiàn)基本母線電壓鉗位的同步調(diào)制策略，就需要靈活合成表3的矢量，并組合起來(lái)。

表2 SVPWM基本母線鉗位策略(第Ⅰ+Ⅱ扇區(qū))(BBCS)

表3 扇區(qū)Ⅰ矢量組合方式

在SVPWM模塊獲取到輸入電壓矢量后，要根據(jù)所需的矢量組合設(shè)置零矢量分布系數(shù)，計(jì)算作用占空比，然后在生成同步調(diào)制切換角的時(shí)候考慮矢量組合的極性。結(jié)合同步調(diào)制，給出永磁同步電機(jī)矢量控制框圖，如圖3所示。

圖3 基于異步+同步調(diào)制的永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

SVPWM與傳統(tǒng)的異步調(diào)制的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)唯一不同的是脈沖生成處理的不同。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)全速范圍穩(wěn)定的矢量控制系統(tǒng)，電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候要采用異步調(diào)制，運(yùn)行到一定頻率后切入高分頻的同步調(diào)制，然后隨著運(yùn)行頻率的提高，降低分頻數(shù)以減小開(kāi)關(guān)頻率。因此其他脈沖調(diào)制模塊是融合異步調(diào)制和同步調(diào)制的混合調(diào)制模塊。

采用固定載波(10 kHz鋸齒波)的方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)角度的開(kāi)關(guān)切換，如圖4所示。

圖4 同步調(diào)制開(kāi)關(guān)角切換原理圖

對(duì)于EPWM模塊，采用兩個(gè)比較器CMPA和CMPB，每個(gè)載波周期可進(jìn)行兩次開(kāi)關(guān)切換。在每個(gè)EPWM的周期中斷通過(guò)角度計(jì)算模塊得到的當(dāng)前角度為θ，后續(xù)的角度為θ1和θ2(實(shí)際上是令角度延遲2個(gè)載波周期)；根據(jù)當(dāng)前的開(kāi)關(guān)角序列，檢查在θ1和θ2中是否存在開(kāi)關(guān)角，若存在開(kāi)關(guān)角(最多兩個(gè))，則通過(guò)開(kāi)關(guān)角計(jì)算CMPA或CAMB的比較器值實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換。此方法的特點(diǎn)是異步切換同步方便，采樣頻率與角度計(jì)算統(tǒng)一。

2 仿真分析

采用MATLAB/Simulink仿真模型驗(yàn)證同步調(diào)制脈沖輸出，如圖5所示。

其中不對(duì)稱半橋的直流電壓源輸入為600 V，在PWM脈沖生成模塊生成PWM的觸發(fā)下，逆變出電壓作用在一個(gè)三相星形接法的阻感負(fù)載，可通過(guò)觀察負(fù)載上的電壓和電流波形以驗(yàn)證輸出脈沖是否正確。右下角的脈沖生成模塊即模擬程序中EPWM的配置，既可支持異步調(diào)制，又可實(shí)現(xiàn)同步調(diào)制的脈沖生成模塊，而且還會(huì)為占空比計(jì)算模塊提供一個(gè)采樣時(shí)鐘。

以N=3的CSVS和BBCS舉例，驗(yàn)證其輸出脈沖的矢量組合是否符合表4。

圖5 同步調(diào)制開(kāi)環(huán)脈沖驗(yàn)證仿真模型

表4 N=3 CSVS和BBCS采樣和矢量組合策略

按照上述矢量組合策略生成的CSVS和BBCS的脈沖波形如圖6所示。

圖6 N=3 CSVS和BBCS策略的三相 輸出脈沖波形

從A、B、C三相的PWM脈沖可以看出，輸出脈沖的矢量組合方式與設(shè)計(jì)的是相符合的。

通過(guò)仿真模型，驗(yàn)證從7分頻(3個(gè)采樣點(diǎn))到11分頻(5個(gè)采樣點(diǎn))切換過(guò)程和三相電流波形響應(yīng)(運(yùn)行頻率50 Hz)，如圖7所示。

仿真結(jié)果表明同步調(diào)制脈沖輸出正常，二期分頻切換時(shí)無(wú)電流沖擊。

圖7 N3P7切換到N5P11的三相脈沖和電流波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所選擇的永磁同步電機(jī)為多聯(lián)機(jī)壓縮機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 實(shí)驗(yàn)永磁同步電機(jī)參數(shù)

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性，所設(shè)計(jì)的調(diào)制切換策略如圖8所示。

電機(jī)由異步調(diào)制啟動(dòng)，運(yùn)行至55 Hz時(shí)，切換到同步33分頻，之后經(jīng)過(guò)一系列同步分頻切換，最終以同步5分頻的方式運(yùn)行至壓縮機(jī)的最高頻率180 Hz。降頻的時(shí)候，切換點(diǎn)要小5 Hz，以避免在切換點(diǎn)附近反復(fù)出現(xiàn)分頻切換。

圖8 SVPWM在壓縮機(jī)中的調(diào)制切換策略

根據(jù)切換策略，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案是讓機(jī)組從開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，然后一直運(yùn)行到180 Hz，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，再降頻運(yùn)行到45 Hz關(guān)機(jī)。在此過(guò)程中壓縮機(jī)依次經(jīng)歷定位、電流閉環(huán)運(yùn)行、切入轉(zhuǎn)速閉環(huán)、異步切入同步、升頻的同步分頻切換、180 Hz運(yùn)行、降頻的同步分頻切換、同步切入異步環(huán)節(jié)。其運(yùn)行波形如圖9—11所示。

圖9 同步調(diào)制啟動(dòng)升頻到降頻關(guān)機(jī)的波形

圖10 7分頻切換到5分頻的實(shí)驗(yàn)波形

圖11 5分頻180 Hz運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形

從圖9、10可以看出，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，異步和同步調(diào)制的切換和同步分頻間的切換都未出現(xiàn)沖擊電流；7分頻到5分頻切換后電流有些波動(dòng)，但隨著運(yùn)行頻率的增加而略微穩(wěn)定。從圖11所示的5分頻180 Hz的運(yùn)行波形可以看出，每個(gè)周期的電流波形基本一致，每個(gè)周期都是5個(gè)脈沖輸出，符合5分頻的設(shè)計(jì)要求；當(dāng)運(yùn)行頻率到180 Hz時(shí)，其等效開(kāi)關(guān)頻率只有900 Hz。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明同步SVPWM調(diào)制的閉環(huán)控制性能是滿足永磁同步電機(jī)矢量控制要求的，而且可在較低的開(kāi)關(guān)頻率穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏直驅(qū)空調(diào)同步空間矢量調(diào)制(SVPWM)方法進(jìn)行了研究，分析給出同步調(diào)制的矢量組合方式和實(shí)現(xiàn)方案。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同步調(diào)制實(shí)現(xiàn)及其切換的有效性，該方法成功地應(yīng)用在多聯(lián)機(jī)壓縮機(jī)的變頻控制中，使其在最高180 Hz運(yùn)行頻率(等效開(kāi)關(guān)頻率900 Hz)穩(wěn)定運(yùn)行，為驗(yàn)證后續(xù)更大功率機(jī)組的有效性提供了基礎(chǔ)。