最優(yōu)空間矢量脈寬調(diào)制算法的研究

最優(yōu)空間矢量脈寬調(diào)制算法的研究

0變流裝置優(yōu)化配置隨著功率半開關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，頻率、逆變電源、高頻開關(guān)和各種特殊變流器的應(yīng)用，將大量噪音和功率注入電網(wǎng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)污染。治理這種公共電網(wǎng)功率因數(shù)低和諧波危害的根本措施是要求變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化,并且運(yùn)行于單位功率因數(shù)。三電平PWM整流器通過對(duì)開關(guān)器件VT1j~VT4j(j=a、b、c)優(yōu)化,使交流側(cè)線電流正弦化,功率因數(shù)接近于1,同時(shí)使直流側(cè)輸出電壓Udc保持平衡,系統(tǒng)工作在再生狀態(tài),將能量從直流側(cè)反饋到電網(wǎng)中去。相對(duì)于二電平整流器,三電平整流器的每個(gè)功率開關(guān)器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的一半,且交流側(cè)的電流和電壓諧波大為減少,因此在高電壓、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。1合成電壓空間轉(zhuǎn)換三電平NPC(Neutral-Point-Clamped)整流器主電路如圖1所示。在理想情況下,Udc1=Udc2=Udc/2。根據(jù)主電路結(jié)構(gòu),交流側(cè)A相橋臂上輸出電壓有3種狀態(tài):輸出電壓UAn=Udc/2(VT1a、VT2a導(dǎo)通),定義為1狀態(tài);輸出電壓UAn=0(VT2a、VT3a導(dǎo)通),定義為0狀態(tài);輸出電壓UAn=-Udc/2(VT3a、VT4a導(dǎo)通),定義為-1狀態(tài)。在功率守恒條件下,定義橋臂終端合成電壓空間矢量為由于三電平整流器開關(guān)器件的狀態(tài)(SaSbSc)共有27種,則共有27個(gè)空間電壓矢量,如圖2所示。假設(shè)中點(diǎn)電位平衡,根據(jù)開關(guān)矢量幅值大小,27個(gè)空間電壓矢量可以分為4類。第1類內(nèi)正六邊形的頂點(diǎn)為小開關(guān)矢量,幅值為Udc,共12個(gè),進(jìn)一步劃分為2類:U1p~U6p為正開關(guān)矢量;U1n~U6n為負(fù)開關(guān)矢量。第2類外六邊形的每邊中點(diǎn)為中開關(guān)矢量,幅值為Udc,共6個(gè),分別為:U7、U8、U9、U10、U11、U12;第3類外六邊形的頂點(diǎn)為大開關(guān)矢量,幅值為Udc,共6個(gè),分別為:U13、U14、U15、U16、U17、U18;第4類零開關(guān)矢量U0,幅值為0,分別為:U0p、U0n和U0O。SVPWM調(diào)制的首要任務(wù)是判斷參考電壓矢量位于某個(gè)扇區(qū)及該扇區(qū)中的某個(gè)小三角形,其次是確定空間電壓矢量作用順序以及計(jì)算對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間,最后輸出脈沖。1.1參考電壓矢量處于熱沖突區(qū)的重新定義根據(jù)空間矢量分布規(guī)律,利用參考電壓矢量在α-β坐標(biāo)上的分量Uα和Uβ,設(shè)定相應(yīng)的規(guī)則,進(jìn)行判斷。定義3個(gè)參考變量Uref1、Uref2、Uref3分別為定義函數(shù):定義N為扇區(qū)號(hào)(Ⅰ-Ⅵ),根據(jù)式N=sign(Uref1)+2sign(Uref2)+4sign(Uref3)計(jì)算得到N,N與UR*所屬扇區(qū)的關(guān)系如表1所示。同理,根據(jù)空間矢量分布規(guī)律,重新定義參考變量和設(shè)定規(guī)則,可以判斷出參考電壓矢量處于扇區(qū)中的某個(gè)小三角形。當(dāng)參考電壓矢量處于其他扇區(qū)時(shí),以此類推。1.2svpwm方法分領(lǐng)域時(shí)域內(nèi)矢量的選取減少開關(guān)損耗算法的基本原則是每次開關(guān)狀態(tài)的變化,只引起某相電壓的變化,并且只有2個(gè)互補(bǔ)開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生變化,從而使得電壓變化更加平滑。無論是在扇區(qū)內(nèi)部還是扇區(qū)之間,開關(guān)狀態(tài)的每一次變化,都只有橋臂互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的2個(gè)開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)發(fā)生了變化,從而減少開關(guān)損耗并降低了開關(guān)頻率。由于采用4段式的SVPWM方法輸出的電壓諧波含量較高,在每個(gè)PWM周期內(nèi)采用7段式對(duì)稱PWM脈沖信號(hào)來控制三電平整流器工作,同時(shí)為了保證不同區(qū)域的矢量在相互轉(zhuǎn)換過程中矢量變化較小,選取起始矢量為6個(gè)負(fù)小矢量。其中,t0、t1、t2分別為任何一個(gè)區(qū)域中的第1個(gè)、第2個(gè)和第3個(gè)開關(guān)矢量作用時(shí)間。以第Ⅰ扇區(qū)為例,空間電壓矢量作用順序如表2所示。通過分析,第Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ扇區(qū)的電壓矢量作用順序相似,第Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ扇區(qū)的電壓矢量作用順序也相似。1.3u3000空間矢量的簡(jiǎn)化計(jì)算在確定出開關(guān)矢量及其開關(guān)順序后,還需計(jì)算每個(gè)開關(guān)矢量相應(yīng)的作用時(shí)間。常規(guī)開關(guān)矢量作用時(shí)間的計(jì)算方法含有大量的三角函數(shù),實(shí)現(xiàn)時(shí)需要預(yù)先計(jì)算時(shí)間,并存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù),計(jì)算較復(fù)雜。若采用參考電壓矢量的Uα和Uβ分量進(jìn)行α-β坐標(biāo)計(jì)算,可以簡(jiǎn)化計(jì)算。假設(shè)參考電壓矢量UR*處于扇區(qū)D1中時(shí),根據(jù)最近三矢量NTV(NearestTriangleVector)原則,則有其中,t1、t2、t0為矢量U1、U2、U0相應(yīng)的作用時(shí)間,TS為空間矢量調(diào)制周期。將U1、U2、U0在α-β坐標(biāo)系中的表達(dá)式代入式(2),可得:則對(duì)于第Ⅰ扇區(qū)的其他小三角形,可以按照以上過程求出矢量作用時(shí)間,同理,根據(jù)電壓矢量作用順序表,計(jì)算其他5個(gè)扇區(qū)各三角形頂點(diǎn)矢量作用時(shí)間。1.4金屬電池快速切換脈沖輸出的步驟是:首先根據(jù)電壓矢量作用順序表,計(jì)算出不同扇區(qū)切換時(shí)間tcmx(x=1、2、3),然后根據(jù)一定頻率和幅值的三角波與由空間矢量切換時(shí)間tcmx形成的階梯波相比較,得到開關(guān)狀態(tài),分配脈沖給三電平整流器。扇區(qū)切換時(shí)間的計(jì)算,主要是根據(jù)空間矢量作用順序和各個(gè)矢量作用時(shí)間確定。為了方便計(jì)算,假定ta、tb、tc分別為與三角波比較的時(shí)間值,則在ta、tb、tc的基礎(chǔ)上,確定tcm1、tcm2、tcm3。由于三角載波是單極性載波,與三角載波比較生成的PWM脈沖波形只有正電平和零電平,而實(shí)際產(chǎn)生的PWM脈沖波形應(yīng)該是+1、0與0、-1的2種組合,因此必須按照各扇區(qū)脈沖的實(shí)際情況對(duì)上述的PWM脈沖波形進(jìn)行+1或-1校正。2種滯環(huán)比較的中點(diǎn)電位平衡控制策略三電平整流器在運(yùn)行中必須保證中點(diǎn)電位的平衡,否則會(huì)出現(xiàn)偶次諧波,部分開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力將會(huì)增大,不利于整流器的安全運(yùn)行[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。在三電平整流器的空間矢量中,零矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)無中點(diǎn)電流流過;大矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)使三相輸入和正負(fù)母線相連,與中點(diǎn)沒有連接,所以不影響中點(diǎn)電流;中矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài),其中點(diǎn)總是與某相電流相聯(lián)系,且電流總是從交流輸入流入中點(diǎn),所以對(duì)中點(diǎn)電流的影響是不可控的,其影響取決于該相的導(dǎo)通時(shí)間和負(fù)載功率因數(shù)。12個(gè)小矢量按其值的正負(fù)可分為:正小矢量和負(fù)小矢量。和[0-1-1]是U1的一組小矢量。正小矢量U1p作用時(shí),等效電路如圖3(a)所示,電容C1充電,C2放電,使得Udc1電壓上升,Udc2電壓下降;負(fù)小矢量U1n作用時(shí),等效電路如圖3(b)所示,電容C2充電,C1放電,使得Udc2電壓上升,Udc1電壓下降。雖然正負(fù)小矢量形成的橋臂線電壓一樣,但是兩者對(duì)中點(diǎn)電位的作用效果是相反的,經(jīng)過一段時(shí)間的積累,中點(diǎn)電位差ΔU變化更加明顯。通過以上分析得出如下結(jié)論:正小矢量作用時(shí),ΔU=Udc1-Udc2>0,中點(diǎn)電位Un降低;負(fù)小矢量作用時(shí),ΔU=Udc1-Udc2<0,中點(diǎn)電位Un升高。中點(diǎn)電位的不平衡,歸根結(jié)底是由于流入或流出中點(diǎn)的電流存在,使得直流側(cè)2個(gè)電容一個(gè)放電,一個(gè)充電,導(dǎo)致中點(diǎn)電位發(fā)生偏移。中點(diǎn)電流對(duì)中點(diǎn)電位的影響,不僅取決于中點(diǎn)電流的大小,還取決于實(shí)際的三相輸出電流的方向。將電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響,用流入中點(diǎn)和流出中點(diǎn)的電流形式表示,定義相電流方向以交流流出方向?yàn)檎?流入為負(fù),如表3所示。這里提出一種基于控制因子ρ的滯環(huán)比較的中點(diǎn)電位平衡控制策略,其基本原理是:在保證小矢量作用總時(shí)間不變的前提下,根據(jù)檢測(cè)到的中點(diǎn)電位差和直流側(cè)中點(diǎn)電流方向,動(dòng)態(tài)調(diào)整正負(fù)小矢量作用時(shí)間,控制中點(diǎn)電位的不平衡?？刂埔蜃应训囊?guī)律根據(jù)中點(diǎn)電位差和中點(diǎn)電流的方向確定,如表4所示。以第Ⅰ扇區(qū)的第1區(qū)域D1的左下小三角形為例,優(yōu)化后的電壓矢量作用順序?yàn)?(U1n-U2n-U0-U1p-U1p-U0-U2n-U1n)。U1矢量作用的總時(shí)間為t1=t1n+t1p,引入中點(diǎn)控制因子ρ(-1≤ρ≤1),重新分配矢量的作用時(shí)間:對(duì)于控制因子ρ,常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定為:-0.7≤ρ≤0.7。由于ρ的不確定,該策略不能充分發(fā)揮正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的補(bǔ)償作用,對(duì)中點(diǎn)做出精確補(bǔ)償。實(shí)際上,中點(diǎn)電位漂移的根本原因是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流入或流出中點(diǎn)的電荷不守恒?；诖怂枷?提出一種基于控制因子ρ′(確定值)的準(zhǔn)確計(jì)算策略,通過檢測(cè)直流側(cè)電容電壓大小和三相交流輸出電流,準(zhǔn)確計(jì)算正、負(fù)小矢量的時(shí)間控制因子ρ′,使每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流入中點(diǎn)的總電荷為零,從而實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的準(zhǔn)確控制。在每一個(gè)開關(guān)周期中,空間電壓矢量作用順序總是以某一小矢量的負(fù)小矢量出發(fā),并以該小矢量的負(fù)小矢量結(jié)尾,則稱該小矢量為主控小矢量,其相鄰的小矢量稱為輔控小矢量,如圖4所示,1區(qū)域的主控小矢量為U2,輔控小矢量為U1。設(shè)某段區(qū)域的主控小矢量作用時(shí)間為tρ′0,輔控小矢量作用時(shí)間為tρ′1,中矢量作用時(shí)間為tm,則主控正小矢量作用時(shí)間tρ′0p=(1+ρ′)tρ′0/2,負(fù)小矢量的作用時(shí)間為tρ′0n=(1-ρ′)×tρ′0/2。主控小矢量流入中點(diǎn)總電荷為:Qρ′0=Qρ′0p-Qρ′0n=ρ′·tρ′0·ixn,其中ixn表示與該小矢量相對(duì)應(yīng)的某相電流ixn=(ia,ib,ic)。同理,相鄰輔控小矢量流入中點(diǎn)的電荷為Qρ′1;中矢量流入中點(diǎn)的電荷為Qm=im·tm;中點(diǎn)電位平衡的關(guān)鍵是保證流入中點(diǎn)的總電荷為零:Qρ′0+Qρ′1+Qm=0。以第Ⅰ扇區(qū)為例,介紹控制因子ρ′的準(zhǔn)確計(jì)算。當(dāng)矢量位于1區(qū):當(dāng)矢量位于2區(qū):當(dāng)矢量位于4區(qū):當(dāng)矢量位于5區(qū):當(dāng)矢量位于3區(qū):當(dāng)矢量位于6區(qū):當(dāng)參考電壓矢量位于其他扇區(qū)時(shí),同理計(jì)算ρ′。由于上面所計(jì)算ρ′是單純從數(shù)學(xué)意義上推導(dǎo)出來的,其值可能超出(-1≤ρ′≤1)范圍,需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)ρ′>1時(shí),取ρ′=1;當(dāng)ρ′<-1時(shí),取ρ′=-1,這樣可以最大限度地發(fā)揮正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的平衡能力?；诳刂埔蜃应选涞臏?zhǔn)確計(jì)算策略,其前提是假設(shè)中點(diǎn)電位沒有漂移,如果由于其他一些因素導(dǎo)致中點(diǎn)出現(xiàn)漂移,則該算法不具有將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力。為了彌補(bǔ)中點(diǎn)漂移缺陷,采用基于控制因子ρ′的準(zhǔn)確計(jì)算與基于控制因子ρ的滯環(huán)比較相電壓結(jié)合的控制策略,實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的準(zhǔn)確控制,具體實(shí)現(xiàn)如下:設(shè)定一個(gè)電壓誤差滯環(huán)ΔUsef,如果中點(diǎn)電位的實(shí)際偏差ΔU<ΔUsef,采用基于控制因子ρ′的準(zhǔn)確計(jì)算策略;如果中點(diǎn)電位的實(shí)際偏差ΔU>ΔUsef,采用基于控制因子ρ的滯環(huán)比較策略。由于2種策略都是空間矢量PWM調(diào)制,其ρ′與ρ在開關(guān)矢量作用時(shí)間的分配方式上是相同的。3u3000開關(guān)頻率為了驗(yàn)證所提出三電平NPC整流器空間矢量調(diào)制算法以及中點(diǎn)電位平衡控制策略的正確性,針對(duì)三相電阻負(fù)載進(jìn)行了仿真研究,仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)參數(shù)Um=200V,f=50Hz;AC參數(shù)LS=10mH,RS=0.1Ω;DC參數(shù)C1=C2=900μF,Ro=50Ω;輸出功率Po=2.6kW,η=0.9,λ=cosφ=0.99,Udc=380V;開關(guān)頻率fS=10kHz,采樣頻率fN=10kHz。圖5~10為仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖,通過分析可知:系統(tǒng)在0.05s后達(dá)到穩(wěn)定,直流側(cè)電壓為380V,輸入電壓與輸入電流同相位,功率因數(shù)λ接近為1。對(duì)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流的頻譜進(jìn)行分析,直流側(cè)電壓的諧波畸變率THD為0.97%,交流側(cè)電流THD為2.89%,高次諧波有所抑制。另外,對(duì)采用中點(diǎn)控制策略的中點(diǎn)電位差ΔU=Udc1-Udc2波形進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)采用控制策略后,中點(diǎn)電位的波動(dòng)得到了有效的控制。4基于svpwm的冗余小電壓矢量動(dòng)態(tài)控制策略文中提出的采用首發(fā)矢量全部為負(fù)小矢量的SVPWM調(diào)制算法,以及基于控制因子ρ的滯環(huán)比較與基于控制因子ρ′的準(zhǔn)確計(jì)算相結(jié)合的中點(diǎn)控制策略,精確地控制了中點(diǎn)電流,實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了其調(diào)制算法和中點(diǎn)控制策略是正確有效的,且簡(jiǎn)單易行,有利于計(jì)算機(jī)數(shù)字化實(shí)現(xiàn),具有較高的應(yīng)用價(jià)值。參考電壓矢量由一個(gè)扇區(qū)切換到另一個(gè)扇區(qū)時(shí),可能導(dǎo)致輸出矢量突變,增大開關(guān)損耗,并影響輸出電壓波形的平滑性,產(chǎn)生較高的工作器件變化率。基于開關(guān)損耗的基本原則和對(duì)三電平冗余開關(guān)矢量的不同處理,提出一種最優(yōu)的空間矢量脈寬