一种改善逆变器输出波形的方法

齐保良，牟善军

(山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

风能因其具有无污染、可再生等特点目前已被人们广泛的关注和应用。小型风力发电系统因其体积小灵活性大而得到了较好的发展和应用。在研制小型风力发电系统的过程中，调整逆变器的死区时间[1－2]使输出电压为理想的正弦波是亟待解决的问题。

目前，研究死区效应常用的方法是空间电压矢量脉冲调制法(space voltage pulse width module，SVPWM)，该方法相对于其它PWM技术具有电流谐波小，转矩脉动小噪声低等优点，并且可获得较高的直流电压利用率和较低的输出谐波[3－4]。本文在SVPWM的基础上提出一种新型的调制方法，使逆变器输出电压波形更接近正弦波。

1 逆变器死区效应对输出电压影响的分析

图1 三相逆变器结构图

由于逆变过程中使用的半导体器件具有非理想开关特性，导致了逆变后的电压具有非性的特点，从而引起逆变后电压波形的改变。图1为风力发电系统中蓄电池给三相电机供电的结构图。这里假定SVPWM发生器中的开关器件是理想的，电流极性以流向负载方向为正如图2所示的ia，其中V1～V6为高电平导通，低电平关断的IGBT型功率开关管，驱动信号分别用p1～p6表示。为简化分析，仅以逆变器中V1和V4所在的桥臂为例分析逆变器的死区现象如图2所示，其中驱动信号p1和p4的相位反向。

图2 单相桥臂控制结构图

在逆变过程中，由于IGBT中结电容的存在，形成了一个“存储效应”造成了器件的关断延时现象，为防止当V4导通时V1还未关断现象出现造成的短路，在上、下桥臂开关器件之间加入一个延迟时间Td，在延迟时间内V1和V4均不导通，此时电路经过续流二极管VD1和VD4的续流作用构成闭合回路，此延迟时间就被称作死区时间。

以n'点为基准点，以a相中理想状况下U'an及Uan电压波形、带死区时间的驱动信号p1和p4波形和调整后输出电压U'an'和U'an的波形为例，如图3所示。其工作原理为:在感性负载时，当V1导通时Va点相对于N'点的电压为+Ud/2，当V4导通时Va点相对于n'点的电压为－Ud/2。在死区时间Td内，V1和V4都不导通时，感性负载通过续流二极管VD1或VD4进行续流，以保持a相电流ia的连续。在ia正半周回路通过VD4续流，Va点与直流电源负极接通，其相对于n'点电压为－Ud/2;在ia的负半周回路通过VD1续流，Va点直接与直流电源正极接通，其相对于N'点电压为+Ud/2。这样，逆变器的实际输出电压U'an'及U'an的波形与理想波形进行比较后就发生了畸变。经分析知，在ia正半周，所有正脉冲宽度都减小Td，所有负脉冲宽度都增加Td;相反的，在ia负半周，所有负脉冲宽度都减小Td，所有正脉冲宽度都增加Td。畸变后实际电压波形如图3中的U'an'和U'an。由图中可知，Td的存在不仅使输出电压降低、电流波形失真，更严重的甚至能引起电机震荡。

其中:

图3 逆变桥的死区效应波形示意图

由分析和波形图可知，对驱动信号p1和p4引入死区时间后输出电压和电流波形图产生了畸变。假定给定的IGBT导通时间为Ton，关断时间为Toff，那么系统的实际死区时间Te为:

2 利用十二矢量法改善逆变器输出电压波形

SVPWM主要思想是:以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准[5，6]，根据三相逆变器不同的开关模式进行切换，从而形成PWM控制信号，达到控制的目的。本文中用的三项全桥逆变电路是由六个开关器件构成的三个半桥，根据六个开关的不同组合形式可分为8种，其中有两个开关状态在电机的驱动中不产生有效的电流被称为无效矢量或是零矢量，分别记作000，111(这里表示的是三个上桥臂同时导通、关断的状态)。另外六个称为有效矢量或是可用矢量，SVPWM就是通过在两个最近的有效矢量和一个无效矢量之间进行切换的方法，不断逼近旋转参考矢量，于是我们可以得到图4所示的矢量切换序列。

另外，根据图2中a桥臂的状态可得到如表1的数据。

表1 电流极性与开关管和续流二极管状态及调整电压之间的关系

从而推断出其余两桥臂的状态，假定Sj为开关函数其中j=a，b，c三相，那么可假设:

Sj=1;表示j相上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断;Sj=0;表示j相上桥臂开关管关断，下桥臂开关管导通。

另外，由于在异步电动机矢量控制系统中，是以旋转坐标和两相静止坐标为基础分析的，所以就要通过Clark变换(α－β变换)根据公式(2)将三相坐标转换到两相静止坐标中去，可得到三相电压合成矢量关系式(3):

可得出开关函数与电压矢量的对应关系如表2所示。

表2 开关函数与电压矢量的对应关系

根据所得到的关系可做出复平面上的电压矢量图如图4所示。

为了更加精确的展现换向过程，本文提出一种改进型的SVPWM，即将180°导通方式和120°导通方式混合使用，暂且称为十二矢量法。其原理为:将原来的六个空间矢量分别再分别均分成两个空间矢量，也就是每两个状态的夹角变为30°如图5所示，下面以U1相换到U2相为例分析效果，首先假设，上桥臂开关管导通设为1，下桥臂开关管导通设为0，没有管子导通用X表示。在系统从状态U1到达状态U2的过程中，系统会经过Ⅰ1和Ⅰ2两个区域，当合成矢量落在状态U1与U12之间时，由这两个矢量进行合成，其中矢量U1是由开关管 V1，V6，V2导通产生的，矢量U12是由开关管V1和V2导通产生的，这样再配合零矢量和恰当的时间就可以合成出该范围内的空间矢量。同样的方法也可以对其他空间中的矢量进行合成。

下面根据假设对开关管的导通时间进行计算，如图6所示，在矢量U1和矢量U12之间得到空间矢量的合成图。

图4 电压空间矢量图

图5 改进的SVPWM方法(十二矢量法)原理图

图6 电压矢量合成原理图

可根据图所示、伏秒平衡原理以及三角函数关系有如下公式:

各矢量作用时间计算公式为:

根据公式(4)～(6)可知，该方法可准确的计算出各矢量的作用时间，并加以控制。如图7波形图所示，由图可知该方法改善了逆变器输出电压的波形。并且实现了对开关管通断的控制，计算简单。

3 实验结果分析

本次实验系统是基于600W小型风力发电系统进行设计的[7]，采用DSP控制器进行死区补偿，选用的电机为永磁同步电动机，其功率为600W，定子电阻为1Ω，定子电感为5mH，极对数为2，转速为1500r/min。控制芯片选用 PI公司的TMS320F2812。功率模块选用 EUPEC生产的BSM35GD120DN2，开通时间为 Ton=120ns，关断时间为Toff=450ns，载波频率fPWM=5kHz，死区时间Td=5μs。如图7所示死区补偿前后a相波形图。

图7 十二矢量法获得的电压电流波形图

图8 实验输出波形图

从波形图的对比可以看出采用改进的SVPWM之后的波形较补偿之前的波形谐波成分变小，基本没有畸变，更接近正弦波。

4 结论

本文在空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的基础上进行改进，提出了十二矢量法，利用该方法可以对逆变器输出电压波形进行调整，并根据矢量合成图推导出各矢量在逆变过程中的作用时间。根据试验和仿真结果可知，该方法能有效的改善逆变器的电压输出波形，并且避免了上、下桥臂直通现象的产生，使逆变器输出电压轨迹更接近正弦波。

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