三级七电平逆变器SVPWM算法的仿真和实验研究*

王　翠,章　云,曾　瑄

(1.广东工业大学自动化学院,广州 510006;2.南昌工程学院机械与电气工程学院,南昌 330099)



三级七电平逆变器SVPWM算法的仿真和实验研究*

王翠1,2*,章云1,曾瑄2

(1.广东工业大学自动化学院,广州 510006;2.南昌工程学院机械与电气工程学院,南昌 330099)

摘要:级联型多电平逆变器SVPWM算法具有谐波特性好、电压利用率高、开关频率低、开关损耗小等优点,在高压大功率逆变器领域得到了广泛应用。在α′β′坐标平面,对五段SVPWM算法进行仿真和实验研究。仿真和实验结果与理论推导一致,五段调制算法的输出零序电压N0∈{0,±1,±2,±3}/3。一个采样周期,五段调制算法的相电压变换4次,大大减少了系统的开关切换频率。仿真和实验得到的输出电压波形能很好地逼近参考电压。

关键词:多电平逆变器;空间矢量调制;五段算法;开关频率;零序电压

级联型多电平逆变技术因其输入功率因数高、开关损耗低等优点被广泛应用于高压大容量变频调速领域[1、2]。空间矢量脉冲宽度调制(简称SVPWM)算法具有谐波特性好、电压利用率高、开关频率低、开关损耗小等优点[3],因此SVPWM技术被广泛应用于级联型多电平逆变器的开关调制[4～6]。SVPWM算法,即在一个采样周期内,对于给定的参考电压进行采样,并把采样结果转换为参考矢量,用最接近参考矢量的3个基本矢量合成参考矢量。为了保证在3个基本矢量之间进行切换时的切换路径封闭[7],通常采用七段式PWM算法。由于七段算法在一个采样周期内需完成6次电压切换,其开关切换次数比较高,另外,由于七段算法使用了一个基本矢量的2个不同实现,这2个实现对应的零序电压相差一个单位电平[7],导致输出零序电压变化范围大。为了减少开关切换次数,并且尽可能缩小零序电压的变化范围,本文研究五段式SVPWM算法,仿真和实验结果说明了五段算法的优越性。

1　基本矢量合成参考矢量

3级逆变电路的每相由3个H桥逆变单元串联组成,输出相电压(ua,ub,uc)均包含±3E、±2E、±E、0共7个电平,E为H桥逆变单元的直流电压。

(1)

以E为基准归一化各个电压,有

(2)

(3)

N0=(a+b+c)/3

(4)

式中,a,b,c∈{±3,±2,±1,0},称满足式(3)的(a,b,c)为基本矢量(α′,β′)的实现。

根据SVPWM算法的要求,要实现在3个基本矢量之间的切换,逆变器各组开关管的导通和关断切换必须遵守的原则:任意2个基本矢量之间的切换只能有一个桥臂的开关管动作,即三相电压(a,b,c)只能有一相变化,且变化一个单位电平。

图1　合成参考电压矢量的基本矢量

(5)

为了遵守开关切换的原则,有

(6)

2　五段式SVPWM算法的输出零序电压和开关切换次数分析

图1中的ΔV0V1V2,采用五段算法,其顶点之间的切换顺序为

V0(a0,b0,c0)→V1(a1,b1,c1)→V2(a2,b2,c2)→

V1(a1,b1,c1)→V0(a0,b0,c0)

五段算法在一个采样周期内相电压的变换波形如图2所示,三相桥臂有一相的相电压不发生变化,另外两相的相电压分别变化2次,即输出相电压完成4次基本切换,逆变桥的开关管完成8次开关切换动作,t0,t1,t2分别表示基本矢量V0,V1,V2的作用时间。根据式(4)计算零序电压N0的变化幅值为2/3单位电平。

图2　五段SVPWM算法一个采样周期内的相电压变换波形

3　SVPWM算法的仿真

对五段SVPWM调制算法进行MATLAB仿真,计算参考电压矢量实现的仿真模型如图3所示,即寻找任意基本矢量(α′,β′)的实现(a,b,c)并计算对应的零序分量N0。图3中的fcn是一个函数,用于判断是否满足-3≤(a0,b0,c0)≤3,如果不满足-3≤(a0,b0,c0)≤3,则需要进行修正,取

图3　参考电压矢量实现的仿真模型

4　SVPWM算法的实现

为了验证五段SVPWM算法,搭建三级七电平逆变器的实验装置,实验原理如图5所示,逆变器主电路包括9个驱动单元和9个级联单元(级联单元由单相不可控桥式整流模块和单相全桥逆变器模块组成,整流模块为逆变器提供标准的直流电压源E),3个级联模块串联构成三相逆变器的一相电路。控制系统包括ARM控制板、FPGA控制板以及液晶显示屏,ARM控制板主要实现SVPWM算法,还完成与液晶显示屏的通讯,液晶显示屏实时显示电平变换次数,FPGA控制模块主要完成脉冲分配工作并计算死区时间。

图4　扇区三角形的定位仿真模型

图5　实验装置原理图

5　实验和仿真结果

图6给出了一个周期相电压的波形图,仿真时每周期采样66次。五段算法各相电压的变换次数分别为116、116、116次,三相相电压一个周期总的变化次数为116+116+116=348次,可以推算出逆变器的开关管一个周期内的开关切换次数为2×348=696次。图7给出了零序电压仿真波形,从波形图上可以看出,五段算法的零序电压的最大值为±1个单位电平。

图8给出了实验波形,实验中单相整流模块的输入电压为55 V,负载电机为DJ17型三相绕线式异步电动机,额定电压为220 V,额定电流为0.6 A,容量为120 W,转速为1 380 rot/min,频率为50 Hz,星形连接。

图6　SVPWM算法的相电压仿真波形

图7　SVPWM算法的零序电压仿真波形

图8　SVPWM算法的实验波形

三相相电压一个周期内的变化次数分别为112、113、110次,三相相电压一个周期内总的变化次数为112+113+110=335次,由此可以推算出逆变器的开关管一个周期内的开关切换次数为2·335=670次。根据理论分析,一个周期内采样66次,每个采样周期相电压需切换4次,另外在不同采样点之间进行切换时也需要改变相电压,故相电压切换次数大约为ns=4·66+66=330次。从零序电压实验波形图可以看出,零序电压-55 V≤N0≤55 V。

仿真结果、实验结果与理论计算是一致,但各个数据有微小差异,这是由于在不同采样点之间进行切换时可能存在2次电压变换,也可能不存在基本切换导致的。

6　结论

本文针对级联多电平电路SVPWM算法,用仿真和实验验证了五段算法降低开关切换频率和零序电压的变化范围。从仿真和实验波形可以看出,五段调制算法的输出零序电压N0∈{0,±1,±2,±3}/3。仿真和实验结果完全一致,从实验波形可以看出采用五段算法能很好的跟踪输出电压的变化。

参考文献:

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[7]刘铮.多电平逆变器控制矢量调制算法研究[D].长沙:湖南大学,2008

[8]唐雄民,龚理专,彭永进.一种快速的多电平空间矢量调制算法研究[J].高电压技术,2006,32(2):75-77

王翠(1973-),女,汉族,湖南衡阳人,博士,主要从事电力电子技术、逆变电源技术的研究,ouyang_wangcui@163.com。

TheSimulationandExperimentalStudyofSVPWMAlgorithmfor3-Cell7-LevelInverter*

WANGCui1,2*,ZHANGYun1,ZENGXuan2

(1.Faculty of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang Intitute of Technology,Nanchang 330099,China)

Abstract:SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)algorithm of cascaded multilevel inverter can get a good harmonic characteristic,high utilization of voltage,low switching frequency,small switching loss etc.Therefore,this technique has been widely used in high voltage and large power inverter.On the α′β′ plane,this paper adopts the five segment SVPWM algorithm to conduct the simulation and experiment study.The simulation and experiment results are consistent with the theoretical derivation.The output zero order voltage N0 of the five segment algorithm is N0∈{0,±1,±2,±3}/3.In a sampling period,the number of changes of three phase voltages is 4.The system’s switching frequency is greatly reduced.As well,the output voltage waveforms of simulation and experiment can track the changing reference voltage very well.

Key words:multi-level inverter;space vector modulation(SVM);five segment algorithm;switching frequency;zero order voltage

中图分类号:TM343

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0787-04

doi:EEACC:811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.044

收稿日期:2013-08-01修改日期:2013-08-26

项目来源:江西省教育厅科技项目(GJJ13767);江西省科技支撑项目(20133BBE50042)