多电平无扇区SVPWM逆变的动态矢量控制研究

吴承天, 王鲁杨, 李　然, 黄思源, 孙　皓

(上海电力学院 电气工程学院, 上海　200090)



多电平无扇区SVPWM逆变的动态矢量控制研究

吴承天, 王鲁杨, 李然, 黄思源, 孙皓

(上海电力学院 电气工程学院, 上海200090)

摘要:针对传统多电平SVPWM算法需要三角函数运算和大小扇区判断的缺陷,建立了120°坐标系下无扇区空间矢量调制方法.基于传统多电平SVPWM矢量动作的规律,提出了动态矢量控制策略.新优化方法将算法进行统一,并能推广到更高的多电平逆变环境.在Matlab环境下的仿真验证了结论的正确性及可行性.

关键词：120°坐标系; 多电平; 无扇区; 动态矢量优化

多电平SVPWM控制技术是多电平研究的关键核心技术[1-2].传统的SVPWM计算过于复杂,并且带有三角函数运算,在实际应用中有很多的不便.近年来,针对多电平SVPWM逆变缺点的改进算法层出不穷.文献[3]利用三角函数的特点将扇区重新排序,从而减少了三角运算;文献[4]用两电平SVPWM算法的多层叠加实现三电平SVPWM算法;文献[5]和文献[6]通过SVPWM的本质,用三相电压磁链守恒的方式提出了无扇区的算法,但该方法易于两电平的实现,难以推广到三电平或者更高电平逆变的情况.本文通过研究传统三电平7段式矢量安排中隐藏的规律,结合120°坐标系空间矢量图三角形的特点,提出了一种无扇区的动态矢量优化算法.该算法首先化整为零,研究整个矢量空间的一个三角形中的矢量动作规律,再化零为整,由一个小三角区域的规律推广到整个矢量空间的动作规律,最后完成这个矢量控制,进而推广到更高电平的逆变控制.

1传统三电平SVPWM逆变矢量安排规律

传统的三电平逆变一共有27个矢量,其中有效矢量19个.图1为三电平逆变器下开关状态及对应的空间矢量图.

传统SVPWM逆变控制策略在经过大小扇区判断、矢量作用的时间计算后,采用7段式矢量安排来完成整个空间矢量的控制.因为7段式矢量动作的后半段与前半段对称,表1给出了扇区1中各小扇区前半段的矢量安排,其中各小扇区的定义在图1中给出.

对表1进行深入分析和推广,有以下结论:在7段式前半段的矢量安排中,当参考矢量处于正三角形区域时,矢量的安排体现顺时针性;当参考矢量处于倒三角形区域时,矢量的安排体现逆时针性.以小扇区3,小扇区4,小扇区5为例,如图2所示.

2多电平无扇区SVPWM逆变优化算法

2.1120°坐标系的建立和变换

在传统的三电平SVPWM算法基础上,提出了一种新的控制算法——基于120°坐标系的无扇区SVPWM优化算法.建立120°坐标系,g轴为横轴与直角坐标系的α轴重合,h轴为g轴逆时针旋转120°,如图3所示.

设参考矢量Vref在直角坐标系下坐标为(Uα,Uβ),在g-h坐标系下坐标为(Ug,Uh),由于参考矢量固定,可得到:

(1)

再通过clark变换,可以得到abc三相电压在120°坐标系下的形式,Ua,Ub,Uc为三相电压,分别为:

(2)

2.2基本矢量的确定

对于任意参考矢量,选取其所在的三角形区域的3个矢量为基本矢量,如图4所示.

首先要选取距离参考矢量最近的4个矢量,这4个矢量是由参考矢量在g轴和h轴上投影的上下取整所组成的,4个基本矢量分别为Ucc,Ucf,Ufc,Uff.其中,c代表ceiling,即向上取整,f代表floor,即向下取整;由图4可以看出,Ucc和Uff为其中两个确定的基本矢量.

第3个矢量由参考矢量终点的平行方程表达式确定,假设过点(g,h)的直线如下:

(3)

上述直线为经过参考矢量Vref终点,当k≥Ugc-Uhc时,Vref落在正三角形内,此时选取Ucf为第3个基本矢量;反之,则Vref落在倒三角形内,此时取Ufc为第3个基本矢量.

2.3矢量作用顺序动态安排

通过上述对传统三电平逆变矢量的顺序安排,以及120°坐标系的三角形特点,提出一种动态化的矢量顺序安排,使得该控制策略能推广到任意多电平逆变的SVPWM逆变控制策略.

在基本选取过程中,定义U1=Uff,U2=Ucc,最后一个矢量选取为U3(等于Ucf或Ufc).由表1整理的前半段矢量安排可以看出:当Vref在正三角形区域时,矢量动作体现顺时针性,结合120°坐标系的三角形特点和3个基本矢量的定义,矢量动作顺序为1-2-3-1所在循环;当Vref在倒三角形区域时,由于矢量动作体现逆时针性,矢量的动作顺序仍然为1-2-3-1所在循环,如图5所示.

由图5可以得到以下结论:对于落在任意小三角区域的参考矢量Vref,其基本矢量7段式的前半段矢量动作的顺序为1-2-3-1所在循环.

由于多电平空间矢量的模型是由三角形区域所组成,而新算法正是将整个空间矢量归一到一个小三角形区域,针对一个小三角的基本矢量安排即完成了整个空间矢量的安排,跳过了大小扇区的判断,因而能适用于五电平、七电平甚至更高电平数的控制策略.

3仿真验证

在Matlab/Simulink环境下进行仿真验证.以三电平NPC逆变为例,无扇区SVPWM逆变仿真系统由120°坐标变换、基本矢量选取、矢量作用时间计算、首矢量确定、动态矢量安排5个模块组成.整个触发信号仿真系统如图6所示.

其中,“First vector select”模块即包含了7段式矢量动态安排的前半段,“Seven array”为整个7段式的动态化安排.

对于任意的参考矢量,只要确定其落在的三角形区域,则其对应的矢量安排即可确定.以图4a为例,参考矢量落在(1,1)(2,2)(2,1)所在三角形内,则U1=(1,1),U2=(2,2),U3=(2,1),动态矢量安排为1-2-3-1;同理,在图4a中,当参考矢量落以U1=(0,1),U2=(1,2),U3=(1,1)为顶点的三角形内时,其动态矢量安排为3-1-2-3.图7给出了动态矢量顺序优化的仿真及结果.

图7中，从上至下分别为第1个动作矢量、第2个动作矢量、第3个动作矢量.圈出的一组动态矢量为对图4a动态矢量优化的仿真验证.

逆变输出结果如图8所示,从上至下分别是线电压、A相电压以及A相电流的波形.负载为阻感负载,电阻为1.1 Ω,电感值为0.91 mH,仿真时间为0.1 s,间隔采样时间为1e-5s,调制波为三相正弦调制波,载波为三角波,频率为5 000 Hz.

仿真结果验证了该算法的可行性.同样,对于更高电平的空间矢量图,由于三角形的分布特性以及传统多电平矢量安排的规律性,该方法也能够应用于更高的多电平逆变中.

4结语

针对传统SVPWM逆变控制策略中矢量安排的隐藏规律,提出了一种基于120°坐标系下采用动态矢量优化的无扇区调制算法,该方法跳过了传统的大小扇区判断,并将整个矢量运算统一到一个小三角区域来计算,通过一个小三角区域反应整个算法的规律性.

对于任意电平的矢量空间状态图,在120°坐标系下总是呈现三角形的特性,因此该矢量动态优化的方法将算法统一起来,进而可以推广至更高电平的逆变控制策略.

参考文献：

[1]李永东,肖曦,高跃.大容量多电平变换器:原理控制应用[M].北京:科学出版社,2005:10.

[2]李永东,高跃.多电平PWM控制技术发展[J].变频器世界,2006，3(6):6-13.

[3]PEROUTKA Z,GLASBERGER T.Comparison of methods for continuous transition of space vector PWM into six-step mode[C].12th Intemational Power Electronics and Morion Control Conference,Portoroz，2006:925-930.

[4]谢东东,范波,赵伟刚.一种化简三电平SVPWM的感应电动机矢量控制方法[J].微特电机,2013,41(6):45-49.

[5]方斯琛,李丹,周波,等.新型无扇区空间矢量脉宽调制算法[J].中国电机工程学报,2008(28):35-40.

[6]苏杭,陈东华,孙仲兵,等.一种无扇区判断SVPWM算法及仿真研究[J].华电技术,2008,30(10):27-30.

(编辑白林雪)

Research of Dynamical Vector Control with No Sector SVPWM of Multi-level InverterWU Chengtian, WANG Luyang, LI Ran, HUANG Siyuan, SUN Hao

(School of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:In view of the disadvantage of traditional multi-level SVPWM algorithm,trigonometric function and judging the external and interior section,120 degree coordinate system without sector judgment SVPWM modulation method is established.Based on the principle of vector’s action in traditional algorithm,the strategy of dynamic vector control is proposed.New optimization method unifies algorithm and can promote the environment of higher multi-level inverter.The model testifies the validity and feasibility of the conclusion under the circumstance of Matlab/Simulink.

Key words:120 degree coordinate system; multi-level; no sector; dynamic vector optimization

中图分类号：TM464

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2016)01-0025-04

通讯作者简介：吴承天(1990-),男,在读硕士,江苏镇江人.主要研究方向为高压多电平逆变控制策略及算法.E-mail:1078494540@qq.com.

收稿日期：2015-09-30

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.007