四象限变流器中新型SVPWM控制策略的研究

师艺杰， 李 晓， 郭建鑫， 王 琳， 侯 斌

(中北大学 计算机与控制工程学院， 山西 太原 030051)



四象限变流器中新型SVPWM控制策略的研究

师艺杰， 李 晓， 郭建鑫， 王 琳， 侯 斌

(中北大学 计算机与控制工程学院， 山西 太原 030051)

针对传统SVPWM控制策略运算复杂的特点， 基于四象限变流器平台， 介绍了一种无需坐标变换、 三角函数计算、 扇区判断的新型控制策略. 建立数学模型进行了仿真分析， 搭建了6 kW三相变流器小型平台， 对理论分析进行了验证. 实验结果与理论分析结果能够很好地吻合， 验证了该算法的可行性与有效性. 相关思路可推广到多电平逆变器模型， 进而应用到电动汽车、 新能源发电等领域.

变流器； SVPWM； 建模

0 引 言

变流器在风电、 光伏与电动汽车等新能源领域(超级电容器、 燃料电池储能、 充电桩等应用)起着重要的作用. 空间矢量脉宽调制(Space Vector PWM， SVPWM)作为上述系统的核心控制策略， 具有调制比较大 、 能够优化输出电压波形 、 易于数字实现、 直流母线电压利用率高等优点[1-2].

鉴于SVPWM控制策略作为新能源系统开发不可或缺的应用策略， 目前的文献在经典SVPWM算法的基础上做了许多研究. 文献[3]针对电压对称分量通过分类零序分量的思路推出开关器件切换的时刻. 文献[4]通过夹角变换使各个扇区合成电压矢量转换到一个扇区处理,算法流程较复杂. 文献[5]取消了扇区判断， 添加切换时刻约束条件， 简化了计算. 文献[6]建立了一种新型120°坐标系， 无需进行扇区判断， 但增加了一次坐标变换. 文献[7]控制策略的优点是无需进行扇区判断与坐标变换的复杂运算， 但并没有硬件实验来充分验证.

本文介绍了一种算法流程简单， 无需坐标变换与扇区判断， 编程难度也会减小的控制策略， 利用仿真与硬件相结合对其加以验证. 从两电平SVPWM传统算法的伏秒平衡角度考虑， 搭建了6kW三相变流器仿真模型与小型平台， 对理论进行验证与分析， 效果与利用传统复杂算法实验结果一致. 在控制方面， 如果只用DSP控制平台， 运算速度较慢， 动态响应不及时， 不能够满足越来越复杂的控制算法[8-11]， 所以本实验平台采用基于DSP与CPLD控制单元的板卡进行信号处理， 以提高实时性与稳定性.

1 变流器结构

变流器由整流环节与逆变环节构成， 如图 1 所示， 将波形不整齐的交流整流成直流， 同时方便蓄电池直流电的引入， 等同于增加一路可靠电源， 再逆变成工整的交流， 防止交流的波动对用电的影响， 保证供电可靠.

图 1 变流器模型Fig.1 Converter model

理想的开关函数定义为

数学模型为

在逆变部分， 通过控制三相半桥臂开关器件的通断来使合成电压矢量Vref的轨迹接近基准圆.

2 控制策略

控制策略采用新型SVPWM算法， 该算法在三相坐标系中进行， 无需进行坐标变换与扇区判断， 具体算法如下.

首先， 通过伏秒平衡， 将合成电压矢量与相邻矢量的线性关系由式(1)表示出来. 其矢量图如图 2 所示，Ts为采样时间，Vd,Vq为αβ坐标系下的基本矢量，Td,Tq为对应的采样时间，V0为零矢量，T0为对应采样时间.

VrefTs=VdTd+VqTq+V0(T0+T7).

图 2 合成电压矢量Fig.2 Synthesized voltage vector Vref

由于式(1)是两相静止坐标系下等式， 需要将其转换为三相坐标系等式， 式(2)为两相坐标系转三相坐标系的公式.

考虑到三相合成电压可能含有不对称分量， 添加零序分量U0r表达式(3)，UAr,UBr,UCr为三相参考电压.

U0r=(UAr+UBr+UCr)/3.

结合式(2)，(3)可得式(1)转换式为

[UArUBrUCr]T=

开关函数与相电压关系表达式为

令式(5)左方数字矩阵为A矩阵， 开关函数矩阵为S矩阵， 则式(5)可写为

开关矢量状态与脉宽时间关系表达式为

将式(7)两边同乘以矩阵A， 再结合式(4)， 式 (6)可得

令三相参考电压UAr,UBr,UCr的最大值为Umax， 最小值为Umin. 根据线性方程求解原则可得式(8)的解为

由式(9)可得

求出式(10)中l的值， 即可得出各个开关器件的通断时刻.

零序矢量作用时间T0,T7成线性关系

根据开关器件切换时刻分析， 得

结合式(11)， 式 (12)得

T.

将式(10)代入式(13)， 得

l=k0(Udc-Umax+Umin).

由式(9)， 式(14)可直接求得开关器件切换时刻， 进而得出通断时间.

3 仿真分析

3.1 仿真模型

基于上述理论分析搭建了仿真模型. IGBT与IGBT驱动硬件正常工作范围在3～6 kHz之间， 从而根据硬件平台1∶1模型建立参数， 设置如下： 直流母线电压80 V， 调制比选择0.27， 滤波电感L为6 mH， 负载电阻采取星形接法为19 Ω， 调制电压频率f为50 Hz， 开关频率4 kHz， 直流侧电容16 000 μF.

模型构建分直流与交流两大部分， 交流侧设置脉冲驱动部分. 图 3 所示为仿真模型的交流侧模型， 图 4 为直流侧模型， 图 5 为脉冲发生模型， 控制策略采用S函数编写.

图 3 交流侧模型Fig.3 Model of AC side

图 4 直流侧模型Fig.4 Model of DC side

图 5 SVPWM脉冲发生模型Fig.5 Model of SVPWM pulse generation

3.2 仿真结果分析

由于UAO=UBO=UCO, 所以电压选取UAO进行测试， 电流选取IAO进行测试. 图 6 为电压仿真结果， 图7为电流仿真结果.

图 6 结果表明： 输出电压为80 V， 与直流母线电压一致.

图 6 电压仿真结果Fig.6 Voltage simulation results

图 7 结果表明： 电流仿真结果与理论计算值IAO=Udc*m/R=1.11 A 一致.

图 7 电流仿真结果Fig.7 Current simulation results

4 实验分析

4.1 实验模型

实验系统由逆变主电路、 控制回路、 IGBT驱动板卡、 控制板卡、 人机交互界面、 电源和信号调理模块等几个模块组成， 系统框图如图 8 所示.

图 8 系统框图Fig.8 System block diagram

搭建的基于控制单元DSP和CPLD的四象限电压源变流器平台如图 9 所示， 单相交流电源通过不控整流桥得到80V直流电源， 并联到逆变器的直流母线， 逆变器将直流电逆变为脉冲交流电， 经过滤波电感后供给电阻负载， 使流过负载的电流转变为含有少量谐波的正弦交变电流， 其中滤波电感为6 mH ， 电阻负载19 Ω采用星型连接. DSP芯片选用TMS320F28335， 在保持原有DSP芯片优点的基础上， 增加了浮点运算内核， 具有32*32位乘法运算能力和64位的处理能力[12-15]， 配合CPLD处理速度快、 I/O口多的特点可保证硬件测试顺利完成.

图 9 四象限变流器平台Fig.9 Platform of four quadrant converter

4.2 实验结果分析

通过硬件测试， 得出结果. 图 10 为电压UAO实验结果， 图 11 为电流IAO实验结果.

图 10 实验电压结果Fig.10 Experimental voltage results

图 11 实验电流结果Fig.11 Experimental current results

图10结果表明： 存在一些电压损耗， 实际测量电压为80 V左右， 与直流母线电压参数值基本一致， 而且毛刺较少， 结果良好.

图11结果表明： 实际测量电流与上述理论值1.11 A 一致， 验证了实验结果的正确性， 表明系统运行可靠、 稳定性良好.

5 结 论

本文在对SVPWM控制策略分析的基础上， 以变流器系统为控制对象， 设计了四象限变流器平台， 基于仿真与实验验证， 得到如下结果： 存在一些电压损耗， 实际测量电压为80 V 左右， 与直流母线电压参数值基本一致， 而且毛刺较少， 结果良好； 由IAO=Udc*m/R=1.11 A， 实际测量电流与上述理论值1.11 A 一致， 验证了实验结果的正确性， 表明系统运行可靠、 稳定性良好. 同时实验平台采用基于DSP与CPLD控制单元的板卡进行信号处理， 以提高实时性与稳定性.

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Research on a New Type of SVPWM Control Strategy in Four-Quadrant Converter

SHI Yi-jie， LI Xiao， GUO Jian-xin， WANG Lin， HOU Bin

(School of Computer and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

The operation of traditional SVPWM control strategy is complex, in view of this situation, a new control strategy based on four quadrant converter platform is introduced, which does not need coordinate transformation, trigonometric function calculation and sector judgment any more. Through the establishment of mathematical model and simulation analysis, a small platform of 6 kW three-phase converter is built. By conducting experiments it is concluded that the experimental results are in good agreement with the theoretical analysis and also show the feasibility and effectiveness of this algorithm. Such related ideas can be extended to multilevel inverter model, and then applied to the field of electric vehicles and new energy power generation.

converter； SVPWM； modeling

1673-3193(2016)06-0601-05

2016-05-03

山西省科技厅优秀人才科技创新项目(201605D211022)

师艺杰(1992-)， 男， 主要从事电力电子、 电气控制等方面的研究.

TM46

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.009