光伏直驱空调同步空间矢量调制算法研究与实现

林宝伟，杨茂涛，曾文伟，赵志刚，林京

(1.珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海519000；2.国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心)，湖南 长沙410004；3.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙410004)

0 引言

大型中央空调冷水机组，特别是永磁同步变频离心式水冷机组，其最大功率可达兆瓦级，其中的机载换流器具有电流大，体积小的特点[1-5]。换流器的最高开关频率因功率器件开关损耗和机组散热条件受到限制[6-9]。另一方面，离心机最高运行频率到450 Hz以上时，开关频率与调制基波之间的载波比将变得很小，如果继续单纯采用异步调制策略进行控制，电机高频率运行(频率越高，功率也相对越大)会造成电机电流谐波变大，进一步影响机组的稳定运行[10-12]。为了避免异步调制在低载波比情况下输出波形的严重不对称、电流谐波大等问题，通常会采用同步调制策略，不仅可以解决输出波形不对称(电流谐波也可以改善)的问题，还能降低开关频率，提高机组效率[13-14]。

同步调制算法主要有三类:①中间60°同步调制，其特点是算法简单、易于实现，在工业中有广泛应用，但该方法存在输出电压低次谐波高、谐波性能差、电机转矩脉动大等缺点；②特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)，能够实现对基波电压的准确控制，提高直流母线电压利用率，还能实现对特定次谐波的消除，减小谐波电流对电机的影响，但实现比较困难；③同步空间矢量调制(SVPWM)，空间矢量调制的同步调制版本，继承了空间矢量调制算法的电压利用率高、转矩脉动等优点，但输出电压的基波幅值与电压指令存在偏差[15-17]。

本文研究基于DSP(数字信号处理)空间矢量调制的实现方式，通过仿真和实验，验证同步调制永磁同步电机矢量控制中的有效性。

1 SVPWM调制原理

对于两电平三相逆变器，如图1所示，根据三相桥臂不同的开关状态组合，可以得到8种电压空间矢量，包括6个有效电压矢量和2个零电压矢量，其在复平面的分布如图2所示。

SVPWM是以伏秒平衡原则保证每个采样周期内，通过电压矢量所在扇区的3个有效电压矢量和零电压矢量的线性组合生成所需的参考电压矢量。因此通过参考矢量就可以计算、获取各相脉冲在开关周期内的占空比。

图1 电压型三相逆变器

图2 空间矢量分布图

SVPWM是建立在SVPWM占空比计算之上，相比异步调制(异步调制只与载波相关，但载波与电压矢量角度没有相关性)，同步调制的脉冲作用与电压矢量角度严格相关。另外同步SVPWM是通过确定每个扇区的采样点个数实现一个电流周期固定输出的脉冲个数。基于传统空间矢量策略(CSVS)的SVPWM切换方式，见表1。

表1 SVPWM的传统空间策略(第Ⅰ扇区)(CSVS)

假设在扇区I的采样点数为3，由SVPWM计算的30°时的A相占空比为0.7。那么在30°和50°区间中，A要输出一个0.7占空比的波形，这个波形的周期就是电机从30°运行到50°的时期。因此输出脉冲的频率与电机的运行频率彼此相关，且相位关系也是固定的。

通过传统的空间矢量策略实现的SVPWM，其脉冲数P=3N，N为每个扇区的采样点数量。通过其他切换策略，能够实现采样点不变的情况下减小脉冲数量，实现P=2N+1，如表2所示的基本母线钳位策略(BBCS)。

在同样的采样点情况下，由于矢量组合方式的不同，BBCS每周期的输出脉冲比CSVS要少一些。要实现BBCS策略，就要在程序中实现各种矢量的组合。对于任意两个基本矢量和零矢量的组合，按矢量开始极性和零矢量分布系数，一共有6种表达。所以要实现基本母线电压钳位的同步调制策略，就需要灵活合成表3的矢量，并组合起来。

表2 SVPWM基本母线钳位策略(第Ⅰ+Ⅱ扇区)(BBCS)

表3 扇区Ⅰ矢量组合方式

在SVPWM模块获取到输入电压矢量后，要根据所需的矢量组合设置零矢量分布系数，计算作用占空比，然后在生成同步调制切换角的时候考虑矢量组合的极性。结合同步调制，给出永磁同步电机矢量控制框图，如图3所示。

图3 基于异步+同步调制的永磁同步电机矢量控制框图

SVPWM与传统的异步调制的永磁同步电机矢量控制系统唯一不同的是脉冲生成处理的不同。要实现一个全速范围稳定的矢量控制系统，电机启动的时候要采用异步调制，运行到一定频率后切入高分频的同步调制，然后随着运行频率的提高，降低分频数以减小开关频率。因此其他脉冲调制模块是融合异步调制和同步调制的混合调制模块。

采用固定载波(10 kHz锯齿波)的方式实现相对角度的开关切换，如图4所示。

图4 同步调制开关角切换原理图

对于EPWM模块，采用两个比较器CMPA和CMPB，每个载波周期可进行两次开关切换。在每个EPWM的周期中断通过角度计算模块得到的当前角度为θ，后续的角度为θ1和θ2(实际上是令角度延迟2个载波周期)；根据当前的开关角序列，检查在θ1和θ2中是否存在开关角，若存在开关角(最多两个)，则通过开关角计算CMPA或CAMB的比较器值实现开关切换。此方法的特点是异步切换同步方便，采样频率与角度计算统一。

2 仿真分析

采用MATLAB/Simulink仿真模型验证同步调制脉冲输出，如图5所示。

其中不对称半桥的直流电压源输入为600 V，在PWM脉冲生成模块生成PWM的触发下，逆变出电压作用在一个三相星形接法的阻感负载，可通过观察负载上的电压和电流波形以验证输出脉冲是否正确。右下角的脉冲生成模块即模拟程序中EPWM的配置，既可支持异步调制，又可实现同步调制的脉冲生成模块，而且还会为占空比计算模块提供一个采样时钟。

以N=3的CSVS和BBCS举例，验证其输出脉冲的矢量组合是否符合表4。

图5 同步调制开环脉冲验证仿真模型

表4 N=3 CSVS和BBCS采样和矢量组合策略

按照上述矢量组合策略生成的CSVS和BBCS的脉冲波形如图6所示。

图6 N=3 CSVS和BBCS策略的三相 输出脉冲波形

从A、B、C三相的PWM脉冲可以看出，输出脉冲的矢量组合方式与设计的是相符合的。

通过仿真模型，验证从7分频(3个采样点)到11分频(5个采样点)切换过程和三相电流波形响应(运行频率50 Hz)，如图7所示。

仿真结果表明同步调制脉冲输出正常，二期分频切换时无电流冲击。

图7 N3P7切换到N5P11的三相脉冲和电流波形

3 实验验证

实验验证所选择的永磁同步电机为多联机压缩机，其参数见表5。

表5 实验永磁同步电机参数

根据电机的运行特性，所设计的调制切换策略如图8所示。

电机由异步调制启动，运行至55 Hz时，切换到同步33分频，之后经过一系列同步分频切换，最终以同步5分频的方式运行至压缩机的最高频率180 Hz。降频的时候，切换点要小5 Hz，以避免在切换点附近反复出现分频切换。

图8 SVPWM在压缩机中的调制切换策略

根据切换策略，实验验证方案是让机组从开机启动，然后一直运行到180 Hz，稳定运行一段时间后，再降频运行到45 Hz关机。在此过程中压缩机依次经历定位、电流闭环运行、切入转速闭环、异步切入同步、升频的同步分频切换、180 Hz运行、降频的同步分频切换、同步切入异步环节。其运行波形如图9—11所示。

图9 同步调制启动升频到降频关机的波形

图10 7分频切换到5分频的实验波形

图11 5分频180 Hz运行实验波形

从图9、10可以看出，在整个运行过程，异步和同步调制的切换和同步分频间的切换都未出现冲击电流；7分频到5分频切换后电流有些波动，但随着运行频率的增加而略微稳定。从图11所示的5分频180 Hz的运行波形可以看出，每个周期的电流波形基本一致，每个周期都是5个脉冲输出，符合5分频的设计要求；当运行频率到180 Hz时，其等效开关频率只有900 Hz。通过上述实验，说明同步SVPWM调制的闭环控制性能是满足永磁同步电机矢量控制要求的，而且可在较低的开关频率稳定运行。

4 结论

本文对光伏直驱空调同步空间矢量调制(SVPWM)方法进行了研究，分析给出同步调制的矢量组合方式和实现方案。仿真和实验验证了同步调制实现及其切换的有效性，该方法成功地应用在多联机压缩机的变频控制中，使其在最高180 Hz运行频率(等效开关频率900 Hz)稳定运行，为验证后续更大功率机组的有效性提供了基础。