| 清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 宋強(qiáng) 劉文華
Dept. E.E, Tsinghua University Song Qiang, Liu Wenhua | 摘 要：為了解決多電平空間矢量調(diào)制(SVM)算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性問題,提出了基于參考電壓分解和零序電壓等效的新型多電平SVM算法。參考電壓分解的方法將任何電平數(shù)目的開關(guān)矢量選擇問題都簡(jiǎn)化成二電平SVM算法來解決;基于零序電壓等效的SVM波形控制方法簡(jiǎn)化了開關(guān)狀態(tài)的選擇問題,并使其與逆變器性能優(yōu)化控制問題得到有機(jī)結(jié)合。在DSP上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果及具體應(yīng)用實(shí)例的仿真結(jié)果表明,所提多電平SVM算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,占用計(jì)算時(shí)間少,并對(duì)電平數(shù)目具有通用性。
關(guān)鍵詞：空間矢量調(diào)制;多電平;電壓源逆變器 Abstract: A novel simple, fast and generally applicable multilevel space vector modulation (SVM) algorithm is proposed in this paper. The reference voltage vector is decomposed into offset vector and two-level vector. Thus a complicated multilevel SVM issue is simplified into a simple two-level SVM issue. The switching states and their duty cycle are determined based on the zero-sequence component of reference voltage and a good combination of switching states selection and performance optimization control is reached. Implementation results on DSP board and simulation results have shown that the proposed algorithm is very simple and computationally efficient. And the algorithm is generally applicable for any number of levels.
| 1 引言
近年來,多電平逆變器（Multilevel Inverter）受到越來越多的關(guān)注,并開始得到廣泛的研究和應(yīng)用,尤其是在高壓大容量功率轉(zhuǎn)換裝置中,例如靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）、大容量UPS、高壓變頻調(diào)速器等[1]-[4]。 多電平逆變器不通過器件的直接串聯(lián)就可以達(dá)到提高電壓等級(jí)的目的,而且交流側(cè)電壓的諧波性能和dv/dt也都大為改善。為了提高電壓等級(jí)或改善裝置性能,往往需要選擇較大的電平數(shù)目。
PWM控制是多電平逆變器研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與核心問題之一。空間矢量調(diào)制（SVM）將三相系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮,并易于在DSP等微處理器上的數(shù)字實(shí)現(xiàn),是一種優(yōu)越的數(shù)字化PWM方案,近年來越來越受到重視并得到廣泛的應(yīng)用。目前SVM控制技術(shù)已經(jīng)從二電平逆變器延伸到多電平逆變器領(lǐng)域,并且針對(duì)不同的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或采用不同的控制策略,出現(xiàn)了多種多電平SVM控制方法[5]-[7]。但是由于電平數(shù)目的增加,多電平逆變器的開關(guān)矢量與開關(guān)狀態(tài)數(shù)目也急劇增加,這使目前的各種多電平SVM方法在算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上存在著以下共同的困難：
1）如何根據(jù)參考電壓矢量,簡(jiǎn)單快速地尋找到與其最接近的三個(gè)開關(guān)矢量,并計(jì)算它們的作用時(shí)間。
2）由于冗余開關(guān)狀態(tài)的存在,在開關(guān)矢量確定后,還將存在大量可供選擇的開關(guān)狀態(tài)組合。如何根據(jù)逆變器性能優(yōu)化目標(biāo),簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地確定最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)組合。
在尋找開關(guān)矢量時(shí),傳統(tǒng)的多電平SVM算法大多都是將復(fù)雜的多電平空間矢量圖劃分為小三角形區(qū)域并分區(qū)編號(hào),不僅算法設(shè)計(jì)十分復(fù)雜,在DSP等微處理器上實(shí)現(xiàn)時(shí)也需占用較長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間,并且在電平數(shù)目變化時(shí)算法的通用性較差。目前也有研究開始嘗試尋求簡(jiǎn)單、快速并通用的多電平SVM算法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)三電平逆變器,提出將三電平空間矢量圖分為六個(gè)六邊形區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域內(nèi)采用二電平SVM方法尋求開關(guān)矢量,提供了一種較好的思路,但是對(duì)于更多電平數(shù)目的情況仍未提出有效的通用解決方案。文獻(xiàn)[7]將空間矢量圖的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到60度角坐標(biāo)系,提出了一種較為快速并通用的多電平SVM算法,但仍建立在復(fù)雜的幾何關(guān)系上,算法設(shè)計(jì)仍顯復(fù)雜。
開關(guān)矢量確定后,開關(guān)狀態(tài)選擇是SVM算法的另一個(gè)重要問題,并且與逆變器性能優(yōu)化控制密切相關(guān),例如多電平逆變器的直流電壓平衡控制、開關(guān)器件負(fù)荷平衡控制等等。但是開關(guān)狀態(tài)的選擇包括冗余開關(guān)狀態(tài)的確定、開關(guān)狀態(tài)作用時(shí)間及輸出順序的確定等多個(gè)問題,并且存在大量可供選擇的組合,根據(jù)具體的優(yōu)化目標(biāo)直接確定最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)組合是十分復(fù)雜和困難的。并且直接從開關(guān)狀態(tài)的角度出發(fā),很難對(duì)逆變器性能優(yōu)化控制問題得到本質(zhì)上的認(rèn)識(shí)。目前對(duì)于多電平SVM算法中開關(guān)狀態(tài)選擇問題仍缺乏有效的研究。
本文對(duì)多電平SVM算法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。針對(duì)開關(guān)矢量選擇問題,提出參考電壓分解的方法,將參考電壓矢量分解成偏移矢量與二電平矢量,使任何電平數(shù)目的SVM算法問題都簡(jiǎn)化成為一個(gè)二電平SVM算法問題,以使算法簡(jiǎn)單、快速并且適用于任何電平數(shù)目。針對(duì)開關(guān)狀態(tài)的選擇問題,提出基于零序電壓等效的SVM波形控制方法,使多電平SVM算法的開關(guān)狀態(tài)選擇問題與逆變器性能優(yōu)化控制問題得到有機(jī)結(jié)合。最后給出了所提多電平SVM算法在DSP脈沖發(fā)生器上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果,以及采用所提多電平SVM算法的具體應(yīng)用實(shí)例的仿真結(jié)果。
2 基于參考電壓分解的多電平SVM算法
2.1 多電平SVM算法的基本模型
多電平逆變器的基本思想是用幾個(gè)直流電平電壓來合成交流輸出電壓,所以在功能上可以用圖1所示的多電平逆變器PWM功能等效圖表示。其中N為電平數(shù)目,每個(gè)電平所對(duì)應(yīng)的直流電壓為E。三相交流輸出電壓可以表示成為開關(guān)狀態(tài)的形式,
VSS=(Sa,Sb,Sc)T (1)
逆變器的PWM控制是根據(jù)上層控制算法的參考電壓指令,控制逆變器輸出的開關(guān)狀態(tài)以產(chǎn)生相應(yīng)電壓。三相參考電壓可以表示成為
其中M為調(diào)制比;v0為三相參考電壓中的零序分量,在本文第3節(jié)中將表明這個(gè)零序分量的重要意義。另外零序電壓分量必須使參考電壓滿足以下條件
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