級聯(lián)型逆變器的新型多電平SVPWM研究

林青松，劉躍敏，蘭冠鵬，范波，2

（1.河南科技大學(xué) 電信學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

1 引言

目前多電平SVPWM的研究，主要集中在錯時采樣SVPWM。錯時采樣 SVPWM（STSSVPWM）技術(shù)是結(jié)合傳統(tǒng)兩電平SVPWM技術(shù)，而得到的一種適合級聯(lián)型多電平逆變器的多電平空間矢量調(diào)制方法。

本文對STS－SVPWM的調(diào)制機理進行研究，針對其不足之處，應(yīng)用一種新型簡化多電平PWM技術(shù)，即單元矢量延時疊加SVPWM（overlap time staggered－SVPWM，OTS－SVPWM）技術(shù)，并將其應(yīng)用于級聯(lián)型逆變器中，通過仿真和實驗驗證了方案的可行性和實用價值。

2 STS－SVPWM 技術(shù)

錯時采樣SVPWM（STS－SVPWM）技術(shù)是將各個級聯(lián)功率單元的采樣時間錯開一個固定的時間，以達到各個級聯(lián)單元輸出電壓矢量相互錯開的目的。即級聯(lián)型逆變器的總輸出電壓矢量可以看作是各個功率單元輸出的小電壓矢量的總和，各個小電壓矢量的幅值相同，只是在空間上相差一定角度。

對于STS－SVPWM技術(shù)，一級單元逆變電路的2個橋臂開關(guān)信號均需采樣計算，總采樣頻率為左橋臂采樣頻率的2倍，對于N單元級聯(lián)型逆變器，采樣頻率為左橋臂采樣頻率的2 N倍，說明采樣頻率隨級聯(lián)數(shù)目的增加成比例增加，采樣周期成比例減小，這無疑提高了對控制芯片運算性能的要求，限制了逆變器的級聯(lián)數(shù)量。

3 OTS－SVPWM 技術(shù)

從調(diào)制方法的結(jié)果來看，錯時采樣得到的多電平PWM輸出，相當(dāng)于對輸出電壓相位進行了移動，而與對同一個矢量通過適當(dāng)?shù)难訒r發(fā)送，得到的多個PWM輸出幾乎一模一樣。而延時發(fā)送與前者相比，幾乎不占用系統(tǒng)內(nèi)存，與采樣頻率和級聯(lián)數(shù)目無關(guān)，算法實現(xiàn)和實時性都會非常好。

從調(diào)制原理上講，通用的兩電平SVPWM基于矢量合成，必須是三相生成。為此，需要一些特殊處理，才能應(yīng)用到H橋。從兩者功能的實現(xiàn)上，即三相的角度來分析，三相一單元H橋和三相通用橋都可以讓電機轉(zhuǎn)，那么，它們在結(jié)構(gòu)上應(yīng)有共同點。可以把H橋左右橋臂分開來看待，如果對左右橋臂分開控制，3個左右橋臂相當(dāng)于2個三相橋。從實現(xiàn)的安全性角度，只要保證同一個橋臂上下2個開關(guān)管不直通，即取反的關(guān)系即可。分開控制與這個安全性要求不沖突。

具體實現(xiàn)上，對單個橋臂施加SVPWM，得到正電平和零電平交替的兩電平信號。如果對SVPWM信號進行邏輯取反得到負電平和零。這時H橋輸出的是2倍幅值的正電平和零電平交替的兩電平信號。如果加上一定的延時，再邏輯取反，即可得到正，零，負交替的三電平PWM信號。

OTS－SVPWM技術(shù)的采樣頻率只是第1個橋臂的采樣頻率，不隨級聯(lián)數(shù)的增加而增加，因此并不額外增加CPU的工作量，而輸出電壓性能影響不大，因而應(yīng)用于級聯(lián)型逆變器拓撲中，具有明顯優(yōu)勢。使得研究者可以把主要精力集中在控制策略的改善上，從而極大地促進了級聯(lián)多電平SVPWM技術(shù)的實用化進程。

4 仿真及分析

為簡化起見，仿真采用 Matlab7.1自帶的SVPWM發(fā)生器，對 STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM進行對比研究。通過仿真，驗證了OTS－SVPWM技術(shù)良好的控制效果。

4.1 級聯(lián)型STS－SVPWM技術(shù)仿真研究

STS－SVPWM技術(shù)電壓利用率高，且便于數(shù)字實現(xiàn)。但由于其基于錯時采樣和矢量合成，需要非常大的系統(tǒng)資源和強大的CPU運算能力。出于實時性控制考慮，本文取級聯(lián)單元數(shù)為3，其總體結(jié)構(gòu)、主電路及脈沖分配如圖1～圖3所示。

圖1 STS－SVPWM總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of STS－SVPWM

圖2 三相3單元STS－SVPWM主電路Fig.2 Three－phase 3unit main circuit of STS－SVPWM

圖3 三相3單元STS－SVPWM脈沖分配圖Fig.3 Three－phase 3unit pulse allotment of STS－SVPWM

圖4中，仿真參數(shù)如下：直流電壓為400V，SVPWM調(diào)制度m＝0.90，采樣頻率fs＝10 kHz。輸出相電壓UA為1200V、7電平的階梯波形，線電壓UAB為2400V、13電平階梯波形。且線電壓UAB，UBC，UCA互成120°。從波形上可以看出，線電壓上下半周輸出電壓波形略有不同，出現(xiàn)一定的脈沖混疊現(xiàn)象。若想保持平衡，須增大采樣頻率。而這個受限于CPU運算速度和系統(tǒng)實時性要求。如果繼續(xù)增大級聯(lián)數(shù)目，對CPU運算能力的要求更高，實時性更差。

圖4 三相3單元STS－SVPWM仿真圖Fig.4 Three－phase 3unit of STS－SVPWM waves

4.2 級聯(lián)型OTS－SVPWM技術(shù)仿真研究

OTS－SVPWM 和STS－SVPWM 主電路結(jié)構(gòu)完全一樣。其差別僅在于脈沖發(fā)生器的處理上。OTS－SVPWM技術(shù)由于其基于矢量合成和依次延時發(fā)送環(huán)節(jié)，只要延遲環(huán)節(jié)取得合適，其不會出現(xiàn)STS－SVPWM常有的脈沖混疊現(xiàn)象。疊加形成的多電平SVPWM波形更加趨于正弦波，諧波含量更少。其相應(yīng)的問題是脈沖量比STS－SVPWM少一些。仍以三相3單元為例，其總體結(jié)構(gòu)和脈沖分配如圖5、圖6所示。

圖5 OTS－SVPWM總體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The overall structure of OTS－SVPWM

圖6 A相3單元OTS－SVPWM脈沖分配圖Fig.6 A－phase 3unit pulse allotment of OTS－SVPWM

兩電平SVPWM是通過空間矢量變換得到的，SVPWM的延時發(fā)送必須加布爾代數(shù)的邏輯取反得到。考慮到信號的延遲造成的積累誤差。這里延遲時間依次增大0.1Ts。即第一個延遲單元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，3。

圖7中，仿真參數(shù)和仿真輸出的波形幅值及相位關(guān)系與圖4中的完全一樣。但OTS－SVPWM仿真時間比STS－SVPWM快得多。輸出波形質(zhì)量也較STS－SVPWM理想，沒有脈沖混疊現(xiàn)象。

圖7 三相3單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.7 Three－phase 3unit of OTS－SVPWM waves

隨著級聯(lián)數(shù)目的增加，采樣周期和單元延遲時間均應(yīng)適當(dāng)減小。如果處理不當(dāng)，很容易造成電平的跳變和電平間的相互抵消。

圖8中，直流電壓為577V，SVPWM調(diào)制度m＝0.90，采樣頻率Ts＝8×10－5s。這里，第一個延遲單元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，…，11。輸出相電壓UA為3500V的13電平階梯波形，線電壓UAB為7000V的25電平階梯波形。盡管線電壓近似UAB，UBC，UCA互成120°，但存在電平波動，波形質(zhì)量較差。

圖8 三相6單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.8 Three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

如果采用改進的SVPWM發(fā)生器，并且把各單元延遲時間一律改為0.00003s。其他電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)與圖5一樣。則可在一定程度上緩解這種情況。SVPWM脈沖發(fā)生器和輸出波形如圖9、圖10所示。

圖9 改進的SVPWM發(fā)生器Fig.9 The improved SVPWM pulse generator

圖10 改進的三相6單元OTS－SVPWM仿真圖Fig.10 The improved three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

圖10中，幅值和相位情況與圖8一致，但沒有較大的電平波動和缺失，波形對稱性良好，得到了近乎完美的多電平SVPWM輸出。

比較 STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM 仿 真情況如下。

1）OTS－SVPWM 的仿真速度比 STS－SVPWM快得多。OTS－SVPWM僅第一個橋臂需要矢量運算，其后續(xù)的實現(xiàn)，只要統(tǒng)一加邏輯運算即可。而STS－SVPWM每個橋臂都需要采樣和矢量運算，占用系統(tǒng)資源，仿真時間很慢。如果有N個單元的三相逆變橋。OTS－SVPWM的運算速度是STS－SVPWM 的2 N 倍。OTS－SVPWM便于實時控制和集成控制。

2）OTS－SVPWM技術(shù)由于其基于矢量合成和依次延時發(fā)送環(huán)節(jié)。只要延遲環(huán)節(jié)取得合適，其不會出現(xiàn)STS－SVPWM常有的脈沖混疊現(xiàn)象。疊加形成的多電平SVPWM波形更加趨于正弦波，諧波含量更少。其相應(yīng)的問題是脈沖量比STS－SVPWM少一些，同時需存在一定的延遲，在系統(tǒng)其它參數(shù)一致的情況下，其脈沖缺失的情況比 STS－SVPWM 嚴(yán) 重。可 見，OTS－SVPWM以犧牲一定的脈沖數(shù)量，來換得更為理想的輸出波形。

3）隨著級聯(lián)數(shù)目的增加，OTS－SVPWM延遲環(huán)節(jié)的考慮更加復(fù)雜，一般而言，需要更小的延遲時間和更高性能的SVPWM脈沖發(fā)生器才能實現(xiàn)其控制效果。OTS－SVPWM技術(shù)應(yīng)用在高壓領(lǐng)域，尚有一些難題。但其便于實時控制和集成控制的優(yōu)點，是STS－SVPWM所無法比擬的。因此，OTS－SVPWM技術(shù)將是研究的熱點。

5 實驗及分析

鑒于實驗室條件限制，采用三相一單元級聯(lián)型H橋結(jié)構(gòu)為實驗平臺。主電路采用3個富士IPM－7MBP75RA120，只用其前兩路構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，通過和3個30V的直流穩(wěn)壓電源互連，構(gòu)成三相一單元結(jié)構(gòu)。控制器采用 DSPTMS320F2812，其共有12個PWM輸出口，剛好可以滿足三相一單元結(jié)構(gòu)的OTS－SVPWM脈沖實現(xiàn)。

采用5段式硬件生成模式得到兩電平三相SVPWM波，采樣周期為10kHz。通過邏輯延遲生成多電平SVPWM波。最終得到相電壓30V的3電平波形和線電壓60V的5電平波形。電機為額定相電壓220V，額定電流8.8A。帶電機空載的逆變器實驗波形如圖11、圖12所示。

圖11 相電壓UA波形圖Fig.11 Phase voltage UAwaveform

圖12 線電壓UAB波形圖Fig.12 Line voltage UABwaveform

OTS－SVPWM在作用效果上，完全可以與STS－SVPWM相媲美。通過帶電機負載測試發(fā)現(xiàn)，在效果上，采用三相一單元H橋結(jié)構(gòu)的5電平OTS－SVPWM比直接加相同幅值的兩電平SVPWM使電機運行更平穩(wěn)，噪聲更小。

6 結(jié)論

OTS－SVPWM技術(shù)以其實時性好和算法簡單的優(yōu)勢，在一定采樣頻率和級聯(lián)單元下，比STS－SVPWM技術(shù)更加具有實用價值。考慮到FPGA等邏輯處理芯片在邏輯處理方面具有的優(yōu)勢，采用DSP＋FPGA的方案可以實現(xiàn)多單元高壓 OTS－SVPWM 技 術(shù)。總 之，OTS－SVPWM技術(shù)在高壓變頻器領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］吳鳳江.四象限級聯(lián)型多電平逆變器拓撲及控制策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：40－61.

［2］王立喬.錯時采樣空間矢量調(diào)制技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2002：57－79.

［3］李建林，王立喬，劉兆燊，等.一種新型的組合變流器錯時采樣空間矢量調(diào)制技術(shù)分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（1）：142－146.

［4］史喆，石新春.級聯(lián)型逆變器的一種新型SVPWM方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（10）：30－35.

［5］Celanovic N，Boroyevich D.A Fast Space Vector Modulation Algorithm for Multilevel Three－phase Converters［J］.IEEE Trans.on Ind.Appl.，2001，37（2）：637－641.

［6］Amit Kumar Gupta，Ashwin M Khambadkone.A Two－level Inverter Based SVPWM Algorithm for a Multilevel Inverter［C］∥The 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electr－nics Society，Bussan Korea，2004：1823－1828.

［7］張瑞臻，孫力，趙克，等.級聯(lián)多電平逆變系統(tǒng)移相式SVPWM 調(diào)制方法研究［J］.微電機，2008，41（2）：1－4.

［8］韋力，靳坤，王明山.一種新型SVPWM調(diào)制方法的研究與實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2010，10（4）：9－12，16.