三級(jí)七電平逆變器SVPWM算法的仿真和實(shí)驗(yàn)研究*

王　翠,章　云,曾　瑄

(1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣州 510006;2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,南昌 330099)

?

三級(jí)七電平逆變器SVPWM算法的仿真和實(shí)驗(yàn)研究*

王翠1,2*,章云1,曾瑄2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣州 510006;2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,南昌 330099)

摘要:級(jí)聯(lián)型多電平逆變器SVPWM算法具有諧波特性好、電壓利用率高、開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn),在高壓大功率逆變器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在α′β′坐標(biāo)平面,對(duì)五段SVPWM算法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)一致,五段調(diào)制算法的輸出零序電壓N0∈{0,±1,±2,±3}/3。一個(gè)采樣周期,五段調(diào)制算法的相電壓變換4次,大大減少了系統(tǒng)的開關(guān)切換頻率。仿真和實(shí)驗(yàn)得到的輸出電壓波形能很好地逼近參考電壓。

關(guān)鍵詞:多電平逆變器;空間矢量調(diào)制;五段算法;開關(guān)頻率;零序電壓

級(jí)聯(lián)型多電平逆變技術(shù)因其輸入功率因數(shù)高、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高壓大容量變頻調(diào)速領(lǐng)域[1、2]。空間矢量脈沖寬度調(diào)制(簡(jiǎn)稱SVPWM)算法具有諧波特性好、電壓利用率高、開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)[3],因此SVPWM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的開關(guān)調(diào)制[4～6]。SVPWM算法,即在一個(gè)采樣周期內(nèi),對(duì)于給定的參考電壓進(jìn)行采樣,并把采樣結(jié)果轉(zhuǎn)換為參考矢量,用最接近參考矢量的3個(gè)基本矢量合成參考矢量。為了保證在3個(gè)基本矢量之間進(jìn)行切換時(shí)的切換路徑封閉[7],通常采用七段式PWM算法。由于七段算法在一個(gè)采樣周期內(nèi)需完成6次電壓切換,其開關(guān)切換次數(shù)比較高,另外,由于七段算法使用了一個(gè)基本矢量的2個(gè)不同實(shí)現(xiàn),這2個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的零序電壓相差一個(gè)單位電平[7],導(dǎo)致輸出零序電壓變化范圍大。為了減少開關(guān)切換次數(shù),并且盡可能縮小零序電壓的變化范圍,本文研究五段式SVPWM算法,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了五段算法的優(yōu)越性。

1　基本矢量合成參考矢量

3級(jí)逆變電路的每相由3個(gè)H橋逆變單元串聯(lián)組成,輸出相電壓(ua,ub,uc)均包含±3E、±2E、±E、0共7個(gè)電平,E為H橋逆變單元的直流電壓。

(1)

以E為基準(zhǔn)歸一化各個(gè)電壓,有

(2)

(3)

N0=(a+b+c)/3

(4)

式中,a,b,c∈{±3,±2,±1,0},稱滿足式(3)的(a,b,c)為基本矢量(α′,β′)的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)SVPWM算法的要求,要實(shí)現(xiàn)在3個(gè)基本矢量之間的切換,逆變器各組開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷切換必須遵守的原則:任意2個(gè)基本矢量之間的切換只能有一個(gè)橋臂的開關(guān)管動(dòng)作,即三相電壓(a,b,c)只能有一相變化,且變化一個(gè)單位電平。

圖1　合成參考電壓矢量的基本矢量

(5)

為了遵守開關(guān)切換的原則,有

(6)

2　五段式SVPWM算法的輸出零序電壓和開關(guān)切換次數(shù)分析

圖1中的ΔV0V1V2,采用五段算法,其頂點(diǎn)之間的切換順序?yàn)?/p>

V0(a0,b0,c0)→V1(a1,b1,c1)→V2(a2,b2,c2)→

V1(a1,b1,c1)→V0(a0,b0,c0)

五段算法在一個(gè)采樣周期內(nèi)相電壓的變換波形如圖2所示,三相橋臂有一相的相電壓不發(fā)生變化,另外兩相的相電壓分別變化2次,即輸出相電壓完成4次基本切換,逆變橋的開關(guān)管完成8次開關(guān)切換動(dòng)作,t0,t1,t2分別表示基本矢量V0,V1,V2的作用時(shí)間。根據(jù)式(4)計(jì)算零序電壓N0的變化幅值為2/3單位電平。

圖2　五段SVPWM算法一個(gè)采樣周期內(nèi)的相電壓變換波形

3　SVPWM算法的仿真

對(duì)五段SVPWM調(diào)制算法進(jìn)行MATLAB仿真,計(jì)算參考電壓矢量實(shí)現(xiàn)的仿真模型如圖3所示,即尋找任意基本矢量(α′,β′)的實(shí)現(xiàn)(a,b,c)并計(jì)算對(duì)應(yīng)的零序分量N0。圖3中的fcn是一個(gè)函數(shù),用于判斷是否滿足-3≤(a0,b0,c0)≤3,如果不滿足-3≤(a0,b0,c0)≤3,則需要進(jìn)行修正,取

圖3　參考電壓矢量實(shí)現(xiàn)的仿真模型

4　SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證五段SVPWM算法,搭建三級(jí)七電平逆變器的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示,逆變器主電路包括9個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和9個(gè)級(jí)聯(lián)單元(級(jí)聯(lián)單元由單相不可控橋式整流模塊和單相全橋逆變器模塊組成,整流模塊為逆變器提供標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓源E),3個(gè)級(jí)聯(lián)模塊串聯(lián)構(gòu)成三相逆變器的一相電路。控制系統(tǒng)包括ARM控制板、FPGA控制板以及液晶顯示屏,ARM控制板主要實(shí)現(xiàn)SVPWM算法,還完成與液晶顯示屏的通訊,液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示電平變換次數(shù),FPGA控制模塊主要完成脈沖分配工作并計(jì)算死區(qū)時(shí)間。

圖4　扇區(qū)三角形的定位仿真模型

圖5　實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

5　實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

圖6給出了一個(gè)周期相電壓的波形圖,仿真時(shí)每周期采樣66次。五段算法各相電壓的變換次數(shù)分別為116、116、116次,三相相電壓一個(gè)周期總的變化次數(shù)為116+116+116=348次,可以推算出逆變器的開關(guān)管一個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)切換次數(shù)為2×348=696次。圖7給出了零序電壓仿真波形,從波形圖上可以看出,五段算法的零序電壓的最大值為±1個(gè)單位電平。

圖8給出了實(shí)驗(yàn)波形,實(shí)驗(yàn)中單相整流模塊的輸入電壓為55 V,負(fù)載電機(jī)為DJ17型三相繞線式異步電動(dòng)機(jī),額定電壓為220 V,額定電流為0.6 A,容量為120 W,轉(zhuǎn)速為1 380 rot/min,頻率為50 Hz,星形連接。

圖6　SVPWM算法的相電壓仿真波形

圖7　SVPWM算法的零序電壓仿真波形

圖8　SVPWM算法的實(shí)驗(yàn)波形

三相相電壓一個(gè)周期內(nèi)的變化次數(shù)分別為112、113、110次,三相相電壓一個(gè)周期內(nèi)總的變化次數(shù)為112+113+110=335次,由此可以推算出逆變器的開關(guān)管一個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)切換次數(shù)為2·335=670次。根據(jù)理論分析,一個(gè)周期內(nèi)采樣66次,每個(gè)采樣周期相電壓需切換4次,另外在不同采樣點(diǎn)之間進(jìn)行切換時(shí)也需要改變相電壓,故相電壓切換次數(shù)大約為ns=4·66+66=330次。從零序電壓實(shí)驗(yàn)波形圖可以看出,零序電壓-55 V≤N0≤55 V。

仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算是一致,但各個(gè)數(shù)據(jù)有微小差異,這是由于在不同采樣點(diǎn)之間進(jìn)行切換時(shí)可能存在2次電壓變換,也可能不存在基本切換導(dǎo)致的。

6　結(jié)論

本文針對(duì)級(jí)聯(lián)多電平電路SVPWM算法,用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了五段算法降低開關(guān)切換頻率和零序電壓的變化范圍。從仿真和實(shí)驗(yàn)波形可以看出,五段調(diào)制算法的輸出零序電壓N0∈{0,±1,±2,±3}/3。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致,從實(shí)驗(yàn)波形可以看出采用五段算法能很好的跟蹤輸出電壓的變化。

參考文獻(xiàn):

[1]李永東,肖曦,高躍.大容量多電平變換器——原理·控制·應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:59-64.

[2]劉昂,歐陽紅林,禹衛(wèi)華,等.H橋級(jí)聯(lián)多電平高壓變頻器的實(shí)驗(yàn)研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(9):1-2,37.

[3]Vander Broek H W,Skudely H C,Stranke G V.Analysis and Realization of a Pulse Width Modulator Based on Voltage Space Vectors[J].IEEE Trans on IA,1988,24(1):142-150.

[4]Yang Zhenyu,Xu Xingtao,Xu Sheng,et al.Research on Eliminating Common-Mode Voltage of Cascaded High-Voltage Inverter Based on SVM[C]//Power and Energy Engineering Conference(APPEEC),2010:1-4.

[5]De Pablo S,Rey A B,Herrero L C,et al.A Graphical Method for SVM Duty Cycles Computation[C]//Application on Two-Level and Multi-Level Inverters.Proceedings of the 13th European Conference on Power Electronics and Application,2009:1-10.

[6]姜旭,肖湘寧,趙洋,等.改進(jìn)的多電平SVPWM及其廣義算法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(4):90-95.

[7]劉錚.多電平逆變器控制矢量調(diào)制算法研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2008

[8]唐雄民,龔理專,彭永進(jìn).一種快速的多電平空間矢量調(diào)制算法研究[J].高電壓技術(shù),2006,32(2):75-77

王翠(1973-),女,漢族,湖南衡陽人,博士,主要從事電力電子技術(shù)、逆變電源技術(shù)的研究,ouyang_wangcui@163.com。

TheSimulationandExperimentalStudyofSVPWMAlgorithmfor3-Cell7-LevelInverter*

WANGCui1,2*,ZHANGYun1,ZENGXuan2

(1.Faculty of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang Intitute of Technology,Nanchang 330099,China)

Abstract:SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)algorithm of cascaded multilevel inverter can get a good harmonic characteristic,high utilization of voltage,low switching frequency,small switching loss etc.Therefore,this technique has been widely used in high voltage and large power inverter.On the α′β′ plane,this paper adopts the five segment SVPWM algorithm to conduct the simulation and experiment study.The simulation and experiment results are consistent with the theoretical derivation.The output zero order voltage N0 of the five segment algorithm is N0∈{0,±1,±2,±3}/3.In a sampling period,the number of changes of three phase voltages is 4.The system’s switching frequency is greatly reduced.As well,the output voltage waveforms of simulation and experiment can track the changing reference voltage very well.

Key words:multi-level inverter;space vector modulation(SVM);five segment algorithm;switching frequency;zero order voltage

中圖分類號(hào):TM343

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0787-04

doi:EEACC:811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.044

收稿日期:2013-08-01修改日期:2013-08-26

項(xiàng)目來源:江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ13767);江西省科技支撐項(xiàng)目(20133BBE50042)