3相3級(jí)逆變器的中心對(duì)齊SVPWM實(shí)現(xiàn)

圖1中，共有3個(gè)NPC腿(R、S和T);每個(gè)腿包括4個(gè)功率開(kāi)關(guān)。每個(gè)腿的4個(gè)功率開(kāi)關(guān)必須在兩個(gè)補(bǔ)償對(duì)中得到控制。Qx1、Qx3(x = R,S,T)為一個(gè)補(bǔ)償對(duì)，Qx2、Qx4為另一對(duì)。因此，對(duì)于每個(gè)腿而言，它可通過(guò)4個(gè)功率開(kāi)關(guān)輸出3個(gè)不同相位的電壓狀態(tài)。

表1 每個(gè)腿的輸出狀態(tài)

當(dāng)控制每個(gè)腿的功率開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)表1)時(shí)共有27個(gè)狀態(tài);每個(gè)狀態(tài)均可映射到α- β坐標(biāo)平面矢量圖。27個(gè)矢量可形成18個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。

圖2 3相3級(jí)逆變器SVPWM矢量圖[!--empirenews.page--]

假設(shè)基準(zhǔn)矢量Vref。根據(jù)SVPWM理論，我們必須在圖2中找出兩個(gè)最接近的矢量Vx、Vy以及一個(gè)零矢量Vz，以組成矢量Vref。圖2顯示了Vref和Vx、Vy、Vz之間的關(guān)系。因此，我們可以選擇矢量PNN(Vx)、PNN(Vy)和NNN(Vz)，形成Vref。如果規(guī)定間隔Ts內(nèi)Vx、Vy、Vz的停頓時(shí)間分別為T(mén)x、Ty、Tz，則可得到如下函數(shù)：

但是，僅僅通過(guò)2級(jí)SVPWM中使用的角度還很難確定Vx、Vy、Vz，因?yàn)榧词菇嵌认嗤?，但基?zhǔn)矢量可位于不同扇區(qū)內(nèi)。為了確定該扇區(qū)，需要基準(zhǔn)矢量的大小，但它會(huì)增加計(jì)算方法的復(fù)雜度。

[1]和[2]介紹了一種計(jì)算Vx、Vy、Vz的簡(jiǎn)單方法。首先，圖2所示整個(gè)矢量圖被分為6個(gè)主扇區(qū)。每個(gè)主扇區(qū)包含10個(gè)原始扇區(qū)，其會(huì)形成一個(gè)子六邊形。這6個(gè)主扇區(qū)呈60度角差連續(xù)分布。圖3顯示了這6個(gè)主扇區(qū)。

圖3 3級(jí)SVPWM的主扇區(qū)

給定基準(zhǔn)矢量Vref情況下，可僅利用該角度計(jì)算主扇區(qū)。例如，圖4中，Vref和α軸之間角度θ為+60度到-60度，其意味著Vref主扇區(qū)為扇區(qū)1。

圖4 主扇區(qū)1

在計(jì)算出主扇區(qū)以后，它必須把初始矢量映射到所選主扇區(qū)內(nèi)。映射算法如下：

例如，主扇區(qū)1的初始矢量為PPP(OOO，NNN)、POP(NON)、PNO、PNN、PON、PPO(OON)、POO(ONN)。為了獲得類(lèi)似于2級(jí)SVPWM的六邊形，把POO(ONN)作為映射矢量Vmap1=V0。在映射以后，我們可得到圖5所示六邊形，其與2級(jí)SVPWM的矢量圖一樣。在該六邊形中，共有7個(gè)映射矢量，其在六邊形中形成6個(gè)子扇區(qū)。

圖5 主扇區(qū)1映射

表2 每個(gè)主扇區(qū)的映射矢量

3 主扇區(qū)計(jì)算簡(jiǎn)單方法

利用α- β坐標(biāo)平面Vref角度，可計(jì)算出該主扇區(qū)。如圖2和圖3所示，每個(gè)主扇區(qū)均位于固定角度范圍內(nèi)。例如，第一個(gè)主扇區(qū)的角度范圍為 。還可以計(jì)算第二個(gè)主扇區(qū)的角度范圍，其為 。因此，第一個(gè)和第二個(gè)主扇區(qū)之間的重疊區(qū)域，會(huì)延伸到兩個(gè)相鄰區(qū)域。這些重疊區(qū)域增加了主扇區(qū)的計(jì)算難度。為了規(guī)定每個(gè)扇區(qū)的獨(dú)占角度區(qū)域，我們可重新定義主扇區(qū)，如圖6所示。[!--empirenews.page--]

圖6 主扇區(qū)新定義

利用圖6所示定義，每個(gè)主扇區(qū)都有其自己的角度區(qū)域及其自己的子扇區(qū)。

鑒于圖7所示3相電壓波形，相應(yīng)主扇區(qū)被標(biāo)記在正確位置。由圖7，表3總結(jié)了主扇區(qū)編號(hào)與3個(gè)相位元素之間的關(guān)系，其可幫助輕松確定主扇區(qū)。

圖7 主扇區(qū)位置

表3 主扇區(qū)確定方法

4 子扇區(qū)過(guò)程

在2級(jí)SVPWM中，第1步是找出可確定停頓矢量的扇區(qū)編號(hào)。第2步是，計(jì)算每個(gè)所選矢量的停頓時(shí)間。根據(jù)第1章中3級(jí)SVPWM原則，當(dāng)確定主扇區(qū)且所有矢量均映射到主扇區(qū)時(shí)，可使用與2級(jí)SVPWM相同的過(guò)程來(lái)確定子扇區(qū)，并計(jì)算每個(gè)停頓矢量的停頓時(shí)間。這種過(guò)程算法在許多文章中都有介紹，因此本文將不再討論子扇區(qū)確定方法和停頓時(shí)間計(jì)算方法。

盡管我們可以通過(guò)子扇區(qū)方法找出每個(gè)矢量的停頓時(shí)間，但是每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的占空比分布比2級(jí)SVPWM要復(fù)雜得多。3級(jí)SVPWM擁有6對(duì)補(bǔ)償功率開(kāi)關(guān)，其意味著，當(dāng)我們得到所選矢量的停頓時(shí)間時(shí)，必須計(jì)算出6個(gè)占空值。為了簡(jiǎn)化占空比計(jì)算過(guò)程，本文介紹一種有效的方法，用于輕松地計(jì)算每對(duì)功率開(kāi)關(guān)的占空比。

我們同樣以主扇區(qū)1作為例子。根據(jù)圖4，R相位沒(méi)有N狀態(tài)。除此以外，如果選擇OON、ONO和OOO，用于矢量映射，則S和T相位沒(méi)有P狀態(tài)。就R相位而言，用1代替P狀態(tài)，并用0代替O狀態(tài)。就S和T相位而言，用1代替O狀態(tài)，用0代替N狀態(tài)。結(jié)果是，與2級(jí)SVPWM相同的矢量圖。圖8顯示了這種操作過(guò)程。

圖8 狀態(tài)代替

在完成2級(jí)SVPWM過(guò)程以后，可知道3個(gè)矢量的停頓。如圖8所示，Tx為100停頓時(shí)間，Ty為110停頓時(shí)間，而Tz為111和000停頓時(shí)間。因此，我們可以利用中心對(duì)齊PWM輸出模式，計(jì)算出3對(duì)補(bǔ)償功率開(kāi)關(guān)的3個(gè)占空比(d1、d2和d3);本例所得矢量序列為000→100→110→111→110→100→000。圖9左邊顯示了2級(jí)SVPWM中3對(duì)補(bǔ)償功率開(kāi)關(guān)上級(jí)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，其被稱(chēng)作中心對(duì)齊SVPWM。

圖9 2級(jí)逆變器中心對(duì)齊SVPWM

如果我們用P和N分別代替1和0，則我們可得到3級(jí)逆變器中心對(duì)齊SVPWM的右邊部分。3級(jí)SVPWM的矢量序列為：

ONN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN。

正功率開(kāi)關(guān)對(duì)為Qx1和Qx3(x=R、S、T);負(fù)功率開(kāi)關(guān)對(duì)為Qx4和Qx2(x = R、S、T)。我們對(duì)每對(duì)狀態(tài)0和1的定義也與2級(jí)SVPWM相同。因此，對(duì)于主扇區(qū)1而言，在單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，負(fù)R相位對(duì)始終為0，對(duì)于S、T相位而言，正對(duì)始終為0。那么，僅3對(duì)功率開(kāi)關(guān)必須通過(guò)不同的占空比、正R相位對(duì)和負(fù)S、T相位對(duì)控制，其相當(dāng)于2級(jí)SVPWM的3對(duì)功率開(kāi)關(guān)。這意味著，在主扇區(qū)1中，d1可分配給正R相位對(duì)，d2可分配給負(fù)S相位對(duì)，而d3可分配給負(fù)T相位對(duì)。[!--empirenews.page--]

前面分析結(jié)果可擴(kuò)展至其它矢量。表4總結(jié)了狀態(tài)代替，表5列舉了每個(gè)主扇區(qū)的占空比分配情況。

表4 每個(gè)主扇區(qū)的狀態(tài)代替

表5 每個(gè)主扇區(qū)的占空比分配

5 算法實(shí)施

由第4小節(jié)的分析，我們可實(shí)現(xiàn)3級(jí)SVPWM算法。圖10顯示了該軟件流程圖。

圖10 3級(jí)SVPWM算法流程圖

圖10中，所有函數(shù)輸入均為基準(zhǔn)矢量的αβ元素。

RevParkConv為Park反向轉(zhuǎn)換的函數(shù)，由此，我們可以得到3個(gè)相位靜態(tài)元素。

MainSectorCal為通過(guò)表3所列結(jié)果確定主扇區(qū)編號(hào)的函數(shù)。

MapVector為映射基準(zhǔn)矢量至所選主扇區(qū)的函數(shù)。表2列出了映射矢量αβ元素。

Svgen_dq_2_Level為實(shí)現(xiàn)2級(jí)SVPWM過(guò)程的函數(shù)，由此，我們可知道三個(gè)占空比d1、d2和d3。

DutyAssign為通過(guò)表5所列結(jié)果為功率開(kāi)關(guān)對(duì)分配CMPR值的函數(shù)。

6 仿真結(jié)果

為了測(cè)試第5章所討論算法的有效性，我們使用Matlab Simulink Platform得到仿真結(jié)果。所有算法均通過(guò)C代碼s函數(shù)完成，其可輕松移植至現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

仿真條件如下：

l 三相三級(jí)NPC橋

l 開(kāi)關(guān)頻率：10kHz、PWM周期計(jì)數(shù)：3000

l DC側(cè)電壓：700V

l 基準(zhǔn)相到相電壓：(1)200 V/50 Hz;(2)280 V/50 Hz

l LC濾波器參數(shù)：每個(gè)相位，L=9mH，C=4.7μf

l R負(fù)載：每個(gè)相位100Ω

l 無(wú)停滯時(shí)間

圖11仿真結(jié)果

(CH1：基準(zhǔn)電壓;CH2：輸出電壓;CH3：主扇區(qū)計(jì)算;CH4：子扇區(qū)計(jì)算)

圖12 仿真結(jié)果

(CH1：正QR1 PWM;CH2：負(fù)QS2 PWM;CH3：負(fù)QT2 PWM;CH4：主扇區(qū))

圖13 220Vac輸出CMPR值

CH1：R相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH2：S相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH3：T相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH4：主扇區(qū)

圖14 280Vac輸出CMPR值

CH1：R相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH2：S相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH3：T相位正(藍(lán)色)和負(fù)(綠色)的CMPR值

CH4：主扇區(qū)

由圖11-圖14所示仿真結(jié)果，經(jīng)證明，該算法是正確的。這種算法可用于實(shí)現(xiàn)3級(jí)3相逆變器SVPWM。但是，由于沒(méi)有考慮到停滯時(shí)間和DC側(cè)電壓失衡所產(chǎn)生的影響，因此要求做進(jìn)一步的研究。所以，我們必須特別注意這種方法的局限性。

參考文獻(xiàn)

1、《同步與對(duì)稱(chēng)波形三級(jí)VSI改進(jìn)SVPWM算法》，作者：Abdul RahimanBeig，IEEE會(huì)員G.NaraYanan、G.NaraYanan和IEEE資深會(huì)員V.T.Ranganathan。

2、《三級(jí)逆變器新型簡(jiǎn)易空間矢量PWM方法》，作者：IEEE會(huì)員Jae HyeongSeo、Chang Ho Choi和IEEE資深會(huì)員Dong Seok Hyun。

3、《單相三級(jí)NPC逆變器新型SVPWM方法與中點(diǎn)電壓平衡控制法》。

4、中國(guó)廣東省廣州市(510640)中國(guó)南方科技大學(xué)Zhang Zhi、Xie Yun- xiang、Huang Wei – ping、Le Jiang – yuan和Chen Lin。