發(fā)布時(shí)間：2021-09-02所屬分類：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 電測(cè)與儀表
《基于矢量分解的多電平逆變器簡(jiǎn)化SVPWM算法》論文發(fā)表期刊：《電測(cè)與儀表》；發(fā)表周期：2021年06期
《基于矢量分解的多電平逆變器簡(jiǎn)化SVPWM算法》論文作者信息：郭佳才( 1988—) ，男，湖南郴州人，工程師，碩士，主要從事多電平變換器方面的研究。
摘要: 為進(jìn)一步提升多電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制( Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 算法的計(jì)算效率，并增強(qiáng)其拓展性，提出了一種基于矢量分解的簡(jiǎn)化算法。介紹了一種基于虛擬作用時(shí)間的兩電平 SVPWM 算 法，不需經(jīng)過(guò)區(qū)域判斷即可實(shí)現(xiàn)基本電壓矢量作用時(shí)間的統(tǒng)一計(jì)算，從而減少算法計(jì)算量; 通過(guò)將參考矢量分解為多電平基本矢量和兩電平參考矢量，將多電平空間中電壓矢量的合成轉(zhuǎn)化到兩電平空間下進(jìn)行，從而簡(jiǎn)化多電平SVPWM 算法的實(shí)現(xiàn)。采用該算法生成多電平基本矢量作用序列及計(jì)算其作用時(shí)間的復(fù)雜度與電平數(shù)無(wú)關(guān)，擴(kuò)展性較強(qiáng)，便于將其應(yīng)用于多電平逆變器中。通過(guò)三相五電平 NPC /H 橋逆變器的 PSCAD 仿真及三電平逆變器的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了所提方法的有效性。
關(guān)鍵詞: 多電平逆變器; SVPWM; PSCAD
Abstract: In order to further improve the computational efficiency and enhance extensibility of space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm for multilevel inverters, a simplified algorithm based on vector decomposition is proposed in this paper. Firstly, this paper presents a novel two-evel SVPWM algorithm based on virtual time, with a unified calculation method to determine the action time of the basic voltage vector. This algorithm can avoid regional judgment, reducing the amount of computation. Then, the implementation of the proposed multilevel SVPWM algorithm is introduced in detail by decomposing the reference vector into multilevel basic vector and two-evel reference vector, the synthesis of voltage vector in multilevel space is transformed to two-evel space. The complexity of generating the sequence of multileve basic vector and calculating its time of action has nothing to do with the specific level of the inverter, which has strong expansibility and is prone to be used in multilevel inverters. The effectiveness of the proposed method is proved by the PSCAD simulation of a three-phase five-Hevel NPC/H bridge inverter and the prototype experiment of the threedevel NPC inverter.
Keywords: multilevel inverters, SVPWM, PSCAD
0 引 言
在中、高功率領(lǐng)域中，多電平逆變器的應(yīng)用日漸廣泛[1-2]。多電平逆變器輸出電壓是由多電平直流電壓合成，因此其輸出電壓波形比二電平逆變器更平滑。在多電平逆變器脈沖寬度調(diào)制( PWM) 技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的是 SPWM 和 SVPWM。
載波移相調(diào)制技術(shù)( Carrier Phase-shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation，CPS-PWM) 因具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)被用于對(duì)模塊化多電平逆變器進(jìn)行控制等場(chǎng)合[3-4]。與 SPWM 相比，SVPWM 具有直流電壓利用率高、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[5]，各種具有特定功能的 SVPWM 算法相繼被提出[6-7]。一般來(lái)說(shuō)，SVPWM的實(shí)現(xiàn)包括電壓參考矢量的扇區(qū)識(shí)別、開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算、確定開(kāi)關(guān)矢量和切換順序等步驟4]。由于基本電壓矢量的數(shù)量與輸出電平數(shù)之間滿足三次方關(guān)系，隨電平數(shù)增多，算法中開(kāi)關(guān)狀態(tài)作用時(shí)間計(jì)算等步驟的程序耗時(shí)急劇增加，導(dǎo)致傳統(tǒng)SVPWM算法僅適用于輸出電平數(shù)較低的場(chǎng)合[0。因此，多電平SVPWM的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)引起了眾多學(xué)者的研究。對(duì)于扇區(qū)判斷，可以通過(guò)采用坐標(biāo)變換[12或多次比較三相參考電壓回等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。最優(yōu)矢量切換順序可用查表法確定回，而基本矢量作用時(shí)間的計(jì)算可通過(guò)將多電平參考矢量映射到三電平空間下的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)減小計(jì)算量[1。更進(jìn)一步地，為簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)狀態(tài)的確定，使基本矢量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，避免冗余現(xiàn)象，文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于三維空間實(shí)現(xiàn)的多電平SVPWM算法。
為簡(jiǎn)化多電平SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)，本文在文獻(xiàn)05]的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了多電平參考矢量所在區(qū)域的判定以及兩電平空間下開(kāi)關(guān)矢量的作用時(shí)間計(jì)算和作用順序確定等步驟。該方法首先根據(jù)參考矢量的幅值和相位，確定用于進(jìn)行矢量分解的多電平基本矢量，進(jìn)行矢量分解：然后，利用基于虛擬作用時(shí)間的兩電平SVPWM算法來(lái)得到兩電平優(yōu)化開(kāi)關(guān)序列;最后，結(jié)合多電平基本矢量，通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)反修正得到多電平開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列。利用PSCAD仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了本文理論的正確性。
1 基于虛擬作用時(shí)間的兩電平調(diào)制算法
1. 1 具體實(shí)現(xiàn)方法
兩電平電壓矢量空間如圖 1 所示。
將表1與文獻(xiàn)5]中根據(jù)傳統(tǒng)兩電平SVPWM算法計(jì)算所得基本矢量?jī)?yōu)化作用序列完全一致。
綜上，采用本文所設(shè)計(jì)的基于虛擬作用時(shí)間的兩電平SVPWM算法，無(wú)需傳統(tǒng)兩電平算法中的參考矢量區(qū)域判定：采用統(tǒng)一的計(jì)算公式直接根據(jù)參考矢量得到各基本矢量的作用時(shí)間，生成優(yōu)化開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列，省去按區(qū)調(diào)整作用時(shí)間計(jì)算方式的步驟。
2多電平SVPWM簡(jiǎn)化算法
本節(jié)將以五電平逆變器為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)多電平SVPWM簡(jiǎn)化算法的具體實(shí)現(xiàn)思路。
2.1基本電壓矢量
用數(shù)字組合"y2"來(lái)表示三相五電平逆變器A、B C各相輸出相電壓的電平狀態(tài)，其中，xy、z分別可取0.1.2.3.4五種電平狀態(tài)"0"代表該相此時(shí)的輸出電壓為"-v./2"電平狀態(tài);類似地"1"代表“-V4/4"電平狀態(tài)："2”代表"0"電平狀態(tài)"3”代表“V44"電平狀態(tài)"4"代表"V/2"電平狀態(tài)。從而，五電平電壓矢量空間可表示如圖3所示。圖3中，各矢量所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)均只寫(xiě)出一個(gè)。
2. 2 矢量空間分區(qū)及基本矢量選取
對(duì)于圖 4 中的每一層，將該層外接正六邊形上的所有三角形頂點(diǎn)與正六邊形的中心連接起來(lái)，將該層劃分為若干個(gè)區(qū)域，并且合并六邊形六個(gè)頂點(diǎn)附近的兩個(gè)區(qū)域，據(jù)此對(duì)整個(gè)矢量空間中的各層進(jìn)行分區(qū)。 以 L3和 L4層為例，其分區(qū)情況分別如圖 5( a) 、圖 5( b)所示，其他層可同理劃分。
為實(shí)現(xiàn)矢量分解，需確定各個(gè)分區(qū)中所要用到的多電平基本矢量。基本矢量的選取原則為：各個(gè)區(qū)域中，以基本矢量頂點(diǎn)為中心的兩電平六邊形空間組合起來(lái)應(yīng)覆蓋整個(gè)分區(qū)，使得當(dāng)參考矢量頂點(diǎn)落在該區(qū)域時(shí)，總能找到一個(gè)多電平基本矢量，將參考矢量分解為該基本矢量與一個(gè)兩電平矢量。根據(jù)該原則，在五電平SVPWM中，對(duì)于1，和1，層，本文所選取的多電平基本矢量如圖5所示。對(duì)于空間中的其他分區(qū)，可同理選取相應(yīng)的多電平基本矢量。
2.3簡(jiǎn)化算法
根據(jù)前述區(qū)域劃分方法，對(duì)于五電平空間中線性調(diào)制范圍內(nèi)的任意參考矢量V，均可用有序組合
"LxSx"來(lái)唯一確定其所在區(qū)域。
假定某一時(shí)刻V，位于圖5所示LS，區(qū)域，結(jié)合圖3與圖5，可知此時(shí)用于對(duì)V，進(jìn)行分解的多電平基本矢量V。為"330"，在確定V。之后，經(jīng)下式計(jì)算得到兩電平空間下的參考矢量V：
在得到V，之后，再利用本文第一節(jié)所介紹兩電平SVPWM算法計(jì)算得到兩電平優(yōu)化開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列。然后，結(jié)合上v。經(jīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)反修正即得多電平開(kāi)關(guān)序列。
對(duì)于圖4中矢量V，經(jīng)矢量分解后所得的v，位于圖1中的區(qū)域111因此與其對(duì)應(yīng)的兩電平開(kāi)關(guān)序列為：
(000)→(010)→(011)→(111)→(011)→(010)(000)。將此序列加上V。所對(duì)應(yīng)的電平狀態(tài)"330"，即得五電平開(kāi)關(guān)序列：(330)→(340)→(341)→(441)→(341)→(340)→(330)，開(kāi)關(guān)序列經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后用于對(duì)逆變器進(jìn)行控制
綜上，本文所設(shè)計(jì)的多電平SVPWM簡(jiǎn)化算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
(1)針對(duì)具體的N電平逆變器，對(duì)其電壓矢量空間進(jìn)行分區(qū)，也即確定好1，和S，;
(2)確定各分區(qū)"L，S，"中的N電平基本矢量
(3)根據(jù)給定的N電平參考矢量V，利用其幅值和相角確定出其所屬分區(qū)"L，S，"，從而找到相對(duì)應(yīng)的N電平基本矢量Vo：
(4)經(jīng)矢量減法得到兩電平參考矢量v，通過(guò)采用基于虛擬作用時(shí)間的兩電平調(diào)制算法計(jì)算出兩電平空間下的開(kāi)關(guān)序列：
(5)利用Vo，經(jīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)反修正即可得N電平開(kāi)關(guān)序列。
需要指出的一點(diǎn)是，上述步驟中(1)和步驟(2)為基本準(zhǔn)備工作，在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)事先完成。
3仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1五電平仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性，搭建了三相五電平NPC/H橋逆變器PSCAD仿真模型，具體仿真參數(shù)為：直流側(cè)電壓600 v，開(kāi)頻率20 kHz，三相電阻負(fù)載50 2，濾波電感20 mH，三相參考電壓頻率50 Hz。考慮到驗(yàn)證的全面性，本文在高低兩種調(diào)制度下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。
分析圖6可知，當(dāng)m=0.173時(shí)，參考矢量位于L，層，此時(shí)逆變器A相輸出電壓相對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)只有"1"、"2、"3”三種電平狀態(tài)，AC線電壓為5電平，負(fù)載相電壓約為60 V：隨著調(diào)制度的上升，參與合成參考矢量的基本矢量中所含的電平狀態(tài)種類有所增加，根據(jù)圖7，當(dāng)m=0.6時(shí)，逆變器A相輸出電壓相對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)呈現(xiàn)五電平，AC線電壓為9電平，負(fù)載相電壓約為210V。所得仿真結(jié)果的波形效果與文獻(xiàn)[6]中采用基于三電平簡(jiǎn)化的多電平SVPWM算法基本一致。
3.2 三電平實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為進(jìn)一步驗(yàn)證文中理論研究的正確性，利用三電平逆變器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與3.1節(jié)仿真設(shè)置相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用Boost三電平斬波器來(lái)平衡直流側(cè)中點(diǎn)電位，保證逆變器正常工作。
在不同調(diào)制度下，分別統(tǒng)計(jì)本文所提算法和傳統(tǒng)算法[7]的程序各執(zhí)行1200次的用時(shí)，求出單次平均用時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8 所示。
根據(jù)圖 8 可知，在整個(gè)線性調(diào)制范圍內(nèi)，所提算法的程序執(zhí)行時(shí)間較傳統(tǒng)算法縮短約 55% 。
當(dāng)設(shè)置參考矢量的幅值為 100 V 時(shí)，所得調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 9 所示。
由圖 9 可知，在本文所設(shè)計(jì)多電平 SVPWM 簡(jiǎn)化算法的 控 制 作 用 下，逆變器的輸出電壓波形品質(zhì)良好。
綜上，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可知本文所設(shè)計(jì)多電平SVPWM簡(jiǎn)化算法在保證輸出波形質(zhì)量與傳統(tǒng)多電平SVPWM算法相同的同時(shí)，可降低算法復(fù)雜度，減少程序耗時(shí)。
4結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)傳統(tǒng)多電平逆變器的SVPWM算法在拓展性、計(jì)算效率方面的不足進(jìn)行針對(duì)性研究，提出一種基于矢量分解的簡(jiǎn)化算法，經(jīng)理論分析與仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：
(1)本文提出一種基于虛擬作用時(shí)間的兩電平SVPWM算法，可直接根據(jù)兩電平參考矢量三相電壓值生成開(kāi)關(guān)序列，無(wú)需區(qū)域判斷，可以避免視區(qū)域情況分配基本矢量的作用時(shí)間等步驟，從而提高了計(jì)算效率
(2)以(1)中所述兩電平算法為基礎(chǔ)，提出一種適用于N電平逆變器的SVPWM簡(jiǎn)化算法。該算法中，基本矢量作用時(shí)間的計(jì)算與電平數(shù)無(wú)關(guān)，拓展性較強(qiáng);
(3)本文所提算法可減少程序執(zhí)行時(shí)間，降低對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求，適用于需要使用電平數(shù)較高的多電平逆變器應(yīng)用場(chǎng)合。
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