基于H單元三電平SVPWM移相級聯(lián)的矢量控制系統(tǒng)

趙 克， 王廣林， 孫 力

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

多電平變換器和兩電平變換器相比，具有輸出電壓諧波分量小，能用低壓器件輸出高等級電壓、dU/dt小等諸多優(yōu)點，適合于高壓大容量工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)主電路拓撲結(jié)構(gòu)，級聯(lián)型多電平逆變器可分為二極管箝位型、電容鉗位型和單元級聯(lián)型等三類［1-2］。

單元級聯(lián)型結(jié)構(gòu)通常基于傳統(tǒng)的三電平逆變器單元，因此主電路拓撲結(jié)構(gòu)非常簡單，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個逆變橋由相互獨立的直流電壓源供電，不存在中性點電壓不平衡問題。單元級聯(lián)技術(shù)降低了逆變系統(tǒng)對開關(guān)器件的耐壓要求，同時獲得了更高的等效開關(guān)頻率，大大降低了開關(guān)損耗，進一步改善了輸出波形。

為了提高電壓利用率，改善諧波特性，SVPWM可以應(yīng)用于級聯(lián)型逆變器。二極管嵌位型三電平和H單元二電平SVPWM的相關(guān)研究已有很多文獻［3-6］。本文把三電平SVPWM、數(shù)字移相技術(shù)及矢量控制結(jié)合應(yīng)用于級聯(lián)型逆變系統(tǒng)。

1 H單元三電平SVPWM

H橋型拓撲結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)

該三電平逆變器每相電壓輸出有3種狀態(tài):－1，0，1，三相輸出共27種狀態(tài)，其中包括6個長矢量，6個中矢量，12個短矢量和3個零矢量。長矢量 U7、U9、U11、U13、U15、U17將空間矢量圖分為Ⅰ～Ⅵ六個正三角形扇區(qū)，每個扇區(qū)又被中矢量和短矢量分割成4個小三角形。圖2為三電平逆變器電壓輸出空間矢量圖。

圖2 三電平逆變器電壓空間矢量圖

零輸出狀態(tài)具有(000)、(111)、(－1－1－1)三種組合，因此，實際輸出的狀態(tài)組合將大大增加，為便于分析，仍認為零狀態(tài)只有一種開關(guān)組合。

三電平SVPWM法的步驟如下:

(1)確定參考電壓矢量Uref;

(2)確定參考電壓矢量Uref所在大扇區(qū);

(3)確定Uref所在小扇區(qū);

(4)確定實際作用的電壓矢量及其順序;

(5)確定實際電壓矢量的作用時間。

實際上，SVPWM的實現(xiàn)有很多方法，文獻［5，7］提到的方法均可實現(xiàn)。為了改善輸出特性，減少共模電壓，通常矢量電平不能從－1到1或從－1到0直接變化，而需經(jīng)零狀態(tài)過渡，采用同一個三角形上的小矢量可以避免扇區(qū)切換時發(fā)生矢量突變。各矢量確定后，依據(jù)臨近三矢量合成原則及伏秒平衡的原則，可得矢量作用時間。

假設(shè)參考電壓矢量由Ua、Ub、Uc三個電壓矢量合成，利用式(1)可計算各矢量的作用時間。

式中，Ta、Tb、Tc分別為矢量 Ua、Ub、Uc作用時間，Ts為空間矢量控制周期，可得到該三角形內(nèi)各矢量作用時間。其作用時間受級聯(lián)單元直流母線電壓和調(diào)制系數(shù)的影響。

再由對稱性可得其他5個扇區(qū)矢量作用時間。采用歸一化算法，將上述各計算公式中θ分別用 θ+60°，θ+120°，θ+180°，θ+240°，θ+300°來代替，即可計算出整個空間的矢量合成時間。

2 級聯(lián)型三單元移相式SVPWM

目前廣泛應(yīng)用的單元級聯(lián)型多電平逆變器采用若干個具有獨立直流電源的低壓逆變功率單元直接串聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓輸出，當(dāng)逆變器級聯(lián)的功率單元數(shù)為N，且各單元均工作在三電平輸出狀態(tài)，其輸出的相電壓電平數(shù)為2N+1，即為七電平。

三單元級聯(lián)逆變電路的電壓空間矢量可分為六大扇區(qū)，每扇區(qū)包含(N－1)2=4個小三角形，而電壓矢量數(shù)多達27個，電壓矢量選擇和矢量作用時間的計算極為復(fù)雜［7］。若由對三電平逆變器的分析擴展開，對于圖3中的N單元級聯(lián)逆變電路，每單元仍可視為一個三電平結(jié)構(gòu)，單元級聯(lián)電路也可采用上述SVPWM的調(diào)制方法。

圖3 N單元級聯(lián)逆變器

如果N單元輸出的電壓矢量相位相同，則逆變器輸出電壓只是在幅值增加，波形仍為三電平。借鑒載波移相SPWM的調(diào)制思想，保證相鄰的兩個單元電壓矢量有一個固定的相位差，使每相N單元的各矢量作用順序一致，就可以生成多電平波形。設(shè)空間矢量的采樣時間為Ts，采用上述空間矢量調(diào)制方法，N單元級聯(lián)逆變電路各單元矢量作用時間的差值為Ts/N。

若采用微處理器實現(xiàn)移相式SVPWM矢量控制，主DSP只需負責(zé)一個三電平逆變單元的矢量計算，其他(N－1)單元的矢量控制信號由FPGA進行移相。數(shù)字移相一般采用延時方法，以延時的長短來決定兩數(shù)字信號間的相位差，當(dāng)SVPWM的控制周期為Ts時，F(xiàn)PGA芯片將PWM控制信號延時Ts/N，2Ts/N，…(N－1)Ts/N，從而得到第二、三、…第N級功率單元的SVPWM控制信號。對于三單元級聯(lián)型逆變器，PWM分配板的每相三路PWM輸出相位差為2π/3。

3 基于雙處理器的移相式SVPWM級聯(lián)三電平H單元矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

單元級聯(lián)型逆變器采用按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，磁場定向依據(jù)Ψrt=0的約束條件。轉(zhuǎn)子磁鏈和機械角速度滿足式(2)。根據(jù)電流模型法，可得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和空間位置角。

系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4 級聯(lián)三電平SVPWM的矢量控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件電路主要包括功率單元、DSP主控制板、PWM分配板及其他外圍電路。主控制板以TI公司TMS320LF2812芯片為核心，實現(xiàn)矢量控制并輸出一單元三電平SVPWM信號;PWM分配板采用 Altera公司 Cyclone芯片EP1C6Q240C8，接收主控制板輸出的PWM信號并對其移相，實現(xiàn)移相式SVPWM輸出;功率驅(qū)動采用SEMIKRON公司的IGBT雙管模塊。

主控制板DSP矢量控制程序采用匯編語言編寫，包括主程序和中斷服務(wù)子程序(見圖5)。主程序完成初始化;中斷服務(wù)子程序是本程序的核心，包括電流采樣環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速測試環(huán)節(jié)、坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子磁鏈位置估算環(huán)節(jié)和 PI調(diào)節(jié)及SVPWM生成等環(huán)節(jié)。

PWM分配板載FPGA芯片采用原理圖法和VHDL語言混合編程實現(xiàn)PWM脈沖移相多路輸出。對于N單元級聯(lián)疊加的逆變器，每相PWM脈沖序列相位相差2π/N。

4 系統(tǒng)仿真及試驗結(jié)果

圖5 DSP中斷服務(wù)子程序流程圖

利用MATLAB的Simulink仿真工具對本文所提出的基于移相式SVPWM的級聯(lián)型多電平矢量控制系統(tǒng)進行仿真。仿真用電機型號為JSQ1512－6，該電機參數(shù)如下:額定電壓Un=6 000 V，額定電流In=88 A，額定功率Pn=780 kW，額定頻率fn=50 Hz，極對數(shù)P=3，額定轉(zhuǎn)速nn=990 r/min，效率 η=0.94，功率因數(shù) cos φ =0.90，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為 1.5，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.1，轉(zhuǎn)動慣量Jn=100 kg·m2。仿真參數(shù)如下:給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，級聯(lián)單元電壓為1 000 V，負載轉(zhuǎn)矩TL=7 000 N·m，在t=10 s后增大負載轉(zhuǎn)矩到TL=9 000 N·m，仿真時間為15 s。此條件下的相電壓、線電壓、電流和轉(zhuǎn)速等如圖6所示。

為檢驗級聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可行性，根據(jù)設(shè)計思想搭建小功率模擬試驗平臺，并在平臺上進行了小功率試驗。所選電機型號為 YTSZ90，電機參數(shù)如下:Un=380 V，In=3 A，Pn=1.1 kW，P=2，nn=1 415 r/min，J=0.003 kg·m2，Tn=7.0 N·m，Rs=3.2 Ω，Rr=4.56 Ω，Ls=0.386 H，Lr=0.712 H，Lm=0.375 H，TL=5.0 N·m。功率單元采用三菱公司PS21869的IPM模塊，額定電壓600 V，額定電流可達50 A，單個IPM模塊就能驅(qū)動3.7 kW的電機，滿足小功率平臺上的電機驅(qū)動要求。模仿大功率情況，將逆變器開關(guān)的最高頻率設(shè)為1 kHz。電機轉(zhuǎn)速設(shè)為n=1 200 r/min時，三單元級聯(lián)疊加輸出的電壓、電流波形如圖7所示。

圖6 級聯(lián)型逆變器矢量控制系統(tǒng)仿真波形

可以看出，三單元級聯(lián)型逆變器相電壓波形為七電平，線電壓波形為十三電平，線電流波形呈現(xiàn)較好的正弦特性，表明本文提出的基于移相式SVPWM的級聯(lián)多電平矢量控制系統(tǒng)是正確和可行的。

圖7 級聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)實驗波形

5 結(jié)語

本文討論的級聯(lián)多電平逆變系統(tǒng)移相式SVPWM方法，解決了以往控制算法存在的電壓矢量選擇困難和計算復(fù)雜的問題，也解決了傳統(tǒng)移相式SPWM應(yīng)用于級聯(lián)型矢量控制系統(tǒng)存在的電壓利用率較低的缺點。采用DSP芯片實現(xiàn)的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法，實現(xiàn)了移相式SVPWM輸出。采用DSP與FPGA雙處理器結(jié)合的方法，具有計算速度快、可靠性高等優(yōu)點，經(jīng)仿真和試驗驗證，該系統(tǒng)是可行的。

［1］周京華，蘇彥民，詹雄.多單元串聯(lián)多電平逆變電源的控制方法研究［J］.電力電子技術(shù)，2003(8):49-51.

［2］付超，石新春，王毅.級聯(lián)型逆變器的空間矢量移相調(diào)制方法［J］.電力電子技術(shù)，2005(10):51-53.

［3］余明鋒，劉志剛，苗春暉.一種三電平逆變器空間矢量PWM控制算法的實現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2005(2):48-50.

［4］AMIT K G，ASHWIN M K.A space vector PWM scheme for multilevel inverters based on two-level space vector PWM［JJ］.IEEE Transactions on industrial electronics，2006(10):1631-1639.

［5］唐雄民，龔理專，彭永進.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.

［6］王琛琛，李永東，高躍.基于通用多電平 SVPWM算法的三電平無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(9):107-111.

［7］JAE H S，CHANG H C.A new simplified space-vector PWM method for three-level inverters［J］.IEEE Transaction on power electronics，2001(7):545-550.

［8］HABIB R，XU L R.A voltage model flux observer design requires no stator resistance or voltage signal information［C］∥APEC，2002(1):299-303.