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  • 頭條新方法!徹底解決多電平逆變器采用SVPWM策略的通用性問題
    2021-02-18 作者:陳息坤 李婷娜  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院的研究人員陳息坤、李婷娜,在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,提出基于兩電平SVPWM的矢量移相、虛擬載波移相以及虛擬載波層疊三種簡化多電平SVPWM法。新型控制策略適用于任何級聯(lián)數(shù)的H橋多電平逆變器,徹底解決了模塊化級聯(lián)多電平逆變器采用SVPWM控制策略的通用性問題。

    多電平逆變器使用低耐壓開關(guān)器件即可實現(xiàn)高壓輸出,電壓變化率dV/dt小、輸出電壓電平數(shù)多,具有效率高、電磁干擾低以及輸出電壓諧波特性好等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于柔性交流電傳輸、電機(jī)變頻調(diào)速等中高壓大功率場合。

    相對于鉗位式多電平逆變器(包括二極管鉗位式、飛跨電容式多電平逆變器),H橋級聯(lián)型多電平逆變器不使用鉗位二極管及鉗位電容,因此,不存在復(fù)雜的電容電壓均衡問題;同時,每個H橋功率單元可獨立控制,在輸出電平數(shù)相同的情況下,H橋級聯(lián)型多電平逆變器所需功率器件最少,易于實現(xiàn)模塊化,便于拓展。因此,得到廣泛的應(yīng)用。

    其中,空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)控制策略能明顯減小逆變器輸出諧波成分,降低脈動轉(zhuǎn)矩,且其數(shù)字化實現(xiàn)方便、電壓利用率高,相比于正弦脈寬控制方式優(yōu)勢明顯。但是,其開關(guān)矢量個數(shù)隨著輸出電平數(shù)的增加而呈幾何級數(shù)增加,因此,傳統(tǒng)的SVPWM會占用大量的計算時間,實現(xiàn)難度大,且不具備級聯(lián)單元模塊化設(shè)計所必需的通用性。為配合級聯(lián)型逆變器模塊化的應(yīng)用,目前,相關(guān)文獻(xiàn)針對多電平逆變器SVPWM的通用性做了以下研究。

    有學(xué)者分別采用不同的方法找到SVPWM法的零序電壓,提出向三相調(diào)制波注入零序電壓,并采用多載波脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)方法,從而使得逆變器性能上具備SVPWM法電壓利用率高的優(yōu)點。隨著電平數(shù)的增加,零序分量增加且推導(dǎo)零序分量的過程變得越來越復(fù)雜。不同零序分量對應(yīng)不同的控制效果,目前無相關(guān)研究從理論上全面分析不同零序分量所對應(yīng)的控制效果。因此,零序分量的選擇無所適從。

    有學(xué)者提出一種基于坐標(biāo)變換以及開關(guān)序列映射的SVPWM法,需要坐標(biāo)變換確定參考矢量的位置,并采用兩電平SVPWM法確定占空比。該方法需要一個預(yù)先存儲的映射表來確定開關(guān)序列。而隨著電平數(shù)的增加,開關(guān)序列數(shù)量增加。因此,在應(yīng)用于更高電平數(shù)的逆變器時,需更改映射表且要求更多的內(nèi)存以及更長的映射時間。

    針對相關(guān)文獻(xiàn)所需存儲映射表不具備通用性的缺點,有學(xué)者提出的SVPWM法基于兩個通用的映射表,生成所有可用開關(guān)狀態(tài)及序列,并且提供可調(diào)開關(guān)序列和占空比兩種自由度,使得多電平逆變器性能的優(yōu)化具備更大的靈活性。有學(xué)者提出一種在60°坐標(biāo)系下,采用最近基本矢量代替參考矢量的SVPWM法。但是近似代替會帶來誤差,且不同電平數(shù)對應(yīng)不同的矢量表,仍有失一般性。

    以上文獻(xiàn)所提通用SVPWM法,均對多電平矢量空間進(jìn)行處理,再定位并合成參考矢量。而矢量空間始終會隨著級聯(lián)數(shù)的增加而呈級數(shù)增長,使得計算或存儲表變復(fù)雜,工程實現(xiàn)的便利性較差。另外一種思路是將參考矢量進(jìn)行分解,再由級聯(lián)單元采用兩電平SVPWM合成分解的小參考矢量。

    有學(xué)者針對m單元H橋級聯(lián)多電平逆變器,提出將參考矢量分解成2m個具有一定相移的等幅小矢量,各單元橋臂采用兩電平SVPWM法合成小矢量,并行輸出合成目標(biāo)參考矢量。而相關(guān)學(xué)者研究的不同之處在于:將H橋視為一個單元,各單元采用三電平SVPWM法合成小矢量。該類方法中,每單元基于低電平SVPWM法合成小矢量,并行輸出,具有較強(qiáng)的拓展性與通用性。但是,分解的等幅矢量間存在相位差,使得總電壓利用率不足1.15。

    綜上所述,尋求便于模塊化級聯(lián)多電平逆變器工程應(yīng)用的控制策略,具有重要理論意義及重大應(yīng)用價值。深入研究發(fā)現(xiàn),基于矢量分解的思想可以衍生出一類通用SVPWM簡化算法。

    上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院的研究人員以三相H橋級聯(lián)多電平逆變器作為研究對象,對兩電平SVPWM中的虛擬三角載波與調(diào)制波的控制自由度進(jìn)行解構(gòu)與重組,提出了基于控制自由度組合的簡化SVPWM法控制思想,分析了三種基于該思想的VPS-SVPWM法、VCPS-SVPWM法以及VPD-SVPWM法。

    該類控制算法采用矢量分解的手段,改變了傳統(tǒng)控制策略在繁雜多電平矢量空間定位及合成參考矢量的慣常做法;將復(fù)雜的多電平SVPWM簡化為兩電平SVPWM,各單元并行輸出,提高了系統(tǒng)合成效率與控制精度;最重要的是,該類方法徹底解決了模塊化級聯(lián)多電平逆變器采用SVPWM控制策略的通用性問題;更有意義的是,基于所提出的控制思想,可根據(jù)系統(tǒng)性能的指標(biāo)需求,通過自行組合控制自由度產(chǎn)生相應(yīng)的控制算法。最后,通過理論分析與實驗驗證算法的有效性與可行性。

    VCPS-SVPWM及VPD-SVPWM法僅需一次簡單的矢量分解,各橋臂同一時間合成同一參考矢量,因此,計算量相對于VPS-SVPWM法而言更少;同時,仿真與實驗結(jié)果說明VCPS-SVPWM及VPD- SVPWM法在輸出電壓諧波性能上也略勝一籌。

    該類控制策略的通用性為H橋級聯(lián)多電平逆變器的模塊化架構(gòu)提供了重要技術(shù)支撐,工程上可應(yīng)用于對可靠性要求較高的大功率三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),如發(fā)電廠的給水系統(tǒng)、高爐的引風(fēng)系統(tǒng)及石油管道的增壓系統(tǒng)等。

    以上研究成果已發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“基于控制自由度組合的簡化多電平空間矢量脈寬調(diào)制控制策略”,作者為陳息坤、李婷娜。

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