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基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法.pdf

基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法

用户3491380721
2014-03-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法pdf》,可适用于工程科技领域

基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法宋 强,刘文华,姜齐荣,王仲鸿(清华大学电机系,北京市)摘要:提出了一种新的多电平逆变器的参考电压分解理论,将参考电压矢量分解成为基矢量和二电平矢量。针对目前多电平空间矢量调制方法计算十分复杂的问题,提出了一种新型的基于参考电压矢量分解理论的多电平逆变器空间矢量调制方法。该方法只需要将参考电压的二电平矢量用二电平的空间矢量调制方法合成,这样,多电平的空间矢量调制问题被简化成二电平的空间矢量调制问题,计算过程十分简单和快速。另外,通过归纳的多电平空间矢量的分布规律可以快速地找出所有的冗余开关状态,以便优化输出开关状态组合。提出的方法在理论上适用于任何电平数目,仿真结果验证了它的有效性。关键词:空间矢量调制多电平逆变器电压源逆变器中图分类号:TMTM收稿日期:修回日期:。 引言多电平电压源逆变器(VSI)的应用在近年来已经成为一种趋势,尤其是在高压大容量应用中,例如静止无功补偿器(STATCOM)、大容量UPS、高压变频调速器等~。多电平逆变器不通过器件的直接串联就可以达到提高电压等级的目的,而且交流侧输出电压的谐波性能和dvdt也都大为改善。通常为了提高电压等级或改善装置性能,往往选择较大的电平数目。多电平逆变器的性能受PWM控制策略的影响十分大。在目前的研究和应用中存在着多种多电平的PWM控制策略~,其中以空间矢量调制(spacevectormodulation,缩写为SVM)和载波调制两种方法应用最为广泛。目前不能绝对地说这两种方法哪一个更好,但是广泛认为SVM方法能够更灵活地组合开关模式,并且更易于数字实现。SVM的基本原理是利用与参考电压矢量最接近的个开关矢量组合,并控制它们的作用时间,使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考电压矢量相等。基于这个原理,许多研究提出了一些多电平SVM方法。但是这些方法大多仍局限于在复杂的多电平空间矢量图中寻找参考电压矢量所在的小三角形(其顶点处的个开关矢量就是与参考电压矢量最接近的个开关矢量)及计算作用时间,这使SVM算法十分复杂,并需要占用较长的计算时间。另外,在电平数目发生变化时需要重新设计算法,而且,电平数目较大时的计算可能复杂得难以实现。为此,本文根据多电平逆变器的实际物理意义和特点,提出了多电平逆变器的PWM等效模型,并据此提出了参考电压分解理论,即参考电压被分解成基分量和二电平分量。根据这个分解理论,提出了一种新型的多电平SVM方法。另外,由于多电平逆变器存在大量的冗余开关状态,而冗余开关状态的选择和输出顺序对于控制直流电压的平衡和器件负荷的平衡具有重要作用。为了根据某个开关矢量快速找到其对应的所有冗余状态,本文还系统地归纳了一些重要的空间矢量分布规律。 PWM等效模型及参考电压分解理论 多电平逆变器的PWM等效模型图是为了分析多电平PWM方法而建立的多电平逆变器的PWM等效模型。在这个模型中,一个N电平逆变器被看成是由N个二电平逆变器组成的,所有直流电压都被假设为相等并恒定。需要指出的是,模型中的直流电源与开关并不与实际逆变器中的器件相对应,而只是功能上的等效。本文中所有电压均为标幺值,计算基值为单个直流电压。在每个开关时刻,三相输出电压瞬时值可以用开关状态(switchingstates)的形式表示为:VSS=vsa,vsb,vscT()式中:vsi=,,⋯,Ni=a,b,c。 三相参考电压分解三相参考电压也可以表示为:VRS=vrefa,vrefb,vrefcT()式中:<vrefi<Ni=a,b,c。图所示为A相参考电压的示意图。可以看第卷 第期年月日            Vol NoOct,图 多电平逆变器PWM等效模型Fig PWMequivalentmodelformultilevelVSI出,每相参考电压必然位于两个相邻的整数之间,这一点十分重要。这样,参考电压可以表示为:vrefi=mivtwli()式中:mi为参考电压的整数部分,mi=,,⋯,Nvtwli为三相参考电压的二电平分量i=a,b,c。图 A相参考电压示意图Fig ReferencevoltageofphaseA将式()代入式(),三相参考电压可以表示为两部分之和:VRS=ma,mb,mcTvtwla,vtwlb,vtwlcT()定义其中一部分为三相参考电压的基分量:VRS(base)=ma,mb,mcT()另一部分为三相参考电压的二电平分量:VRS(twl)=vtwla,vtwlb,vtwlcT()参考电压的基分量在每个控制周期内是保持不变的而二电平分量通过坐标变换后可以看成是一个二电平逆变器的参考电压矢量,并且可以采用二电平PWM方法合成。这就是本文提出的多电平SVM方法的理论基础。 新型的多电平SVM方法 参考电压矢量的分解如前面所述,参考电压的分解是在a,b,c三相坐标系中完成的。这样,计算时可以先在参考电压中加入零序电压分量,以使PWM方法的最大调制比达到。在每个采样时刻需要加入的零序分量可以像二电平方法一样通过如下方式得到,:vzero=vmaxvminN()式中:vmax=max(vrefa,vrefb,vrefc)vmin=min(vrefa,vrefb,vrefc)N为电平数目。这样,参考电压矢量的基分量VRS(base)和二电平分量VRS(twl)可以通过已经加入零序分量的三相参考电压值计算如下:VRS(base)=intvrefa,intvrefb,intvrefcT()VRS(twl)=VRSVRS(base)()式中:函数intx表示对参数x取整数部分。SVM方法是在��坐标系中完成的。三相参考电压和逆变器的开关状态都可通过Park变换表示为��坐标系中的空间矢量形式,转换矩阵为:C= ()如式()所示,开关状态可以表示为开关矢量(switchingvector)的形式。VSV=CVSS()如式()所示,三相参考电压可以表示为参考电压矢量(referencevector)的形式,并可以分解成参考电压的基矢量和二电平矢量。VRV=VRV(base)VRV(twl)=CVRS(base)CVRS(twl)()式中,二电平矢量可以写成幅值与位置角度的形式:VRV(twl)=VRV(twl)∠。图为一个四电平逆变器空间矢量在��坐标系中分布的例子。图中每个开关矢量的位置处标出了与其对应的开关状态。显然,由于Park变换的作用,对应于同一个开关矢量可能有多个开关状态,一般定义其为冗余开关状态。同样,三相参考电压中的零序电压也不能反映在参考电压矢量中。如图示,多电平SVM的基本原理是选择个与参考电压矢量最接近的开关矢量VSV,VSV,VSV组合,并控制它们的作用时间T,T,T满足:VRVTS=VSVTVSVTVSVT()式中:TS为控制周期。 二电平SVM方法合成二电平分量参考电压的基矢量必定是与一个(N)电平逆变器的开关矢量相对应的,所以,它可以不通过任何PWM方法直接用这个开关矢量等效。这样,问题就被简化为如何合成参考电压的二电平矢量,并可通过二电平SVM方法很容易地得到。如图所示,参考电压二电平矢量可以看成是一个二电平逆变器的参考电压矢量。由二电平SVM方法,可以很容易 图 四电平逆变器的空间矢量分布Fig SpacevectorsallocationinacaseoffourlevelVSI地根据参考电压矢量分布在哪一个°扇区来选择个开关矢量VSV(twl),VSV(twl),VSV(twl),并控制它们的作用时间以等效二电平分量:VRV(twl)TS=VSV(twl)TVSV(twl)TVSV(twl)T()图 二电平矢量作为二电平逆变器的参考电压矢量Fig TwolevelvectorasreferencevoltagevectorofatwolevelVSI假设二电平分量位于图中的第个°扇区,开关矢量的作用时间可用式()计算,其余扇区的计算方法类似。T=TSVRV(twl)sin!sin!T=TSVRV(twl)sinsin!T=TSTT() 多电平开关矢量当然,SVM方法的目标是用多电平开关矢量来合成多电平参考电压矢量,这只要用已经得到的二电平开关矢量与参考电压的基矢量相加即可。计算如下:VSV=VRV(base)VSV(twl)VSV=VRV(base)VSV(twl)VSV=VRV(base)VSV(twl)()各开关矢量的作用时间仍用式()计算求得。这样,多电平SVM方法中开关矢量的选择和它们的作用时间的计算就已经完成,计算过程十分简单和快速。此方法原理上适用于任何电平数目。 冗余开关状态的选择冗余开关状态在平衡直流电压和器件负荷的控制策略中起着重要的作用。所以,对应某个开关状态VSS=vsa,vsb,vscT的所有冗余开关状态都必须被快速地找出来,以便优化开关状态的输出,得到更好的性能。通过一些重要的空间电压矢量分布规律,可以快速和容易地找出所有冗余开关状态。首先,如图所示,所有开关矢量都位于N个以原点为中心的等边六边形的边上。这里,我们认为原点是一个半径为的六边形。在同一个六边形上的开关矢量将产生相同的最大线电压,并与其他六边形上的开关矢量不同,可以表示为:vLL(max)=max(�vsab�,�vsbc�,�vsca�)()式中:vsik=vsivski,k=a,b,c。在同一个六边形上的开关矢量具有相同的冗余开关状态数目,可以计算如下:nredu=NvLL(max)()定义一组冗余开关状态的最小值为:VSSmin=vsa,vsb,vscTvssmin,vssmin,vssminT()式中:vssmin=min(vsa,vsb,vsc)。最后,可以找出对应VSV的所有的冗余开关状态:VSSk=VSSmink,,T()式中:k=,,⋯,nredu。具体输出哪个冗余开关状态以及它们的输出顺序,需要根据直流电压和器件负荷的平衡策略决定。 仿真结果提出的多电平SVM方法通过PSCAD仿真进行了验证。图所示为一个三电平和七电平仿真结果的线电压波形及其频谱。调制比均为,载波比(控制频率与基波频率之比)为。 结语本文所提方法在原理上可以适用于任何电平数·学术研究· 宋 强等 基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法图 仿真结果的线电压波形及其频谱Fig SimulationresultsfortheproposedSVMmethod目及拓扑结构,这也使通用的多电平PWM控制研究成为可能。另外,通过本文总结的多电平空间电压矢量分布规律,可以快速地找出所有冗余开关状态,这对于直流电压和器件负荷的平衡控制十分重要。参考文献 NabaeAN,TakahashiI,AkagiHANewNeutralpointclampedPWMInverterIEEETransonIndustryApplication,,():~ HammondPWANewApproachtoEnhancePowerQualityforMediumVoltageACDrivesIEEETransonIndustryApplication,,():~ LaiJS,PengFZMultilevelConvertersANewBreedofPowerConvertersIEEETransonIndustryApplication,,():~ MenziesRW,SteimerP,StieinkeJKFivelevelGTOInvertersforLargeInductionMotorDrivesIEEETransonIndustryApplication,,():~ CarraraC,GardellaS,MarchesoniM,etalANewMultilevelPWMMethod:ATheoreticalAnalysisIEEETransonPowerElectronics,,():~ SteinkeJKSwitchingFrequencyOptimalPWMControlofThreelevelInverterIEEETransonPowerElectronics,,():~ LeeYH,SuhBS,HyunDSANovelPWMSchemeforaThreelevelVoltageSourceInverterwithGTOThyristorsIEEETransonIndustryApplication,,():~ CelanovicN,BoroyevichDAFastSpacevectorModulationAlgorithmforMultilevelThreephaseConvertersIEEETransonIndustryApplication,,():~ SeoJH,ChoiCH,HyunDSANewSimplifiedSpacevectorPWMMethodforThreelevelInvertersIEEETransonPowerElectronics,,():~ WangFSinetrianglevsSpaceVectorModulationforThreelevelPWMVoltageSourceInvertersIEEETransonIndustryApplication,,():~ BroeckH,SkudelnyHC,StankeGVAnalysisandRealizationofaPulseWidthModulatorBasedonVoltageSpaceVectorsIEEETransonIndustryApplication,,():~宋 强(),男,博士研究生,目前从事电力电子技术及柔性交流输电系统的研究。Email:songqmailstsinghuaeducn刘文华(),男,博士,副研究员,目前从事电力电子技术及柔性交流输电系统的研究。姜齐荣(),男,博士,副教授,目前从事柔性交流输电系统及其控制的研究。ANEWSPACEVECTORMODULATIONMETHODBASEDONREFERENCEVOLTAGEDECOMPOSITIONFORMULTILEVELVSISongQiang,LiuWenhua,JiangQirong,WangZhonghong(TsinghuaUniversity,Beijing,China)Abstract:AnewtheoryofreferencevoltagedecompositionisproposedBasedonthistheorythereferencevoltagevectorofamultilevelVSIisdividedintotwoparts:basevectorandtwolevelvectorThenanewmultilevelspacevectormodulation(SVM)methodispresentedWiththeproposedmethodonlythetwolevelreferencevectorneedstobesynthesizedusingconventionaltwolevelSVMmethodsThecomputationoftheproposedmethodisverysimpleandfastthroughsimplificationofthemultilevelSVMissueintoatwolevelSVMissueInadditionsomeimportantallocationlawsofmultilevelspacevectorsarepresentedwhichareveryusefultofindoutallredundantswitchingstatesTheproposedmethodisapplicableforanynumberoflevelsanditsfeasibilityisverifiedbysimulationresultsKeywords:spacevectormodulation(SVM)multilevelinvertervoltagesourceinverter(VSI) 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