一种实用级联式多电平逆变器SVPWM方法研究

ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２０１１　ＶｏＩ．４１　Ｎｏ．８　电气传动　２０１１年　第４１卷　第８期　一种实用级联式多电平逆变器　ＳＶＰＷＭ方法研究　张德宽，张军军，乔奕玮，孙继先　（天津方圆电气有限公司，天津３００２５０）　摘要：目前多电平空间矢量法波形算法大多建立在复杂数学模型之上，并涉及颇为繁琐的矢量选择规则，　从而影响其普及性及实用性。提出一种将两电平空间矢量法推广至任意级联数的多电平逆变器，该方法不仅　具有物理概念清晰、算法简单、实时性好等优点，更有利于实现高低压变频产品软件平台一体化。理论仿真及　电机实验证明该方案切实可行。　关键词：空间矢量；脉宽调制；级联式多电平逆变器　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＳＶＰＷＭ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｅ—ｋｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ－ｊ　ｕｎ，ＱＩＡ０　Ｙｉ－ｗｅｉ，ＳＵＮ　ｊｉ—ｘｉａｎ　（Ｆａｎｇｙｕａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄ　ｉｎｖｏｌｖｅｓ　ａ　ｒａｔｈｅｒ　ｃｕｍｂｅｒｓｏｍｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｒｕｌｅｓ，ｔｈｕｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｉｔｓ　ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ．　Ａ　ｔｗｏ—ｌｅｖｅｌ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ａｎｙ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｃａｓｃａｄｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｃｌｅａｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ，ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｍｏｒｅ　ｃｏｎｄｕ—　ｃｉｖｅ　ｔｏ　ｈｉｇｈ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ；ＰＷＭ；ｃａｓｃａｄｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　１　引言　学模型下的矢量分解原则，算法比较复杂，实施起　来有一定难度。本文提出一种建立在两电平逆变　近年来，国内高压变频产业发展趋势迅猛，特　器模型基础上简易且实用的空间矢量方法，实现　别是级联式多电平逆变器已广泛应用于各类中高　了低压两电平模型与级联式多电平逆变器波形算　压交流电机调速控制工业领域，产品技术水平与　法的对接，便于高低压产品软件平台公用，实现标　国外大品牌产品的差距越来越小［ｚ－２３，探究与此　准化、系列化。　类产品控制技术有关的技术文献浩如烟海。其技　术核心归纳起来大体涉及：１）多电平逆变器的脉　２　多电平逆变器的几个概念　］　冲生成方法；２）先进系统控制技术的融合；３）故障　２．１　子单元参考信号与输出的关系　单元的在线旁路；４）动态转速跟踪方法；５）控制信　级联式多电平逆变器由多个Ｈ型子单元串　号光纤隔离通讯规则。　联组成，每个单元相当于１个单相两电平逆变器，　就脉冲生成法则而言，数字化载波移相脉宽　分别由４个ＩＧＢＴ组成２个桥臂，其中Ｇ　与Ｇ　调制技术已经被广泛认可。传统方法仍采用正弦　构成左桥臂，Ｇ　与Ｇ　构成右桥臂，如图１所示。　参考信号与三角波比较的方式，存在着输出电压　为考察其输出的相位特性，不妨暂时关注单　利用率低，实时性差且存在与高品质闭环控制（矢　元的基波成分。由两电平逆变器的基本调制原理　量控制）融合困难等弊端，为此学者提出了多种空　可知：桥臂基波输出与产生波形控制信号的参考　间矢量方法Ｌ１　］。但这些方法多建立在广义数　信号成比例关系，即左右桥臂输出基波分别由各　作者简介：张德宽（１９６２一），男，高级工程师，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ～ｄｋ＠ｔｏｍ．ｃｏｒｎ　３　皇　竺　苎　卷　第８期　张德宽，等：一种实用级联式多电平逆变器ＳＶＰＷＭ方法研究　图１　Ｈ型单元拓扑结构　Ｆｉｇ．１　Ｈ—ｔｙｐｅ　ｃｅｌｌ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　自的参考信号决定。若假设左右桥臂参考信号为　相位相反的正弦信号，即　１　Ｖ　ｉｆ，一÷Ｖ　ｓｉｎ（ｗｔ）　（１）　厶　１　Ｖ　ｅｒｒ一一Ｖ　。ｆＬ一一÷Ｖ　ｓｉｎ（ｏ￣ｔ）　（２）　厶　则单元输出电压基波为　ＵＬ—ＵＲ—Ｖ　ｓｉｎ（ｗｔ）　（３）　可见，单元基波输出电压与左桥臂的参考正　弦信号同步。换言之，左桥臂参考信号的大小及　相位直接决定单元输出电压（右桥臂与左桥臂存　在相关性，故可不必关注）。图２给出了子单元控　制信号的ＰＷＭ调制过程及波形关系。　一１　ＧＬ‘　Ｇｌ・　一　・　图２　Ｈ型单元脉宽调制原理　Ｆｉｇ．２　Ｈ・ｔｙｐｅ　ｃｅｌｌｓ　ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　２．２载波移相　逆变器每个单元采用相同的三角波，同一相　各单元间依次按照其载波周期移相，如３６０。／Ｎ，　１８０。／Ｎ等，即所谓载波移相［６　］。　Ｎ个子单元串联组成级联式逆变器的相单　元，３个相单元组成三相级联式逆变器，即逆变器　共由３Ｎ个子单元构成。若同一相中的Ｎ个子　单元基波输出的相位和幅值保持一致，则该相总　输出为Ｎ个子单元输出的线性叠加，并获得最高　的单元电压利用率。换言之，载波移相的原则只　是将参与调制的载波（三角波）按照载波周期在时　４　序上错开，它们分别与同一个参考信号进行比较　产生ＰＷＭ信号，因此保证了各个串联子单元的　基波输出同步，从而保证最高的输出电压能力。　除了以上关系外，子单元自身ＰＷＭ策略不同，其　输出电压利用率也不同。在以参考信号为纯正弦　方式的ＳＰＷＭ方式下输出电压利用率仅为　８７　。为提高利用率通常采用三次谐波注入法，　或直接采用空间矢量法［９－１ｏ］。　载波移相方法典型地可分为按其载波周期　３６０。／Ｎ移相或１８０。／Ｎ移相两种形式，其中，　１８０。／Ｎ载波移相方式因不受串联单元个数的奇　偶性限制，故在不同电压等级的逆变器拓扑结构　设计及子单元旁路等问题上具有明显的优　势　６＿７］。　３　空间矢量方法　图３给出了典型Ｎ＿－２单元级联逆变器的拓　扑结构　¨，即采用Ｙ型方式，使３组串联子单元　在一侧形成中性公共点，另一端连接负载（电机）。　图３级联两单元多电平逆变主电路结构　Ｆｉｇ．３　Ｔｗｏ　ｕｎｉｔｓ　ｃａｓｃａｄｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　另外，从图３中还可以想象，对于“Ｙ”型连接　逆变器主电路，同一水平的三相子单元直流母线　可认为具有虚拟等电位，即如图４所示。不难看　出３个子单元的左桥臂刚好构成１个三相两电平　逆变器（图４中重实线画出），而３个右单元构成　另外１个三相两电平逆变器［１　。如前文所述，左　桥臂输出电压直接决定子单元的输出电压，故先　关注左桥臂构成的三相两电平逆变器。又因为欲　获得最大输出电压能力，同一相串联各单元基波　参考信号必须完全一致，因此级联数为Ｎ的多电　平逆变器可转化为Ｎ个基波参考信号完全一致　张德宽，等：一种实用级联式多电平逆变器ＳＶＰＷＭ方法研究　电气传动　２０１１年　第４１誊　旦期　的三相两电平逆变器的串联问题。换言之，只要　将第ｌ级左桥臂等效两电平逆变器目标电压参考　信号同时加给其他各级单元（　一２～Ｎ）并按照各　自的载波移相原则进行脉宽调制，就可得全部子　单元的ＰＷＭ信号。目前，以参考电压矢量为输　入条件的三相两电平逆变器空间矢量ＰＷＭ方法　已经成熟，此不赘述。本文所采用的方法是目前　比较前卫的非对称坐标系（６０。坐标系）下的ｇ—ｈ　坐标变换法口］，由该方法实现第１级子单元的　ＰＷＭ驱动逻辑，并按照１８０。／Ｎ载波周期移相原　则得到全部子单元的驱动逻辑。该方法不但实现　了两电平逆变器与任意级联数的多电平逆变器在　空间矢量法上的对接，而且保证了控制系统参考　电压（矢量）与输出基波电压相位的严格同步关　系，为进一步实现高性能的磁场定向控制奠定了　基础。　驻甄　图４同一级（第ｉ级）子单元等效电路图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｌｅｖｅｌ（　—ｌｅｖｅ１）ｓｕｂ—ｕｎｉｔ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　４仿真研究　为考核本文方法正确性，利用Ｍａｔｌａｂ仿真软　件构建了级联数Ｎ一１～９的逆变器和等效Ｒ—Ｉ　负载仿真模型。其中子单元直流母线电压按６４０　Ｖ考虑，负载电阻及电感值分别取５０　０和３００　ｍＨ。图５～图７给出几种典型的仿真结果。　瑟　—　爨．　＝＝＝　≤　ｕ　０．００５　０．０１　Ｕ．０１　０．ｏ２　０．０２５　０－ｕ３　０．０３５　ｓ　图５级联数Ｎ＝５时子单元ＰＷＭ仿真波形　２０　０　一　２０　０　一‘Ｕ　２０　０　～ｚｕ　弱　图６逆变器ｕ相各单元驱动信号仿真图　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　Ｕ—ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　之　图７　ｕ相电压随调制深度的变化过程　Ｆｉｇ．７　Ｕ—ｐｈａｓｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ　图５给出了采用本文所述空间矢量法在级联　５电平逆变器拓扑结构下的几个典型波形。其中　Ｖ　为空间矢量法等效的马鞍型参考信号，也即逆　变器目标相电压。己，。为逆变器Ｕ相电压的叠加　波形，可见其再现了Ｖ　的“马鞍型”包络规律，符　合空间矢量ＰＷＭ方法的基本特征；Ｕ　为等效三　相Ｙ型负载的相电压（线对悬浮中点），表现为正　弦规律。Ｊ。，Ｊ　，　为三相等效Ｒ—Ｌ负载电流波　形，其表现了良好的正弦度。　图６给出级联数Ｎ一４时逆变器工作在５０　Ｈｚ　稳态时Ｕ相全部左右桥臂载波移相波形及Ｕ相电　压模拟波形。其中Ｇｌ　代表第ｉ级子单元（ｉ一　１～４）左桥臂驱动信号，Ｇ　代表第ｉ级子单元右　桥臂驱动信号。从仿真波形可窥见各子单元驱动　信号的载波移相规律。　图７给出级联数Ｎ：４时逆变器在５０　Ｈｚ输　出频率下，输出Ｕ相电压从０到额定电压的变化　过程。从中可见，随调制深度的增加，输出电压　５　电气传动　２０１１年　第４１卷　第８期　张德宽，等：一种实用级联式多电平逆变器ＳＶＰＷＭ方法研究　阶梯逐渐递增，表明本方案逆变器输出电压从　低压到高压变化过程中能够保证了良好的ｄｖ／ｄｔ　指标。　５样机实施及实验　为证实本文方法的可行性，我们制作了１台　３８０　Ｖ、功率３　ｋＷ级联个数为Ｎ一９的模型机。　样机完全按照未来产品拓扑结构要求制作，并　充分考虑了控制系统与主电路之间的电气隔离　及信号传输。主控制器采用Ｔｉ公司的２８１２ＤＳＰ　实现空间矢量法ＰＷＭ产生第１级子单元的　图９　在无速度传感器控制模式下的启动过程　Ｈｇ．９　Ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｓｔａｒｔ　ｕｎｄｅｒ　ｓｐｅｅｄ　ｓｅｎｓ０ｒｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ’ｍｏｄｅ　ＰＷＭ信号（即两电平ＰＷＭ信号），并将第１级　目标电压参数矢量、载波同步脉冲及系统状态　６　结论　级联式多电平逆变器空间矢量法可通过第１　级虚拟两电平空间矢量法扩展而得到，该方法简　明易行，适合扩充到任意单元个数的级联方案。　样机及产品实验证明该方案可行。　参考文献　等参量通过数据总线传输给现场可编程门阵列　（ＦＰＧＡ）。门阵列按照１８０。／Ｎ载波移相原则生　成全部子单元驱动逻辑，通过光纤传输将全部控　制信息传递给各自的子单元。考虑系统的制造成　本，系统采用单路光纤由主控器向各子单元进行　数字信号传递，而由此带来的控制信号实时性和　分辨率等问题通过高效数字压缩技术和高速光纤　通讯来解决（传输波特率为５　Ｍｂ／ｓ）。主控制器　软件设计充分考虑了Ｎ—ｌ～９任意级联个数的　逆变器组态形式，实现了与以往两电平逆变器软　件平台的对接。该软件平台具有完善的人机界　面、输人输出接口、标准通讯接口并嵌入了通用　ＶＦ控制、转差频率控制、有传感器矢量控制和无　速度传感器矢量控制等控制模式。图８和图９给　出了该样机在拖动３．０　ｋＷ实验电机情况下级联　数Ｎ一４，Ｎ一７时的典型波形。　［１］李永东．大容量多电平变换器［Ｍ］．北京：科学出版社，　’　２００５．　［２］仲明振，赵相宾．高压变频器应用手册［Ｍ］．北京；机械工业　出版社，２００９．　［３］薄宝中，刘卫国，罗兵．多电平逆变器ＰＷＭ控制方法研究　［Ｊ］．电气传动，２００５，３５（２）：４１—４５．　［４］陈林，熊有伦，侯立军．一种基于空间矢量的串联多电平　ＳＰＷＭ算法［Ｍ］．电气传动，２００２，３２（４），９－１２．　［５］刘子建，吴敏，桂武鸣．级联型多电平逆变器的空间矢量控　制口］．电气传动，２００６，３６（１）：３３—３６．　［６］江友华，曹以龙，龚幼民．基于载波相移角度的级联型多电　平变频器输出性能的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７　（１）：７６一ｇ１．　，　［７］周京华，杨振，苏彦民．多电平逆变器多载波ＰＷＭ调制策　略的研究［Ｊ］．电气传动，２００５，３５（１）；２３—２７．　ｌｌｌ　［８］葛照强，黄守道．基于载波移相控制的单元串联多电平变颇　器的分析研究口］．电气传动，２００６，３６（１Ｄ）：２２—２　５．　［９］张德宽，徐道恒，曲国杰，等．关于交一直一交电压型变频器几　，！ｌｌ　个关键问题的讨论［ｃ］∥第七届全国自动化电气系统年会，　苏州，１９９４：１５７—１６４．　－ｎ　Ｉｉ　图８逆变器相电压输出波形　Ｆｉｇ．８　Ｏｕｔｐｕｔ　ｗａｖｅ￣ｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　［１ｏ］楚子林，伍丰林．Ｈ型单元串联多电平中压变ｍ￣ＥＪ］．电　气传动，２００７，３７（２）；３－７．　［１１］王志华，尹项根，程汉湘．基于ＣＰＬＤ的级联型多电平变换　目前以该模型机为基础的１０　ｋＶ，１　０００　ｋＷ　器ＰＷＭ脉冲的实现［Ｊ］．电气传动，２００３，３３（５）：２８—３０．　［１２］周京华，张琳，沈传文．多电平逆变器通用组合拓扑结构及　的高压变频控制器已在上海雷诺尔科技股份有限　公司高压变频系列产品得以实施，主要性能指标　全部通过了国家配电检测中心的测试，系列产品　调制策略的研究［Ｊ］．电气传动，２００５，３５（１０）；２５—３Ｏ．　将陆续推向市场。　６