基于三电平逆变器的SVPWM控制算法研究

[1]安彬,黄晓峰,张炜,李纪欣.基于三电平逆变器的SVPWM控制算法研究[J].电子测试,2019(18):37-39.2100433B

为了解决传统三电平逆变器SVPWM(Space VectorPWM,SVPWM)算法计算过程复杂、总谐波含量较高的问题,提出一种改进的SVPWM算法。改进的SVPWM算法将三电平逆变器空间矢量图以四边形进行扇区划分,通过矢量转换计算基本电压矢量作用时间,根据开关状态变换原则设计开关序列。仿真结果表明,运用改进的SVPWM算法后三电平逆变器可以正常输出波形稳定的三相交流电压,并且扇区判断时间变短、总谐波含量降低。

《级联型多电平逆变器的SVPWM控制系统》共五章，主要内容包括绪论、任意N级多电平逆变器的SVPWM控制及其简化技术、级联型多电平逆变器的过调制算法、多电平逆变器双Y移30°PMSM的SVPWM算法及矢量控制系统、级联型多电平逆变器装置设计等。

《级联型多电平逆变器的SVPWM控制系统》内容翔实，创新性强，适于电力电子专业的研究生或工程技术人员阅读。

三电平逆变器自产生以来很快就得到了广泛应用,改善它的输出波形一直是国内外学者研究的主要方向,而电压源型逆变器的输出特性与逆变器所采用器件的开关频率有关,其中脉宽调制PWM技术就可以改变开关频率获得很好的正弦输出波形,PWM调制技术输出开关频率恒定,输出的电流谐波小,限定的谐波电流频谱特性等优点,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。在近二十年中,人们对二电平逆变器研究出了多种WPM调制控制方案。PWM技术不仅适应于常规的两电平逆变器,对三电平而言,仍然行之有效。本文的重点内容是研究三电平逆变器的调制策略。目前,三电平逆变器的P翎控制技术概括起来主要有两类:一是基于开环控制的三电平逆变器WPM控制技术,其中应用广泛的有正弦SP翎、空间矢tSVP双开环控制等 。

基于开环控制的三电平逆变器PWM调制策略

由于开环PWM调制具有很多优点:开关频率恒定、限定的谐波频谱、优化的开关模式、实用化的直流环节等,可以同时实现变频变压反抑制谐波等作用,因此三电平逆变器使用开环控制的WPM调制策略比较普遍,如正弦SPWM、空间矢量SVPWM开环控制 。

正弦波PWM是最通俗易懂的一种调制方式,又称为相电压控制法,给定的标准正弦信号波U’和三角载波玲进行比较,在两波形相交时进行脉宽切换,经过正弦SwPM开环调制后,产生一定频率且具有一定脉宽的开关信号(S。、.bss。),再驱动三电平逆变器的开关器件,产生输出信号。该方法具有简单,直观等优点,此外,由于输出波形由方波改进为PWM波,减少了低次谐波,从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题,也降低了电动机的谐波损耗和噪声 。

和三电平逆变器的正弦SwPM调制方法不一样的是,空间矢量SvWPM(又叫磁链跟踪wPM)调制策略是从电机的角度出发,把逆变器和电动机视为一体,以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准,用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢t来跟踪基准磁链园,由跟踪结果决定逆变器的开关模式,形成P双波基于开环控制的三电平逆变器的空间矢量SPy烈控制器结构图。空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用 。

基于电流闭环的三电平逆变器WM控制结构

交流电机的控制性能主要取决于转矩或者电流的控制质量(在磁通恒定的条件下,为了满足电机控制良好的动态响应,并在极低转速下亦能平稳运转这一要求,经常采用电流的闭环控制,即基于电流闭环的三电平逆变器wPM控制策略,以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度,同时也一定程度上求得电流波形的改善。它具有的特点:控制方式简单、动态响应快、具有内在的电流限制能力以及电压利用率高。可以说它同时具有电压和电流控制型逆变器的优点。目前实现电流闭环PWM调制的方法很多,大致有滞环电流PWM控制、线性电流PWM控制、预测电流PWM控制几种 。

滞环电流控制器的主要任务是控制负载端的实际电流,让它能以最小的误差跟踪参考电流指令信号。设滞环比较器的环宽为h2。滞环控制方案是基于三电平滞环比较器的非线性、闭环控制方法。当输入到滞环比较器的信号超过了规定的滞环环宽时,直接产生变换器开关的动作信号。由于该控制器结构简单、算法简单、实现简单,特别重要的一点是它对负载参数的鲁棒性好,不需要知道参数的任何信息,因此,它是最常见、也是应用最为广泛的一种电流控制方法。滞环电流控制经常在逆变器、无功补偿装置等需要控制电流的场合中应用 。

三电平逆变器线性电流PWM控制器可以分离成误差补偿和PWM调制两大部分。在线性电流PWM控制器中,斜波比较器是最基本、最常见的一种控制结构。这种控制器采用的是线性、闭环控制方法 。

控制器中有3个独立的补偿电流误差的PI调节器,电流误差通过PI控制器产生电压控制信号。经wPM调制器处理后得到驱动开关动作的开关信号。在该方案中输出电流的脉动经反馈回到了输入端,并对开关的后续驱动信号产生直接的影响。PI调节器的比例参数凡的增大可以减小电流脉动,而积分参数石的改变能控制输出电流的低频特性。P份M调制算法可采用SPWM、SVPWM等调制方法。若采用的是SPWM方法,加入载波信号的斜率一定不能小于PI调节器的输出信号的斜率,这时开关频率即为恒定的载频 。

随着现代控制理论的发展，高级控制方法在多变量控制系统中的应用已经有了一些成果，例如解藕、极点配置、INA(逆奈氏阵列)方法、模型预估控制、模糊控制、内模控制等，下面简单地介绍一些典型的算法。

智能协调控制解藕方法

解藕方法通过在控制器中附加补偿网络，从而解除系统中各输人和输出之间的藕合关系、使多人多出系统成为多个SISO(单人单出)系统。通常的设计方法为:首先计算各通道之间的相对增益，以确定过程中每个被控量相对每个调节量的响应特性，确定过程的关联程度和类型以及对回路控制性能的影响，并以此为依据去构成控制系统。解藕设计方法中偿阵严重地依赖于被控对象的数学模型，而被控过程通常是非线性和时变的，因此一个线性的、定常的解藕补偿网络在被控过程发生工作点变化时，由于不具有适应性、很难保证控制品质，甚至导致系统的不稳定。此外。由于被控过程往往具有纯迟延或单位圆外的零点，因此完全解藕的补偿阵网络存在着可实现性问题。在工程实践中，完全解藕常被弃之不用，代之以解藕的简化，而产生部分解藕或静态解藕。这实际上是以牺牲系统的动态性能来保证系统的稳态的解藕性能，由于静态解藕同样涉及到静态增益匹配、调整的问题，同样涉及到增益的适应性问题、因此系统的鲁棒性能难以得到保证。

智能协调控制INA方法

INA方法实际上是一种近似解搁方法，它的基本出发点是如何度量近似解藕的程度，以及近似解藕到何种程度才能用5IS0方法得到稳定的符合要求的闭环系统，它的关键是设计合适的前置补偿阵以获得对角优势，而且这种补偿器同样应该是稳定的，可实现的。这种方法的系统鲁棒性能是通过一定范围的增益与相位的稳定裕度来体现的、这种鲁棒性能实际上只是体现了小范围变动工况下的性能。在系统分析设计过程中，无法考虑不确定干扰、系统非线性等因素对控制系统的影响。此外系统设计的过程复杂、物理意义不明显，并且需要许多非理论的设计技巧和经验: