譚風(fēng)雷, 高世宇, 龔陳龍

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 超高壓分公司, 江蘇 南京 211102)

0 引 言

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,DTC)[1-3]一般采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙滯環(huán)控制,控制簡單,動態(tài)響應(yīng)快,魯棒性好,缺點是轉(zhuǎn)矩脈動大。文獻(xiàn)[4-5]提出了基于模糊理論的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),該系統(tǒng)將模糊理論應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,魯棒性好,但轉(zhuǎn)矩脈動仍較大。文獻(xiàn)[6]提出了離散空間矢量調(diào)制(Discrete Space Vector Modulation,DSVM)方法,該方法將離散空間矢量調(diào)制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相結(jié)合,有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動,但算法相對復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]提出了空間矢量脈沖寬度調(diào)制方法(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM),該方法輸出電流高度正弦化,轉(zhuǎn)矩脈動低,具有較好的應(yīng)用前景。目前一般采用兩電平變換器,輸出電壓的電平數(shù)少,電流諧波含量較高,為了改善電能質(zhì)量,采用二極管鉗位型三電平變換器代替兩電平變換器,同時為了有效減少直接轉(zhuǎn)矩控制所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動,采用三電平SVPWM調(diào)制方法和DTC技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于電機(jī)控制中[8]。

關(guān)于三電平SVPWM調(diào)制方法,相關(guān)文獻(xiàn)研究較多,理論也比較成熟,但中點電壓平衡問題仍然值得研究。傳統(tǒng)中點電壓平衡控制方法一般采用合理分配成對小矢量作用時間的控制方法[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于平衡因子的均壓方法,該方法根據(jù)能量平衡原理,推導(dǎo)得到平衡系數(shù),借助平衡系數(shù)來分配成對小矢量的作用時間。文獻(xiàn)[11-15]考慮到中矢量將會引起二極管鉗位型三電平換流器直流側(cè)中點電壓不平衡,一般是通過合理分配小矢量來實現(xiàn)中點電壓平衡。因而,這些文獻(xiàn)考慮將6個中矢量棄用,同時利用成對小矢量對中點電壓作用相反,即可自動實現(xiàn)中點電壓平衡,無需額外的均壓控制方法,從而有效簡化了算法復(fù)雜度。但是,實際上由于功率器件本身存在差異,如果沒有額外的均勻控制方法,中點電壓還是難以平衡。

基于上述分析,考慮到不能利用大矢量來消除中點電壓的不平衡現(xiàn)象,在正常調(diào)制比范圍內(nèi),又不會降低直流電壓利用率,在保證直流電壓利用率和控制效果的基礎(chǔ)上,棄用空間矢量圖中的6個大矢量,提出了一種無需大矢量三電平SVPWM控制方法,并將該控制方法應(yīng)用到電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。

1 無需大矢量三電平SVPWM

三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

包括3個橋臂和兩個直流電容,每個橋臂有P、O和N共3種開關(guān)狀態(tài)Sx(x=a、b、c),具體定義如下:

(1)

傳統(tǒng)三電平SVPWM空間矢量如圖2所示。圖2中包括3個零矢量、12個小矢量、6個中矢量和6個大矢量,共計27個矢量,將矢量區(qū)域劃分成6個大扇區(qū)和24個小區(qū)域,并通過合理安排開關(guān)序列來實現(xiàn)中點電壓平衡,減少開關(guān)損耗。

圖2 傳統(tǒng)三電平SVPWM空間矢量

1.1 劃分矢量區(qū)域

無需大矢量三電平SVPWM空間矢量區(qū)域劃分如圖3所示。相比于傳統(tǒng)三電平SVPWM空間矢量圖,無需大矢量三電平SVPWM棄用6個大矢量后,整個矢量空間被分成了6個大扇區(qū),每個大扇區(qū)又分為3個小區(qū)域,從而構(gòu)成了18個基本小區(qū)域,使得有效空間矢量從27減少為21,有效矢量區(qū)域從24減少為18。

圖3 無需大矢量三電平SVPWM空間矢量分區(qū)

1.2 合成參考電壓

根據(jù)伏秒特性,參考電壓矢量一般采用與其相鄰最近的3個基本空間矢量來合成。第Ⅰ扇區(qū)參考電壓矢量合成如圖4所示。圖4中Uref為參考電壓矢量,UZ為零矢量,US1為小矢量。UM1和UM6為中矢量。下面以第Ⅰ扇區(qū)為例進(jìn)行簡要說明,第I扇區(qū)參考電壓合成矢量如表1所示。

圖4 第I扇區(qū)參考電壓矢量合成

表1 第I扇區(qū)參考電壓合成矢量

1.3 安排開關(guān)序列

合理安排開關(guān)序列可以實現(xiàn)兩個目標(biāo):有效減少開關(guān)器件的動作次數(shù),從而降低開關(guān)損耗;調(diào)整小矢量的分布,實現(xiàn)中點電壓的平衡控制。開關(guān)序列的安排原則包括:有效降低開關(guān)損耗;保證每個開關(guān)作用時間相等;保證中性點電壓平衡。

基于以上3個原則可以得到七段式開關(guān)序列分布,第Ⅰ扇區(qū)的開關(guān)序列分布如表2所示。

表2 第I扇區(qū)的開關(guān)序列分布

分析表1可知, 在一個開關(guān)周期里,與傳統(tǒng)三電平SVPWM相比,有兩相開關(guān)次數(shù)不變,一相開關(guān)次數(shù)增加一次,使得一個開關(guān)周期增加一次開關(guān)動作。假設(shè)開關(guān)頻率為5 kHz,一個工頻周期里,傳統(tǒng)三電平SVPWM調(diào)制方法開關(guān)次數(shù)理論上為2 400次,無需大矢量三電平SVPWM調(diào)制方法開關(guān)次數(shù)理論上為3 200次,盡管開關(guān)損耗相對增大,但算法實現(xiàn)更加簡單。

2 三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

根據(jù)電機(jī)的基本原理,定子磁鏈ψs和電磁轉(zhuǎn)矩Te可以表示為

(2)

式中:us——定子電壓;

is——定子電流;

Rs——定子電阻;

np——極對數(shù);

ψsd——定子磁鏈ψs在d軸上的分量;

ψsq——定子磁鏈ψs在q軸上的分量;

isd——定子電流is在d軸上的分量;

isq——定子電流is在q軸上的分量。

三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 仿真研究

為了驗證本文所提出的無需大矢量三電平SVPWM算法的有效性和可行性,將其應(yīng)用于電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),在PSIM9.0中搭建仿真模型。仿真中電機(jī)為三相異步電動機(jī),主要參數(shù)均來自仿真軟件,仿真中電機(jī)參數(shù)如表3所示。三電平變換器采用二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),直流側(cè)電容總電壓為600 V。為了驗證該系統(tǒng)的動態(tài)性能,啟動時轉(zhuǎn)速目標(biāo)值為500 r/min,0.25 s時轉(zhuǎn)速目標(biāo)值階躍變化到1 000 r/min,同時對傳統(tǒng)三電平SVPWM調(diào)制方法進(jìn)行了仿真研究,便于控制性能的對比分析。

表3 仿真中電機(jī)參數(shù)

傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)變換器輸出波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)變換器輸出波形

圖7 無需大矢量三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)變換器輸出波形

傳統(tǒng)三電平SVPWM在轉(zhuǎn)速為500 r/min時,參考電壓調(diào)制比低,使得輸出線電壓波形為三電平,對應(yīng)的相電壓波形為五電平,輸出電流頻率為25 Hz,高度正弦化,但當(dāng)轉(zhuǎn)速階躍變化為1 000 r/min時,參考電壓調(diào)制比較大,輸出線電壓波形為五電平,對應(yīng)的相電壓波形為九電平,此時輸出電流頻率為50 Hz,畸變率低。無需大矢量三電平SVPWM由于無需大矢量,重新劃分得到的大扇區(qū)和小區(qū)域的不同,使得不管參考電壓調(diào)制比的大小,輸出相電壓波形為五電平,線電壓波形為七電平,只是隨著參考電壓調(diào)制比不同,輸出波形形狀發(fā)生變化而已,對應(yīng)的輸出電流波形畸變率較低,控制效果好。

本文對比了傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM對應(yīng)逆變器輸出線電壓的頻譜,逆變器輸出線電壓頻譜圖如圖8所示。

圖8 逆變器輸出線電壓頻譜圖

顯然當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時,傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM輸出線電壓基波相同,其中傳統(tǒng)三電平SVPWM的200倍和400倍頻諧波要低于無需大矢量三電平SVPWM,而其他倍頻諧波要高于無需大矢量三電平SVPWM,傳統(tǒng)三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.523,無需大矢量三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.561;當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時,傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM輸出線電壓基波相同,其中傳統(tǒng)三電平SVPWM的200倍和600倍頻諧波要低于無需大矢量三電平SVPWM,而其他倍頻諧波要高于無需大矢量三電平SVPWM。傳統(tǒng)三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.258,無需大矢量三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.285?？傮w而言,兩種調(diào)制方法輸出線電壓的諧波畸變率基本相近。

本文又對比了傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM對應(yīng)電機(jī)相電壓的頻譜,電機(jī)相電壓頻譜圖如圖9所示。

圖9 電機(jī)相電壓頻譜圖

顯然當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時,傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM電機(jī)相電壓基波相同,其中傳統(tǒng)三電平SVPWM的200倍和400倍頻諧波要低于無需大矢量三電平SVPWM,而其他倍頻諧波要高于無需大矢量三電平SVPWM,傳統(tǒng)三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.505,無需大矢量三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.549;當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時,傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM輸出相電壓基波相同,其中傳統(tǒng)三電平SVPWM的200倍和600倍頻諧波要低于無需大矢量三電平SVPWM,而其他倍頻諧波要高于無需大矢量三電平SVPWM,傳統(tǒng)三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.252,無需大矢量三電平SVPWM的相電壓總畸變率為0.293。

總體而言,兩種調(diào)制方法輸出相電壓的諧波畸變率基本相近。因此,與傳統(tǒng)三電平SVPWM相比,本文所提出方法對輸出線電壓和相電壓的諧波畸變率影響較小,從而驗證了方法的可行性。

傳統(tǒng)三電平SVPWM和無需大矢量三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)波形分別如圖10和圖11所示。

圖10 傳統(tǒng)三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)波形

圖11中0.25 s之前,電機(jī)穩(wěn)定運行于500 r/min,電磁轉(zhuǎn)矩在負(fù)載轉(zhuǎn)矩附件波動,脈動小,對應(yīng)的定子磁鏈在αβ坐標(biāo)系下高度正弦化,表明穩(wěn)態(tài)性能好。0.25 s時轉(zhuǎn)速目標(biāo)值階躍變化到1 000 r/min,此時轉(zhuǎn)矩增加,使得轉(zhuǎn)速快速變化到目標(biāo)值,對應(yīng)的定子磁鏈幅值基本保持不變,但相角頻率增加,大約0.02 s后,轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)值,超調(diào)量較小,不到5‰,此時電磁轉(zhuǎn)矩迅速變小,回到負(fù)載轉(zhuǎn)矩左右變化,脈動較小,對應(yīng)的定子磁鏈幅值仍為1,相角頻率變?yōu)?0 Hz,表明動態(tài)性能好。對比圖10和圖11可知,無需大矢量三電平SVPWM調(diào)制方法與傳統(tǒng)三電平SVPWM調(diào)制方法對電機(jī)的控制效果十分相似,從而進(jìn)一步驗證了該方法的有效性和正確性。

圖11 無需大矢量三電平SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)波形

4 結(jié) 語

考慮到大矢量既不會消除直流側(cè)中點電壓的平衡,在線性調(diào)制比范圍內(nèi)又不會制約直流電壓的利用率,提出了一種無需大矢量三電平SVPWM調(diào)制方法。該調(diào)制方法將6個大矢量棄用后,利用剩余零矢量、小矢量和中矢量將矢量空間劃分為6個大扇區(qū),每個大扇區(qū)又劃分為3個小區(qū)域,形成了18個基本區(qū)域,分區(qū)減少,便于算法實現(xiàn);將該調(diào)制方法應(yīng)用到電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,與傳統(tǒng)三電平SVPWM調(diào)制方法進(jìn)行比較,控制效果相近,從驗證了該方法的有效性和正確性。