关键字 |
| 多电平逆变器，二极管箝位逆变器，感应电机，反向映射，空间矢量PWM。 |
介绍 |
| 多电平逆变器是其中一种，可对各种功率应用[1]-[3]有指定的选择。两电平逆变器的波形不像多级逆变器那样平滑。它可以从不同电平的电压。在多电平逆变器中，最常用的实现脉冲宽度调制(PWM)策略的技术是正弦三角形PWM (SPWM)和空间矢量PWM (SVPWM)[4] -[14]。在多电平SPWM中，将参考正弦波与多个电平移置载波进行比较，以决定打开[5]的开关。在SVPWM方案中，通过在逆变器电压向量[6]之间切换最接近的电压空间向量来实现参考电压空间向量的采样值，即三相电压的组合效应。有不同的技术可用于实现多电平逆变器[7]-[14]的SVPWM。一般来说，SVPWM的实现涉及逆变器电压向量[7]-[14]的扇区识别、开关时间计算、开关矢量确定和最优开关序列选择。扇区识别可通过坐标变换[8]、[9]、[16]或通过反复比较三相参考电压[7]进行。该查找表可用于确定最佳切换序列[6]-[13]中的切换向量。使用映射技术可以简化开关矢量持续时间的计算，将多电平逆变器的识别扇区映射到两电平逆变器[13]-[15]的相应扇区。 SPWM can generate the SVPWM using the principle of equivalence with SPWM can generate the SVPWM signals directly from the instantaneous reference phase voltages for multilevel inverters . The fractal-based approach for SVPWM generation using a triangularization scheme to generate the voltage space vectors. |
所提出方法的原理 |
| 下图指定了一个多电平逆变器(5)。为了简单起见，向量没有被描绘出来。由于相邻向量形成的小三角形被称为扇形。这六个扇区围绕一个电压空间矢量形成一个六边形，称为子六边形[14]，[15]。多级逆变器可以看作是由若干个这样的子六边形组成。图1中的阴影区域显示了两个次六边形。它们被表示为以矢量000为中心的“子六边形I”(称为内子六边形)和以矢量330为中心的“子六边形II”。内部的子六边形可以看作是一个两电平逆变器的空间矢量图，其逆变器电压矢量在最低电平之间切换。亚六边形II也可以看作是一个两电平逆变器的空间矢量图，其电压矢量涉及更高的电平。将多电平逆变器空间矢量图中的子六边形移到零矢量000简化了与多电平逆变器[13]-[15]相关的开关时间计算。多电平逆变器空间矢量图中的亚六边形II向零矢量000的移动涉及到将亚六边形II的扇区映射到与任何亚六边形相关的电压空间矢量。通过在亚六边形的中心减去这个矢量，可以映射参考空间矢量。 |
| 不同的映射方法可以将内部的六边形映射为六边形。由于六边形中心的加法向量空间。考虑与内部子六边形的扇区5相关的电压空间向量000、001、101和111，以及作为子六边形II中心向量的电压空间向量303。将电压空间向量303与内六边形的第5扇区相关的电压空间向量相加，得到向量303(000 +303)、304(001+303)、404(101+303)和414(111+303)，它们是与内六边形的第5扇区相关的向量。类似地，与任何子六边形相关的电压空间向量可以通过将特定子六边形中心的向量与内部子六边形中相应扇区的电压空间向量相加来生成。本文利用内六边形到任意外六边形的映射(称为反向映射)，生成多电平逆变器空间矢量图中任意扇区相关的矢量。 |
| 生成的开关向量具有瞬间向量空间OT，空间向量参考OT位于扇区1到六边形II。向量(330)的中心包含参考尖端向量空间。通过在子六边形的中心减去这个向量，可以将参考空间向量映射为OT到内六边形的扇区1中。向量000、100和110与内六边形的扇区1相关联。通过将这些向量与位于子六边形中心的向量相加，可以生成参考空间向量的实际开关向量330、430和440。因此，不需要识别包含参考空间矢量的实际扇区，就可以确定逆变器要切换的矢量来实现参考空间矢量。 |
| 在所提出的方案中，需要确定子六边形中心的矢量来映射电压矢量涉及较高能级的参考点。将多电平逆变器空间矢量图中的子六边形移到零矢量000简化了与多电平逆变器[13]-[15]相关的开关时间计算。多电平逆变器空间矢量图中亚六边形II向零矢量000的移动涉及到将亚六边形II的扇区映射到内亚六边形的扇区。这是通过用子六边形II的其他向量减去它中心的向量来实现的。 |
| 所提出的原理图中，六边形向量中心增强为参考向量空间到六边形内的映射，并用于切换向量的生成。考虑与内部子六边形的扇区5相关的电压空间向量000、001、101和111，以及作为子六边形II中心向量的电压空间向量303。将空间向量303与内六边形的第5扇区相关的电压空间向量相加，得到向量303(000 +303)，304(001+303)，404(101+303)和414(111+303)，它们是与内六边形的第5扇区相关的向量。类似地，与任何子六边形相关的电压空间向量可以通过将特定子六边形中心的向量与内部子六边形中相应扇区的电压空间向量相加来生成。本文利用内六边形到任意外六边形的映射(称为反向映射)，生成多级逆变器空间矢量图中任意扇区相关的矢量。2为瞬时参考空间向量OT。参考空间向量OT的尖端位于亚六边形III的扇区1中。向量330是包含参考空间向量尖端的亚六边形III的中心。通过在子六边形的中心减去这个向量，参考 |
| 空间向量可以映射为OT â Â到内子六边形的第1扇区。向量000、100和110与内六边形的扇区1相关联。通过将这些向量与位于子六边形中心的向量相加，可以生成参考空间向量的实际开关向量330、430和440。因此，不需要识别包含参考空间矢量的实际扇区，就可以确定逆变器要切换的矢量来实现参考空间矢量。利用所提出的逆映射原理，将开关矢量和内六边形的序列转换为多电平逆变器的开关矢量和序列。 |
| 用下面加强了原则 |
| 1)内六边形映射的向量空间2)包含参考向量空间的六边形中心识别 |
| 3)采用两级算法确定切换向量的持续时间和最优切换顺序; |
| 4)利用两级算法计算多切换向量和最大序列切换。 |
确定子六边形的中心 |
| 下图显示了具有不同类型层的多级逆变器。分别是最内层(第1层)、第1层以外的层(第2层)、下一层(第3层)和最外层(第4层)。这些层在图2中分别表示为L1、L2、L3和L4，瞬时参考空间向量OT在第4层(第4层)。第1层与第二节中提到的内子六边形相同。最接近参考向量空间尖端为六边形中心的纸张。在层内侧的向量中，属于60â >  ε区S3的向量是最适合作为子六边形中心的向量(候选向量)，因为该区域包含了参考空间向量。在本文中，这些候选向量是由内六边形的向量自动生成的，并选择最接近参考空间向量尖端的候选向量作为子六边形的中心。因此，本文根据瞬时参考空间向量的运算层数，生成子六边形中心的所有候选向量，取最接近参考空间向量的向量作为子六边形的中心。 |
| III (A).识别操作层 |
| 向量空间瞬时参考可以求解为ja、jb和jc轴(图2)，其中va、vb和vc是这三个轴的瞬时振幅 |
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| 位于60度区域的瞬时参考空间矢量将在这些解析值中具有最大值。 |
| 设vjmax为三个分解分量中最大的幅值。可以注意到，n级逆变器的每层宽度为(√3/2)(VDC/n−1)。因此，层数可以很容易地得到为 |
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| m是层数 |
| 第三,(B)。生成亚六边形中心的候选向量 |
| 这里所提到的向量空间瞬时参考在一个指定的m。因此，在指定的层内的候选向量的六边形中心图3显示了一个五电平逆变器的空间向量图中的60ÃⅱÂ纵坐标Â μ区。图中AB线、CD线、EF线分别是第2层、第3层、第4层的内侧。可以注意到，层2的内侧AB指定了任意60度区域(a1, b1, c1)和(a2, b2, c2)的两个区域层的层内向量，层m内侧的端向量为(am1, bm1, cm1)和(am2, bm2, cm2)。则生成层m内侧的结束向量为 |
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| 其余在最终向量中的向量可以由差分向量(delta)(内六边形的结束向量之间的差值)与第一个结束向量生成。差向量可以通过用内六边形的最后一个末端向量减去第一个末端向量来得到 |
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| 与第一个差向量重复相加 |
| m层内侧的结束向量m−1次可以生成m层内侧的所有向量。这样，某一层内侧的所有向量都可以由内六边形的向量自动生成。在这些候选向量中，选择最接近参考空间向量的向量作为包含瞬时参考空间向量的子六边形的中心。最近的候选向量可以通过计算关于每个候选向量的距离项“d”来轻松确定。距离项表示候选向量到参考空间向量的距离。第i个候选向量的距离项可以计算为 |
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| 其中(vα， vβ)和(αcv， βcv)分别是参考空间向量和候选向量的坐标。距离项最小的候选向量是距离参考空间向量最近的向量，因此作为子六边形的中心。 |
| 在此过程中，检查位于(4). S1区域内的下图向量空间参考。第4层的内侧是EF。在这种情况下，第2层内侧的向量为100和110，差向量为110−100 = 010。EF的结束向量可以按式(5)将100和110与3相乘，确定为300和330。将差值向量与第一个结束向量300重复相加3次，得到第4层内侧的向量310(300+010)、320(310+010)和330(320+010)。 |
| 在第4层内侧的这些候选向量中，与参考空间向量OT最近的向量为310，并将其作为与OT相关的子六边形的中心。 |
| 切换向量的生成和最优序列 |
| 论文检验了，由映射原理得到的实矢量由逆变器进行切换生成。由六边形所包含的参考向量空间映射到六边形的内六边形，这是通过去除六边形中心的定位向量。对于n级逆变器，逆变操作可以通过瞬时参考空间矢量OT和(αc， βc)的两个坐标矢量来完成，(αc， βc)是包含OT的亚六边形中心的坐标，坐标(vα |
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| 两级逆变器的实际开关矢量通过交叉映射得到，由相位电压的瞬时幅值得到两级逆变器的开关矢量。将两级逆变器的向量反向映射到包含参考空间向量尖端的子六边形，可以转换为实际的开关向量(对应于多级逆变器)。通过将亚六边形中心的矢量加到两电平逆变器的瞬时开关矢量上，可以很容易地实现这种反向映射。若(a0, b0, c0)为两级逆变器对应的瞬时开关矢量，(ac, bc, cc)为子六边形中心矢量，则多级逆变器的实际开关矢量为 |
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| 上面的方程定义了交叉映射，其中两级逆变器矢量被转换为多电平逆变器的矢量。因此，在不使用查找表的情况下，将自动生成要切换的实际向量和最佳序列。 |
| 在前面例子的描述中，图通过减去向量310来预测映射为OT â Â的向量空间参考OT到内子六边形。一旦参考空间向量映射到内六边形，就可以使用两级SVPWM技术来生成最优顺序的两级矢量。使用两级SVPWM技术来确定最优顺序的两级逆变器开关矢量，这将类似于传统的两级逆变器，即:000 => 010 => 110 => 111(图6)。通过式(9)定义的反向映射，这两个电平逆变器矢量可以转换为多电平逆变器的实际电压矢量，由于子六边形的中心o为310，因此实际需要切换的逆变器电压矢量为310(000 + 310)=> 320(010 + 310)=>420(110 + 310)=> 421(111 + 310)。 |
多电平逆变器的仿真 |
| 提出的SVPWM方法在一台4 kw 400 V.50 Hz三相异步电动机上实现了不同的调制指标。实验使用三电平逆变电机驱动配置(图4)。 |
| a .三电平逆变配置 |
| 采用感应电机配置的逆变器可以实现多电平逆变器结构。根据逆变器的开关状态，感应电机相位绕组上的电压可以达到−VDC/2、0或+VDC/2这三个电平之一。IM配置三电平逆变器实现a相不同电平的逆变器开关组合如表I所示，其中S1u、S2u分别为逆变器的顶部开关，S3u、S4u分别为a相的底部开关。 |
| 诉(B)。五级逆变配置 |
| 采用感应电机配置的逆变器可以实现多电平逆变器结构。根据逆变器的开关状态，感应电机相位绕组上的电压可以达到-2Vdc、-Vdc 0、2Vdc或VDC这五个电平中的一个。IM配置三电平逆变器实现相位不同电平的逆变器开关组合如表II所示，其中Sa1、Sa2、Sa3、Sa4为逆变器的顶部开关，Sa5、Sa6、sa7、sa8为a相的底部开关。 |
| v (C)。七级逆变配置: |
| 采用感应电机配置的逆变器可以实现多电平逆变器结构。根据逆变器的开关状态，感应电机相位绕组上的电压可以达到−3VDC、−2VDC、−VDC、0、+VDC、+2VDC、+3VDC这七个电平中的一个。IM配置三电平逆变器实现a相不同电平的逆变器开关组合如表III所示，其中Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6为逆变器的顶部开关，Sa7、Sa8、sa9、sa10、sa11、sa12分别为a相的底部开关，下图6为七电平二极管箝位逆变器，表III为其开关状态。 |
| v (D)。实验结果: |
| 在MAT LAB SIMULINK模型上实现了三电平逆变器的SVPWM。给出了覆盖三电平逆变器所有工作层的不同调制指标的实验结果，每个逆变器使用130 V直流链路电压的过调制区域(VDC/2)。图1、2、3、4、5显示了对应于第一层(两层模式)操作的调制指数为0.3的实验结果。图1(a)为3级开关门信号的波形图，图1(b)为5级开关门信号的波形图，图1(c)为5级开关门信号的波形图。图2(a)、图2(b)、图2(c)为逆变器的线电压图。图3(a)、图3(b)、图3(c)为异步电机馈电给3级5级逆变器时的电压波形图。图4(a)、图4(b)、图4(c)为异步电机馈电给3级5级逆变器时的电压波形图。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为感应电机馈给3级、5级和7级逆变器时的电流THD波形。 |
结论与比较 |
| 针对多电平逆变器，提出了一种新的SVPWM方案。利用映射原理自动生成开关矢量和最佳开关顺序。本文直接识别了包含参考空间向量的子六边形中心的向量，将参考空间向量映射到最里面的子六边形，生成了两级逆变器的开关向量。本文利用反向映射原理将两级逆变器的矢量转化为多电平逆变器的矢量。任何n级逆变器(包括具有偶数级的逆变器)的SVPWM都可以在没有任何额外复杂性的情况下实现。在MATLAB平台上实现了所提出的SVPWM方案，并给出了三电平逆变器、五电平逆变器和七电平逆变器的实验结果。 |
| 比较： |
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表格一览 |
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| 表1 |
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图表一览 |
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| 图1 |
图1 b |
图1 c |
图2 |
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| 图2 b |
图2 c |
图4 |
图4 b |
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| 图4摄氏度 |
图5 |
图5 b |
图5度 |
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参考文献 |
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