基于STS—SVM技術的級聯(lián)型多電平變流器

摘要：錯時采樣空間矢量調制(STS—SVM)技術是一種高品質的新型調制技術。將其應用在級聯(lián)型多電平變流器中可以更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。在簡要介紹了STS—SVM技術在級聯(lián)型多電平變流器中的實現(xiàn)方法的基礎上分析了其技術特點，并進行了實驗驗證。關鍵詞：空間矢量調制；錯時采樣；多電平變流器O 引言空間矢量脈寬調制(SVM)技術是目前廣泛應用的一種開關調制策略，具有線性調制范圍寬，輸出諧波小，易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點。空間矢量調制本質上是一種規(guī)則采樣的脈寬調制，采樣頻率決定其輸出的諧波品質[1]。由于大功率器件(如GT0等)的開關頻率普遍較低，因而限制了SVM技術在大功率電力電子裝置中的應用。錯時采樣SVM(STS—SVM)技術是一種高品質的新型開關調制技術。能夠在較低的開關頻率下實現(xiàn)較高的等效開關頻率的效果，具有良好的諧波特性，因而可以適用于大功率電力電子裝置的應用場合中中。多電平變流器由于避免了變壓器或電抗器的使用，因而在大功率電力電子裝置的發(fā)展上有更好的前景。級聯(lián)型多電平變流器在各種多電平變流器中具有使用元器件最少，直流側均壓容易實現(xiàn)，易于模塊化設計和調試等優(yōu)點。因此，將STS—SVM技術應用于級聯(lián)型多電平變流器中就可以更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。 1 STS—SVM在級聯(lián)型多電平變流器中的實現(xiàn)級聯(lián)型多電平變流器[3]采用若干個低壓PWM變流單元直接級聯(lián)方式實現(xiàn)高壓輸出。由m個變流器單元級聯(lián)而成的多電平變流器的電平數(shù)為(2m+1)。級聯(lián)型多電平變流器具有下述特點： 1)使用的元器件最少，容易實現(xiàn)電平數(shù)較高的輸出；2)每個變流器單元的結構相同，便于模塊化設計和封裝；3)因為各變流器單元之間相對獨立，所以可以較容易地引入軟開關控制；4)直流側的均壓比較容易實現(xiàn)；5)各變流器單元的工作負荷一致。STS—SVM技術是SVM技術與多重化、多電平技術的有機結合。它既可以應用于組合變流器中，也可以應用在級聯(lián)型多電平變流器中。它同時具備了SVM技術和組合相移SPWM技術的優(yōu)越性。其調制原理簡言之就是將各變流器單元的采樣時間錯開。對于如圖1所示的N級三相級聯(lián)型多電平變流器，對每個變流器單元的左右橋臂分別進行相同幅度調制比，頻率調制比下的SVM控制，并使左右橋臂的采樣時間相互錯開△t，△t=T／2 (1)式中：T為開關周期。 這就是橋內STS—SVM的控制方法。變流器各單元之間則采用橋間STS—SVM控制，相鄰兩個變流器單元同側橋臂的采樣時間相互錯開△t橋間△t橋間=Ts/2N (2)采用這種控制方法，當幅度調制比M，足夠高時，每個變流器單元的電壓輸出為三電平。N級三相級聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出為2N+1電平。由此可見，采用STS—SVM技術后，實際輸出的電壓波形相當于所有橋臂調制信號的代數(shù)和。因此，N級級聯(lián)型多電平STS—SVM變流器的等效開關頻率提高了2N倍，亦即實際的采樣點數(shù)目提高了2N倍，與常規(guī)SVM技術相比各提高了N倍，從而使電壓空間矢量的軌跡更接近于圓形，降低了輸出諧波，改善了輸出波形。需要注意，該結論的前提是有足夠高的幅度凋制比Mr，因而確切地說，N級三相級聯(lián)多電平變流器的相電壓輸出最高為2N+1電平。當Mr小于某臨界值時，由于各橋臂的輸出脈沖都比較窄，有可能相互錯開而無法疊加出應有的電平數(shù)。以單級多電平變流器為例，當Mr>0．5時，相電壓為三電平，線電壓為五電平；當Mr<0 5時，相電壓為二電平而線電壓為三電平。幅度調制比Mr與輸出電壓電平數(shù)的具體關系限于篇幅不再贅述。 2 STS—SVM與其他調制方式在三相級聯(lián)型多電平變流器中的技術特點比較在級聯(lián)型多電平變流器上除了采用STS—SVM控制方式外，常用的調制方法還有：1)基于定次諧波消除技術(SHE)的階梯波脈寬調制；2)載波相移SPWM；3)多電平SVM技術。與基于SHE的階梯波脈寬調制技術相比，STS—SVM技術消除和抑制諧波的能力不受輸出電平數(shù)的限制，能夠方便地實現(xiàn)實時控制，可以應用在對系統(tǒng)有快速反應要求的場合中。與級聯(lián)型載波相移SPWM多電平變流器相比較，級聯(lián)型STS—SVM多電平變流器具有以下優(yōu)點：(1)直流電壓利用率提高15％，如果采用不連續(xù)開關調制模式，器件的開關損耗可降低33% ；(2)STS—SVM按照跟蹤圓形旋轉磁場來直接實現(xiàn)對電流(磁場)的控制，因而在電機應用等場合更有優(yōu)勢。多電平SVM技術是常規(guī)SVM技術在空間上的拓展應用。這種調制技術存在的不足在于：(1)空間電壓矢量的數(shù)目隨著電平數(shù)的增加以立方級數(shù)迅速擴展，其算法也就越來越復雜，有鑒于此，目前對多電平SVM技術的研究一般在五電平以下；(2)多電平SVM下開關器件的負荷不均衡也是一個嚴重的問題，目前還沒有較為成熟的解決方案。與多電平SVM技術相比較，STS—SVM技術是對各橋臂分別進行調制，并不直接控制總的輸出的電壓矢量。在調制過程中，只須保證各橋臂調制信號本身的對稱性和均衡性，就能保證總的開關負荷的均衡性和總輸出波形的對稱性。在對應于同一電壓矢量的不同開關狀態(tài)的選擇上完全是自動的。比較于多電平SVM技術，STS—SVM具有等效開關頻率高、輸出低次偕波成分少、開關負荷均衡等優(yōu)點。3 實驗驗證對于前述的級聯(lián)型多電平變流器STS—SVM技術，進行了驗證實驗。實驗主電路結構如圖2所示，這是三相級聯(lián)型STS—SVM多電平變流器的最簡形式。其級聯(lián)數(shù)N=l，因而橋內左右橋臂的采樣時間錯開△t=T8／2[如式(1)所示]。 逆變部分采用三個單相全橋結構，主開關器件采用IR公司的MOSFET管IRF7460，輸出按Y型聯(lián)接直接與三相鼠籠式電機相連。控制算法主要由ADI生產的電機專用DSP芯片ADMCF328實現(xiàn)。實驗中變頻器采用轉速開環(huán)，恒壓頻比的控制方式。實驗電機的額定線電壓有效值為100 V，額定額率50Hz，SVM的頻率調制比K取21，達到額定時的幅度調制比取O.8。 根據(jù)以上的電路設計和參數(shù)設置，對實驗樣機進行了空載實驗。實驗中達到額定頻率(50Hz)時，變頻器的輸出線電壓波形如圖3所示。 額定狀態(tài)下幅度凋制比M，為0．8，因而輸出線電壓的電平數(shù)應為五電平，與前面的分析相一致。對圖3所示波形進行諧波分析得到其頻譜如圖4所示。 由圖4可見，次數(shù)最低的諧波群出現(xiàn)在42(2K=2%26;#215;21=42)次諧波附近，也與前述級聯(lián)型多電平STS—SVM變流器的特性相吻合。額定頻率下的電機定子電流波形如圖5所示。 變頻器的初始工作頻率為10Hz，此時的變頻器輸出線電壓波形如圖6所示。 根據(jù)V／f曲線，此時的幅度調制比為O．28，因此輸出線電壓應為三電平，也與前面的分析相吻合。此時定子電流波形如圖7所示。 4 結語STS—SVM技術是一種高品質的新型開關調制技術，是SVM技術與多重化、多電平技術的有機結合。實驗結果證明，級聯(lián)型STS—SVM變流器可以在較低開關頻率下實現(xiàn)較高的等效開關頻率，其輸出波形諧波特性好，正弦度高，開關頻率低，工作對稱，可直接連接負載而不需添加濾波器，因此，在大功率電力電子應用場合有良好的前景。