基于STS—SVM技術(shù)的級聯(lián)型多電平變流器
關(guān)鍵詞：空間矢量調(diào)制；錯(cuò)時(shí)采樣；多電平變流器
O 引言
空間矢量脈寬調(diào)制(SVM)技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的一種開關(guān)調(diào)制策略，具有線性調(diào)制范圍寬，輸出諧波小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)?？臻g矢量調(diào)制本質(zhì)上是一種規(guī)則采樣的脈寬調(diào)制，采樣頻率決定其輸出的諧波品質(zhì)[1]。由于大功率器件(如GT0等)的開關(guān)頻率普遍較低，因而限制了SVM技術(shù)在大功率電力電子裝置中的應(yīng)用。錯(cuò)時(shí)采樣SVM(STS—SVM)技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型開關(guān)調(diào)制技術(shù)。能夠在較低的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)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(yīng)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(cè)均壓容易實(shí)現(xiàn)，易于模塊化設(shè)計(jì)和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。因此，將STS—SVM技術(shù)應(yīng)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(shí)現(xiàn)
級聯(lián)型多電平變流器[3]采用若干個(gè)低壓PWM變流單元直接級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出。由m個(gè)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(diǎn)：
1)使用的元器件最少，容易實(shí)現(xiàn)電平數(shù)較高的輸出；
2)每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，便于模塊化設(shè)計(jì)和封裝；
3)因?yàn)楦髯兞髌鲉卧g相對獨(dú)立，所以可以較容易地引入軟開關(guān)控制；
4)直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn)；
5)各變流器單元的工作負(fù)荷一致。
STS—SVM技術(shù)是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。它既可以應(yīng)用于組合變流器中，也可以應(yīng)用在級聯(lián)型多電平變流器中。它同時(shí)具備了SVM技術(shù)和組合相移SPWM技術(shù)的優(yōu)越性。其調(diào)制原理簡言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯(cuò)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(gè)變流器單元的左右橋臂分別進(jìn)行相同幅度調(diào)制比，頻率調(diào)制比下的SVM控制，并使左右橋臂的采樣時(shí)間相互錯(cuò)開△t，△t=T／2 (1)
式中：T為開關(guān)周期。
這就是橋內(nèi)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(gè)變流器單元同側(cè)橋臂的采樣時(shí)間相互錯(cuò)開△t橋間
△t橋間=Ts/2N (2)
采用這種控制方法，當(dāng)幅度調(diào)制比M，足夠高時(shí)，每個(gè)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(shù)后，實(shí)際輸出的電壓波形相當(dāng)于所有橋臂調(diào)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(guān)頻率提高了2N倍，亦即實(shí)際的采樣點(diǎn)數(shù)目提高了2N倍，與常規(guī)SVM技術(shù)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(jié)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(dāng)Mr小于某臨界值時(shí)，由于各橋臂的輸出脈沖都比較窄，有可能相互錯(cuò)開而無法疊加出應(yīng)有的電平數(shù)。以單級多電平變流器為例，當(dāng)Mr>0．5時(shí)，相電壓為三電平，線電壓為五電平；當(dāng)Mr<0 5時(shí)，相電壓為二電平而線電壓為三電平。
幅度調(diào)制比Mr與輸出電壓電平數(shù)的具體關(guān)系限于篇幅不再贅述。
2 STS—SVM與其他調(diào)制方式在三相級聯(lián)型多電平變流器中的技術(shù)特點(diǎn)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(diào)制方法還有：
1)基于定次諧波消除技術(shù)(SHE)的階梯波脈寬調(diào)制；
2)載波相移SPWM；
3)多電平SVM技術(shù)。
與基于SHE的階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)相比，STS—SVM技術(shù)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，可以應(yīng)用在對系統(tǒng)有快速反應(yīng)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(diǎn)：
(1)直流電壓利用率提高15％，如果采用不連續(xù)開關(guān)調(diào)制模式，器件的開關(guān)損耗可降低33% ；
(2)STS—SVM按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來直接實(shí)現(xiàn)對電流(磁場)的控制，因而在電機(jī)應(yīng)用等場合更有優(yōu)勢。
多電平SVM技術(shù)是常規(guī)SVM技術(shù)在空間上的拓展應(yīng)用。這種調(diào)制技術(shù)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(kuò)展，其算法也就越來越復(fù)雜，有鑒于此，目前對多電平SVM技術(shù)的研究一般在五電平以下；
(2)多電平SVM下開關(guān)器件的負(fù)荷不均衡也是一個(gè)嚴(yán)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(shù)相比較，STS—SVM技術(shù)是對各橋臂分別進(jìn)行調(diào)制，并不直接控制總的輸出的電壓矢量。在調(diào)制過程中，只須保證各橋臂調(diào)制信號本身的對稱性和均衡性，就能保證總的開關(guān)負(fù)荷的均衡性和總輸出波形的對稱性。在對應(yīng)于同一電壓矢量的不同開關(guān)狀態(tài)的選擇上完全是自動(dòng)的。比較于多電平SVM技術(shù)，STS—SVM具有等效開關(guān)頻率高、輸出低次偕波成分少、開關(guān)負(fù)荷均衡等優(yōu)點(diǎn)。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對于前述的級聯(lián)型多電平變流器STS—SVM技術(shù)，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)主電路結(jié)構(gòu)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(nèi)左右橋臂的采樣時(shí)間錯(cuò)開△t=T8／2[如式(1)所示]。
逆變部分采用三個(gè)單相全橋結(jié)構(gòu)，主開關(guān)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(jī)相連?？刂扑惴ㄖ饕葾DI生產(chǎn)的電機(jī)專用DSP芯片ADMCF328實(shí)現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)中變頻器采用轉(zhuǎn)速開環(huán)，恒壓頻比的控制方式。實(shí)驗(yàn)電機(jī)的額定線電壓有效值為100 V，額定額率50Hz，SVM的頻率調(diào)制比K取21，達(dá)到額定時(shí)的幅度調(diào)制比取O.8。
根據(jù)以上的電路設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)中達(dá)到額定頻率(50Hz)時(shí)，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(yīng)為五電平，與前面的分析相一致。
對圖3所示波形進(jìn)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=2×21=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(jī)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(shí)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(shí)的幅度調(diào)制比為O．28，因此輸出線電壓應(yīng)為三電平，也與前面的分析相吻合。此時(shí)定子電流波形如圖7所示。
4 結(jié)語
STS—SVM技術(shù)是一種高品質(zhì)的新型開關(guān)調(diào)制技術(shù)，是SVM技術(shù)與多重化、多電平技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，級聯(lián)型STS—SVM變流器可以在較低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，其輸出波形諧波特性好，正弦度高，開關(guān)頻率低，工作對稱，可直接連接負(fù)載而不需添加濾波器，因此，在大功率電力電子應(yīng)用場合有良好的前景。
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