第50卷 第6期 2017焦 截'I} MICROMOTORS V01.5O.No.6 6月 Jun.2017 三电平3 D—SVPWM与CBPWM的一致性研究 李兰芳 ,王映品。,徐晓刚 ,谢运祥 ,曾志武 ,张晓宇 (1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广州510080;2.华南理工大学电力学院,广州510641) 摘要:空间矢量调制法与载波调制法常用于电机控制与电力电子装置控制。空间矢量调制法在多电平时计算复 杂,而载波调制法简单易懂。论文以三电平三相四线有源滤波装置为研究对象,通过建立数学模型,分别计算三维 空间矢量(3D-SVPWM)与载波调制的开关作用时间。通过对比发现,三电平3D-SVPWM的开关时间与同相层叠载波 调制的开关时间一致,通过仿真实验分析验证推理的正确性。结果表明可以用同相层叠载波调制法代替采用邻近开 关矢量拟合的三电平3D-SVPWM调制。 关键词:三维空间矢量;载波调制;三电平三相四线有源滤波器;开关时间 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:1001.6848(2017)06.0051.05 Unity Studies Between Three--level 3 D--SVPWM and CBPWM LI Lanfang ,WANG Yingpin。XU Xiaogang ,XIE Yunxiang ,ZENG Zhiwu ,ZHANG Xiaoyu ,(1.Electric Power Research Institute,Guangdong Power Grid Co.Ltd,Guangzhou 510080,China; 2.School ofElectric Power,South China University f oTechnology,Guangzhou 510641,China) Abstract:Space vector pulse width modulation—SVPWM and carrier.based modulation are commonly ap— plied in motor control and electronics devices.The calculation of SVPWM iS complex in multi.1evel conve ̄. er.while CBPWM still in simple.The paper toke three level 3.phase 4.wire active power filter device as re. search object.built up mathematical model。and calculated switching times in 3 D—SVPWM and CBPWM re. spectively.After comparisons.found that t}le switching times in 3 D—SVPWM are the same with in CBPWM. Simulation and experimental results validate the correctness of the deduction.So that can apply in phase stack CBPWM to replace nearest three space vector pulse width modulation. Key words:3D—SVPWM;CBPWM;three level 3-P 4-W APF;switching time 0 引 言 目前研究和应用最为普遍的两种方法是载波调制 (Carrier—based Pulse Width Modulation,CBPWM)和空 PWM波,以形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链 圆。该方法不但用于电机运动控制,也用于基于电力 电子变换器的电能质量治理装置 。 现有文献对两电平空间矢量法与规则采样PWM 的关系进行了研究 ;研究了空间矢量与载波调制的 关系并进行三次谐波注人调制【4 ;将三角载波PWM 与空间矢量的关系推广到多电平,但只用K=0.5进 行零矢量分配 ;在两电平取零矢量的正负相等时证 明载波调制与空间矢量的关系 ;证明了两电平3D— SVPWM与载波调制的归一化 ;对比了两电平三相 四桥臂的空间矢量与载波调制的关系 ;对比了多电 平的空间矢量与载波调制,提出空间矢量有更多的自 由度 ;分析空间矢量与载波调制在五相系统的关 系¨ ;证明四桥臂3D-SPWM与3D—SVPWM的等效关 间矢量脉宽调制法(Space Vector Pulse Width Modula— tion,SVPWM)。载波调制方法操作简单,易于实现, 便于多模块级联,但直流侧电压利用率不高,无法对 直流侧电压进行控制。SVPWM物理意义明确,便于 微机实时控制,并且具有转矩脉动小、噪声低、电压 利用率高等特点,而且还可以利用电压矢量的冗余状 态来实现对直流侧电压的控制及降低开关损耗 。 空间矢量调制SVPWM是以三相对称正弦波电压 供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准, 以三相逆变器不同开关模式作适当的切换,从而形成 收稿日期:2016—08—17,修回日期:2016—09—12 基金项目:中国南方电网有限责任公司科技项目(GDKJXMO0000015) 作者简介:李兰芳(1981),博士,高级工程师,研究方向为电能质量,配电自动化。 王映品(1985),博士研究生,助理研究员,研究方向为电力电子变换器,电能质量治理。 ・52・ ▲'I}机 5O卷 系 ;证明两电平SPWM与SVPWM的一一对应关 系 ;证明优化开关模式SVPWM与载波PWM的一 致陛 ;证明过调制区SVPWM与CBPWM的一致 性u引;提出SVPWM在8段时与载波PWM一致,在 10/12/14段时载波调制无法实现¨ ;分析了虚拟空 间矢量与载波调制的内在联系 刮;分析了控制矢量 圈= 到Ol一 一0坐标为 dt (2) 0 一SopSo. 与载波调制在8开关逆变器中的关系 ;通过优化两 电平三维空间矢量的结果与载波调制的一样l1引;分 析了三电平空间矢量与载波调制在过调制区的关 系¨ 。以上文献均没有对三电平三相四线三桥臂的 式(1)通过Clarke变换式(2),从abc坐标变换 Ls 一 ,0 3D-SVPWM与载波调制的关系进行证明。 本文以三电平三相四线有源滤波装置为研究对 象,通过建立数学模型,分别计算三维空间矢量 (3D—SVPWM)与载波调制的开关作用时间。通过对 比发现,三电平3D—SVPWM的开关时间与同相层叠 载波调制的开关时间一致,通过仿真实验分析验证 推理的正确性。结果表明同相层叠载波调制的开关 作用时间与三电平3D—SVPWM采用邻近开关矢量拟 合的作用时间一致。 1 三电平三相四线有源滤波器模型 三电平三相四线有源滤波器的拓扑如图1所示。 该拓扑是三桥臂电容分裂式的三电平三相四线有源 滤波器,每个桥臂有4个开关管,直流侧有两个电 容,中点接地线。 图1 三电平三相四线有源滤波器电路图 图1所示的三电平三相四线有源滤波器的数学 表达式如下: dic___z=一 一df。5叩 1+s “ +eA— Ⅳ 。Ⅳ 警一 曲一SbpUd ̄。 妣+eB dice£ =一 一.s印 l+Is dc2+ec一 Ⅳ (1) c dido2c =一So. 一Sb. 6一So. , 出 0 一Rs 0 一s ed 0 0一 一 Ⅳ0 0 e日 , 号 丢 3S叩o 0 + eO d 出1 0 L1 3 0 一 一2 寻 一3So.0 0 L2 ,1 d“dc(3) 2 三电平三维空间矢量调制3D.SV Ⅲ 2.1三电平三维空间矢量介绍 三电平三维空间矢量调制的电压矢量如图2所 示,在Ot一 平面的二维空间矢量如图3所示,27 种空间矢量在Ol一 一0坐标系用直流电压单位化的 值如表1所示。 图2三电平三相四线三维空间矢量图 图3三电平空间矢量在ot一 平面的表示 表1在O ̄o坐标系的27种开关矢■ 6期 李兰芳等:三电平3D—SVPWM与CBPWM的一致性研究 ・53・ 续表1 A 曰 C D + 岍 ~ + 一 ≤ > 曙 < l ^ < / 6 2.2基于gh坐标的三电平SVPWM法开关时间计算 坐标法是2000年提出的,也称为60。坐标 法。该方法将二维空间矢量从0。开始分为6个区如 图3所示。3D—SVPWM法比2D—SVPWM法多一个零 序分量。本文先用 坐标法求出,2D—SVPWM法的 各矢量作用时间,再考虑零序分量,获得3D-SVP— WM的各矢量作用时间。 参考电压 在 坐标系表示为(It ,u ),与 和abc坐标系的关系如式(4),式(5)是极坐标表 达形式。 【 】=[兰-21√/, f31 u  ̄,】= 【三 。]I a I c4 j. :2√3 sin(叮r/3一 )/ (5) 【u =2 sin 根据的(M ,u )大小将每个区再分为4个区, 划分方法为 Sub: 在计算各开关的通断时间时通常根据电流的正 负又将A区与C区分为A1、A2与Cl、C2,如图3 所示。空间矢量法先确定参考电压矢量所在的扇区, 采用最近的矢量进行拟合,矢量所用时间见表2。 本文以参考电压矢量在第一扇区第二子扇区为例进 行开关作用时间计算。 为开关周期。 表2在第一扇区矢量作用时间 2.3 3D—SVPWM开关时间计算 3D—SVPWM电压矢量作用时间为 {I- + i+ + + += n + r(7) 为了方便计算与理解,先将不考虑零矢量,即 按 坐标系计算出2D—SVPWM三个矢量的作用时 间为, f【 i + ++ = (8) 再考虑零序分量计算零矢量的正负矢量作用时 间为 z+ + + + = Vo+ = (9) 以第一扇区B子扇区为 , 12 12+ 1 1+To1‰+ 01p= . 一一{l 一 , L 12+ 1+ 1 +To1 =Ts (1O) 从表2可获得基于gh坐标的2D—SVPWM作用时 间: ・54・ |II● 5O卷 rT12=TsH, { = ( 一1) (11) 【ro1= (2一M 一“ ) 从表1可得到零序分量: fT12‘0一Tl。V如/6一Tm ・Va/3+Tmp ・V出/6=T Vo【rr01 +T01。=T0l (12) 由式(12)得: if -。 :亍÷ 一 -+ 一寺 +22 —Vo—rr// .v=c。 3 将式(11)代入式(13)得: 『 - =— (3一u曙一2ttrh) +2Vo一 /v= ‘ { . (14) l ro = 1(3—2u — ) 一2 一r/ ’ 矢量V。的开关状态为(1—1—1),矢量V :的 开关状态为(1 0—1),矢量V。。。与V。。 的开关状态 分别为(1 0 0)和(0—1—1)。基于8段合成参考电 压法,以开关损耗最小的方式,从零矢量的正矢量 开始,每次变一相的开关,两边对称,按1 O 0—1 0 —1 1—1—1— 一1—1—}1—1—1_+1 0—1 1 0 0,如图4所示。 定义开关状态不为0的为开关作用状态,第一 扇区B子区的三相开关作用时间为。 -。 2 (15) l 1 将式(iI),式(14)代入(15)得 = I(2u僭+“ ) +2Vor/ ・ :了1(2u —u ) 一2Vo—r/I,d ・ (16) = 1( +2 )r一2Vos—r/ 。・ l 0 I: : I —1 1 0 l l I 1 l I l I I l I I I l ll 0 I I l I Il I : : :: l 一l ’’ ’ ’互。 。墨互2 222 22图4第一扇区B子区的开关序列 将式(5)代人式(6)得: = ( sin(60 + sin + —....。.。................L 2Vor/ 。。 1● ,●●●●J =÷(警sin(60 一 s—............i...n...= . 一.........L 1 0 O 2 ,d 。 1 O 1 一r/I= ( sin(60 +警sin 一 2Vo—r/ ‘ (17) 整王单后得. : 一 : (18)¨ : 。 2.4同相层叠载波调制法 按同相层叠载波调制法计算开关作用时间的示 意图如图5所示。 图5 同相层叠载波调制法 三相不对称电压: f = cosO+ { = COS(0—120)+vo (19) Ll,c= COS(0+120)+ 按同相层叠载波调制法计算各相开关时间为 r =2r.1 cosO+ I/ { =2 I c0s(0—120)+ I/l,d。 (20) L =2 I c0s(0+120)+ I/ 。 由于a相电压大于0,b相与C相小于0,得: r =2 ( cosO+ )/ { =一2 ( cos(0—120)+ )/ (21) 【 =一2r.( 胡cos(0+120)+Vo)/ 由式(21)与式(18)的结果一样可得三电平的 3D—SVPWM调制的开关作用时间与同相层叠载波调 制的作用时间一样。采用以上方法对其他扇区进行 6期 李兰芳等::j电平3D—SVPWM CBPWM的一致性研究 ・55・ 计算,结果均一样,由此得出采用邻近矢量分8段 拟合的3D.SVPWM与同相层叠载波调制法在三电平 三三相四线三桥臂中是一致的。 0 O 0 3 ,一 ● _苫-- O O 0—J- 0 加 采用三电平的3D-SVPWM调制法需进行两次分 区,计算过程复杂,而同相层叠载波调制法直接由 电压值可计算出开关作用时间,过程简单,且不会 有扇区判断误差。 图8变换器输出电压与系统电流 3仿真实验验证 3.1仿真分析 3.2实验分析 实验采用三电平三相四线三桥臂的有源滤波器, DSP控制模块的型号是TMS320C6747,调制算法采 用载波调制,采用Tek示波器进行测量。实验结果 如图8所示。 仿真用Matlab/Simulink进行,模型所采用的系 统参数如表3所示。变换器输出电压u w 、变换器 输出电压的以0.001 s取的平均值 系统电流, 在 系统电压 、 由图8可知,载波调制的开关变换稳定,系统 坐标系的结果如图6所示;调制 电流的补偿效果较好。 输入信号InSingal、空间矢量调制输出SVPWM、载 波调制输出CBPWM以0.001 s取的平均值在 标系的结果如图7所示。 坐 4 结 语 由正文的开关时间计算,公式推导结果可知三 电平三相四线空间矢量调制3D—SVPWM与载波调制 CBPWM法的结果一致,通过仿真与实验证明了该推 导的正确性。空间矢量法较为灵活,只是在最常用 蠹 : 】 的最近矢量8段拟合方式与同相层叠载波调制一致。 因此可以用同相层叠载波调制代替最近矢量8段拟 ’ __¨ 0'一。。 \二 - 。 f一l。“ ~2 00 合空间矢量调制方式,减少分区与简化计算。 图6输出电压与电流结果 参考文献 [1] 刘云峰,何英杰,陈娟,等.二极管钳化多电平宅问矢量 载 波调制策略统一理论研究[J].中国电机工程学报。2015(5): 1203 12l0. 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