一种应用于大功率有源逆变的最小开关损耗相位差式SVPWM调制算法

２０１２年第２期　工业仪表与自动化装置　・３１・　一种应用于大功率有源逆变的最小开关损耗　相位差式ＳＶＰＷＭ调制算法　胥良，姚飞　（黑龙江科技学院电气与信息工程学院，哈尔滨１５００２７）　摘要：在深入分析有源逆变及ＳＶＰＷＭ调制的基础上，从减小大功率有源逆变开关损耗的角度　出发，提出了一种适合于大功率有源逆变的最小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ新算法。该方法根据　有源逆变的负载特性，在将有源逆变器开关管频率降到最低的基础上，开关管在平均电流最小的区　域动作，最大程度地减小了开关损耗。该方法还使各相开关管间隔导通、受热均衡，提高了开关管　运行的可靠性。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真结果验证了该算法的正确性和有效性，且易于实现。　关键词：大功率有源逆变；最小开关损耗；相位差式ＳＶＰＷＭ；受热均衡　中图分类号：ＴＭ７６　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—０６８２（２０１２）０２—００３１—０４　Ａ　ｎｅｗ　ｐｈａｓｅ．ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ＳＶＰＷＭ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｗｉｔｃｈ　ｌｏｓｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＸＵ　Ｌｉａｎｇ，ＹＡＯ　Ｆｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｆｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｎｅｗ　ｐｈａｓｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ＳＶＰＷＭ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｗｉｔｃｈ　ｌｏｓｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｌｏｓｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｅａｓｔ　ｂｙ　ｃｏｎ－　ｔｒｏｌ　ｐｏｗｅｒ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｕｂｅｓ　ａｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌｅｓｔ　ａｖｅｒａｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｏｗｅｓｔ　ｓｗｉｔｃｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔａｋｅ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｌｉａ－　ｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｕｂｅｓ　ｂｙ　ｂａｌａｎｃｅ　ｔｕｂｅｓ’ｈｅａｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍａｋｉｎｇ　ｅｖｅｒｙ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｕｂｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｉｎ　ａ　ｐｅ—　ｒｉｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｆｏｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｗｉｔｃｈ　ｌｏｓｓ；ｐｈａｓｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ＳＶＰＷＭ；ｈｅａｔ　ｂａｌａｎｃｅ　０　引言　电压空间矢量调制方法（ＳＶＰＷＭ）能够提高电压　型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应特性，同　功率管受热平衡的角度出发，提出了一种应用于大　功率有源逆变的最小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ调　制算法。传统的两相ＳＶＰＷＭ调制　Ｊ，将开关频率　降到了最低，但没有考虑功率管开关时相电流的大　时还能减小电动机的转矩脉动等¨Ｊ，所以被广泛地应　用于交流调速的应用系统中。在高压大功率调速系统　中，提高系统的工作效率和降低功率器件的开关损耗　是比较突出的问题　。Ｊ。文献［２—３］对开关损耗进　行了研究，并提出了降低开关损耗的新方法。文献　［４］比较了三相ＳＶＰＷＭ和两相ＳＶＰＷＭ调制策略，　提出两相ＳＶＰＷＭ控制策略更适合于大功率变流。　该文在深入分析各种ＳＶＰＷＭ调制方法的基础　上，针对大功率有源逆变，从降低功率管开关损耗及　收稿日期：２０１１一ｌ２—１４　基金项目：黑龙江省教育厅项目（１１５４１３２１）　小，并且还会使各功率管动作不均衡，影响功率管的　运行可靠性。该控制策略根据有源逆变器交流侧的　负载特性，合理安排各扇区中的矢量组合序列，在功　率管开关频率降到最低（每个ＰＷＭ周期开关４次）　的基础上，控制开关管在每相中平均电流最小的区　间动作，最大程度地减小开关损耗，即最小开关损　耗。这种方法还降低了开关管的电流应力。文中给　出了该方法的理论分析和推导过程，并通过仿真实　验验证了该方法的正确性和有效性。　１传统ＳＶＰＷＭ有源逆变　１．１　ＳＶＰＷＭ基本原理　作者简介：胥良（ｔ９６６），男，黑龙江牡丹江人，教授，硕士生导师，研究　方向为电力电子与电气传动，主持省部级课题多项，发表论文２０余篇。　ＳＶＰＷＭ控制策略是根据对变流器基本电压矢　・３２・　工业仪表与自动化装置　２０１２年第２期　量的切换，来获得与指令电压相同的电压矢量的思　想来控制变流器的。由ＩＧＢＴ构成的三相电压型有　源逆变器主电路如图１所示。　图１　三相电压型有源逆变器主电路　三相ＰＷＭ逆变器中，可通过改变Ｓ　～Ｓ　六个　开关管的开关状态，获得８个基本电压空间矢量，分　别为：Ｖｏ（０００）、Ｖ　（００１）、　（０１０）、Ｖ３（０１１）、　’／４（１００）、Ｖ５（１０１）、Ｖ６（１１０）、ｖ７（１１１）。其中，’／ｏ和　为零矢量，其他６个为非零矢量，它们构成的电压　空间矢量分区图如图２所示。图中共有６个扇区，　对于任意一个指令电压，无论处于哪一扇区，都可以　由相应的非零矢量和零矢量合成。　ｆ叭Ｏ　∥　（Ｏ１０）　∥　Ａ　一　～’　＼暗　　＼　￣（０１０Ｎ　／＇５（ｕ１０）　【ｕｌ　ＵＪ　图２电压空间矢量图　以第１扇区为例，若指令电压处于第１扇区，则　耐可以由　、　和零矢量来合成，其他扇区与第一　扇区类似。这样，通过设定’，　，就可以得到在电压　空间向量平面平滑旋转的电压空间矢量。　１．２　ＳＶＰＷＭ有源逆变　根据图１，可以得到三相桥式电压型逆变器在　三相静止坐标系（口，ｂ，Ｃ）中交流侧的数学模型（状　态方程）　为：　警　＝一［蚕　曼］［篆］一［　三寻］［　］＋　『ｌ　］０　ｏ　１　Ｊ　　ＰＷＭ逆变器可以四象限运行，从式（１）可以看　出，通过调节逆变器交流侧电压（’／ｄ，　，　），就可　以改变输出电流（ｉ。，ｉ　ｉ）。　通过调节交流侧电压，可使逆变器工作在Ａ＝一１　的有源逆变状态。稳态条件下，逆变器交流侧矢量关　系如图３所示。　｝　Ｒ　图３　ＰＷＭ逆变器交流侧稳态矢量关系图　２最小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ调制算法　在深入分析ＳＶＰＷＭ有源逆变的基础上，下面　给出应用于大功率有源逆变的最小开关损耗相位差　式ＳＶＰＷＭ调制算法。　２．１相电压　与相电流Ｊ的相位差　从图３可以看出，以Ｅ为参考矢量，假设矢量Ｅ　和ｊ不变，通过调节Ｌ和Ｒ的值，即可以调节Ｉ　Ｉ　和Ｉ　Ｉ，从而也就可以调节　和Ｅ的相位差０。可　以调节逆变器交流侧电感　和电阻Ｒ，使相位差０＝　３０。，即逆变器交流侧的相电压　的相位角超前电　源电压　的相位角３０。。具体计算方法为：　Ｉ　ｌ＝ＩＩＩ　Ｒ　（２）　１　　Ｉｖｌ＝（　＋Ｉ　ＶＲ　　ｌ（３）　ｌ　ｌ＝（１ＥＩ＋ｌ　Ｉ）ｔａｎ３０。　（４）　ｌ＇，Ｌ　ｌ＝ｔｏＬＩＩＩ　（５）　由式（２）～式（５），可得：　（１　Ｅ　Ｉ＋１　Ｉ）ｔａｎ　３０　（１　Ｅ　ｌ＋ｌ　Ｉ　ｌＲ）ｔａｎ　３０　Ｌ　——　∞ｌ，ｌ¨　¨一一一一　Ｉｌ　Ｉｌ　ｌ（６）　式（６）即为由相位差确定交流侧电感，Ｊ的计　算式。　假设’，和Ｅ的相位差０＝３０。，只要给定适当的　Ｒ值（文中仿真实验取Ｒ＝１０　ｎ），就可以计算出　ｌ　Ｉ，从而可得出Ｉ　ｌ和　的值。　当相位差０＝３０。且逆变器处于Ａ＝一１的有源　逆变工作状态时，交流侧电流，滞后于电源电压　Ｅ的相位角１８０。。这样可以得到：当逆变器工作于　Ａ＝一１的有源逆变状态并达到稳态时，逆变器交流　侧电流Ｊ滞后电源电压Ｅ的相位角为１８０。，交流侧　２０１２年第２期　工业仪表与自动化装置　・３３・　电压　超前电源电压　的相位角３０。，即交流侧相　电压超前交流侧相电流的相位角为２１０。。波形关　系示意图如图４所示。　／＼　／／／＼　Ⅵ　Ⅳ／ｖⅥ　—×■　＞＜－　Ｘ　Ｘ　Ｘ　×　＞＜／　、Ｘ　Ｘ　Ｘ　Ｘ，，　图４相电压相电流的相位差波形示意图　从图４可以看出，在一个周期中，在横坐标相同　的位置上，交流侧各相电流与其对应的各相电源电　压的数值的绝对值大小是一一对应的。这样，只要　使指令电压　。，在三相静止坐标系（口，ｂ，ｃ）中的三　个轴向电压矢量　＝　＝　ｌｌ　＝　、　和　的相位角分别超前逆　变器交流侧三相电源电压Ｅ　、０　　和Ｅ　的相位角　３０。，并在指令电压　。＋　　的合成时，采用两相ＳＶＰＷＭ　调制方式。在第１、Ⅲ、Ｖ扇区选用零矢量　’／７（１１１），在第Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ扇区选用零矢量　（０００）。　即可使每相中有开关动作的扇区中通过的平均电流　达到最小，实现最小开关损耗的有源逆变。　２．２相位差式ＳＶＰＷＭ算法的实现　相位差式ＳＶＰＷＭ算法的实现，要计算每个扇区　中的矢量切换点。下面以第１扇区为例作以说明。　／Ｌ：　　　：：＼：霸：　：　：　：：　／：　：　：Ｔｏ　ｎ２　乃７－…　｛一＋－　－｛・　－＋一｝．…　．．．～；．．三一　．．ｊ…　…．　●　●　－　●　●　●　－　Ｓｊ：　：　：　：：　：　：　Ｉ　●　●　ｌ　Ｉ　●　●　：卜　—＿十—　：　Ｓ２：　ｊ　：　：　：　ｊ　：　ｒ——　１－ｌ‘ｒ—Ｉ　ｓ３：　：：：　ｌ卜—Ｈ　：　Ｊ　：：　：：　　图５最小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ　调制扇区Ｉ矢量切换点示意图　在第１扇区中，选用的零矢量为’／７，矢量序列　为：　—　一’／７一　—　一’／４。ＳＶＰＷＭ调制波形　示意图如图５所示。　图５中包含三角载波和用以与三角载波进行比　较而产生ＰＷＭ波形的４个比较值　、　、７１ｃ、　及　该扇区的电压空间矢量序列。　设　、　分别为每一扇区内２个先后出现的非　零矢量的作用时间，　为载波周期的一半。则４个　比较值的计算式为：　设　、　为每个扇区中Ａ、Ｂ、Ｃ三相用　以与三角载波进行比较而产生ＰＷＭ波形所分别采　用的３个比较值。则在第１扇区中：　，　ｎｔ＝　｛　＝　（８）　ＬＴ＝ｏ　Ｔ８　同理，可以得到其他５个扇区中的矢量切换时　间　、　和　。。　３仿真及结果分析　为了验证最小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ算法　在有源逆变中应用的有效性，对其进行仿真验证。　３．１仿真模型的建立　利用ＭＡＴＬＡＢ７．１／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了有源逆变最　小开关损耗相位差式ＳＶＰＷＭ仿真模型，如图６所　示。仿真参数设置：　＝３１０　Ｖ，ＰＷＭ周期　＝　０．００２　ｓ，Ｒ＝１０　，Ｌ＝４２．８８１　ｍＨ，逆变器输出交流　基频为５０　Ｈｚ，三相电压源为２２０　Ｖ，５０　Ｈｚ。调制波　生成模块如图６所示。　Ｍｕｌｔｉｐｏｒｔ　Ｓｗｉｔｃｈ　２　图６新的调制波生成模块　各扇区中确定矢量切换点的对应值如表１所示。　表１每个扇区中三相切换时间了　。，ｌ　：，Ｔ　，对应的比｛蚕值　扇区号　Ｉ　Ⅱ　Ⅲ　Ⅳ　Ｖ　Ⅵ　・３４・　工业仪表与自动化装置　２０１２年第２期　３．２仿真波形的分析　５０Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　０　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　图７～图９分别给出了在最小开关损耗相位差　０　Ｏ０　　９　８　７　６　５　４　３　２　Ｏ　０　９　８　７　６　５　４　３　式ＳＶＰＷＭ调制下的２个周期内的Ａ相调制波形　图，Ａ相开关管（ｓ１和Ｓ４）的脉冲波形图和Ａ相相　电压　、相电流，　及电源Ａ相电压Ｅ　的相位比较　波形图。　图７　Ａ相调制波形图　图８　Ａ相开关管（Ｓ１和Ｓ４）的脉冲波形图　根据图７和图８可以看出Ａ相开关管（Ｓ１和　Ｓ４）在第１和第Ⅳ扇区共１２０。的区间内无开关动　作。图９可以看出，在第１和第Ⅳ扇区，Ａ相电流恰　好都达到最大值，并且这２个扇区分别对称地分布　于正、负半周２个峰值的两侧。这样，每个峰值及附　近有６０。不开关区域，从而验证了该方法的正确性　和有效性。　＿５【）（】　０　０．００５（）．Ｏｌ０　０．０ｌ５　０．０２０　０．０２５　０．０３０　０．０３５　０．０４０　ｓ　ｊ　２０　≤０　　【／下＼　Ｉ　／十＼　２０　Ｉ＼　／　ｌＩ　＼～　／　ｌ１　０　０　００５　０．０ｌ０　０　０ｌ５　０　０２０　０．０２５　０　０３０（）．０３５　０．０４０　／／ｓ　５００　ｌ　／一　、、　／／，　一＼Ｉ　０　、　Ｉ　＼＼　…／　＼Ｌ／　５００　Ｉ　．图９相电压’，Ⅱ、相电流ｆ　及电源电压Ｅ　的相位　比较波形图　４结论　该文在深入分析ＳＶＰＷＭ基本原理和有源逆变　负载特性的基础上，从降低大功率ＳＶＰＷＭ有源逆　变开关损耗的角度出发，提出了一种相位差式ＳＶＰ—　ＷＭ调制算法，可以得出以下结论：　１）这种新的控制策略能提高系统的工作效　率，节省电能，并且算法简单，易于实现。适用于　大功率系统（如大功率交流调速系统，风电并网系　统等）。　２）最大开关电流从，　降到了Ｉｍｓｉｎ６０，降低了开　关管的电流应力；且在一个周期内，各开关管间隔导　通、受热均衡，提高了开关器件运行的可靠性。　参考文献：　［１］　Ａ　Ｍ　Ｔｒｚｙｎａｄｌｏｗｓｋｉ，Ｒ　Ｌ　Ｋｉｒｌｉｎ，Ｓ　Ｆ　Ｌｅｇｏｗｋｉ．Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗｉｔｈ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｌｏｓｓｅｓ　ａｎｄ　ａ　Ｖａｒ—　ｉａｂｌｅ　Ｐｕｌｓｅ　Ｒａｔｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｏｍｉｃｓ，　１９９７，４４（２）：１７３—１８１．　［２］　闫朝阳，朱桂萍．ＰＷＭ控制算法对大功率变换器损耗影　响的研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１０，４４（１２）：４１—４３．　［３］　张兴，季建强，余勇，等．电流型ＰＷＭ整流器低电压应　力空间矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）研究［Ｊ］．中国电机工程　学报，２００４，２４（２）：１４４—１４９．　［４］　Ｃｕｒｓｉｎｏ　Ｂｒａｎｄａｏ　Ｊａｃｏｂｉｎａ，Ｓｅｎｉｏｒ　Ｍｅｍｂｅｒ．Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｃｌａａｒ　Ｐｕｌｓｅ—ｉｗｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：Ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　Ｎｏｎｓｉｎｕｓｏｉ—ｄａｌ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ—　ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｈｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００１，１６（３）：３５１—３５９．　［５］　张少伟．ＳＶＰＷＭ在有源逆变中的研究与应用［Ｄ］．北　京：华北电力大学，２００９．　［６］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２００３：６２—１１２．