电流型组合变流器矢量控制技术研究

摘要：阐述了电流型组合相移空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的基本原理和优点，该技术与组合相移正弦脉宽调制(SPWM)技术基本原理相同，但其电流利用率较高，且便于数字化实现。分析了电流型变流器基本工作原理，并依据组合变流器系统中变流器单元的工作特点提出了简单的基于d，q坐标的控制方案。最后进行了系统样机实验及数字仿真，结果证实了相移SVPWM技术的有效性和所提出的控制策略的正确性。
关键词：变流器；相移；空间矢量脉宽调制

1 引言
提高电力电子变流装置的功率容量，改善其输出性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一。大功率装置对变流装置的输入输出特性有较高要求。目前，为满足低损耗要求，大功率可关断器件开关频率一般限制在1 kHz以下，不能单纯依靠PWM法实现低谐波，相移SVPWM是一个较好的解决方案，因而被广泛研究和应用。

2 相移SVPWM技术原理
图1为所提出的组合变流器及其控制框图。为防止直流侧电流断路，同时遵循交流侧电流PWM基本原理，必须保证上、下侧桥臂中各有且仅有一路导通。这样三相桥臂共有9种组合状态：设某相上桥臂导通，下桥臂关断时，其值为1；下桥臂导通上桥臂关断时，其值为-1；其他情况其值为0；则变流器三相交流侧电流iwj(j=a，b，c)为：
iwj=YjId (1)
式中：Yj为三值逻辑待定系数(取0，-1，1)；Id为直流侧电流。

这样将获得9个基本电流矢量，在α，β坐标系下可表示为如图2所示。

电流矢量i*在复平面上随时间变化的轨迹为圆。对三相正弦电流调制波采样，其采样频率为fs，则离散电流矢量i(k)及其位置角φ(k)可表示为：

式中：M，f为正弦电流调制波的幅值、频率。
具体矢量模式转换原则是：从一个基本矢量转换到另一个基本矢量的过程中，有两个功率器件的状态同时发生变化，且在任意一个大的特征区间中，总有3个功率器件的状态保持不变。这样可尽可能减少每相电流矢量的最大偏差。
相移SVPWM与相移SPWM基本原理相似。具体而言，就是图1的n组变流器单元中，所有单元采样点依次相位差△θ=2πf／(fsn)。
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3 基于d，q坐标的组合变流器控制策略
电流型PWM变流器工作原理可等效为两个相互关联的受控源电路。三相电流型PWM整流桥在交流侧可等效为三相交流电流源，而在直流侧可等效为直流电压源。对组合相移电流型PWM变流器网侧电流ij而言，各组变流器单元交流侧电流iwjk(k=1，2，…，n)是控制量，适当调节iwjk就能控制ij的相位以控制功率因子；控制ij的幅值以控制传入变流器的能量，也就控制了Id。
在系统电网三相平衡且忽略高次谐波的分析中，以a相电压为参考，，第k个电流型变流器模块三值逻辑控制量Yak的基波为：

式中：K为坐标变换矩阵。
由图1知电流外环调节系统有功功率输入，系统网侧电流无功分量外环调节系统无功功率；系统通过内环负反馈控制，消除各模块间均流误差en，en=Id／n-Idn，强迫各变流器模块间电流均流，即实现Idk=Id／n，途径之一是调节各模块直流侧电压Udk，Udk=3UMkcosφ)。在d，q坐标下Udk=3UMkd，对该式做微扰可得△Udk=3U△Mkd，设△Mkd=ek可得△Udk=3Uek。控制方案中，△Mkd作为外环调节器输出Mkd的修正，与Mkd共同完成第k组模块SVPWM控制。

4 实验
以DSP 28335及CPLD EP1K30TC144-3构建三相电流型四单元相移组合变流器。DSP负责错时采样及系统闭环运算，CPLD负责相移SVPWM信号发生。电网电压380 V；单元电流型变流器功率10 kVA，并网额定电流15 A，开关频率900 Hz；组合变流器直流侧总电流100 A。图3为交流侧相电流实验波形，验证了控制策略的正确性，4组变流器模块单元间均流效果良好，在实现系统网侧电流正弦化同时，减少了系统对电网的谐波污染。

在Matlab／Simulink中仿真，相电流频谱如图4所示。可见，单组SVPWM变流器低次谐波主要在开关频率(900 Hz)附近，而相移SVPWM组合变流器低次谐波主要在4倍单组开关频率(3．6 kHz)附近，说明该技术将系统等效开关频率提高了4倍。

5 结论
相移空间矢量脉宽调制组合变流器能满足大功率和低谐波技术要求。在保留原有系统拓扑结构和较低单组开关频率前提下，改善了系统直流侧与网侧特性，极大地削弱了系统直流侧电流的波动和网侧电流的谐波，实现了“绿色”能源转换。