二极管箝位五电平变换器的直流均压SVPWM快速算法

二极管箝位五电平变换器的直流均压SVPWM快速算法 . . 第 卷第 期 固 年 月 电力自动化设备. 二极管箝位五电平变换器的直流均压快速算法 朱海锋,舒泽亮,高仕斌 西南交通大学 电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,四川 成都 摘要:提出一种适用管箝位多电平变换器的均压多电平 快速算法,该算法在 坐标系下将 多电平 算法中的参考矢量变换、顶点坐标计算、矢量判区和作用时间计算等分解为快速简单的计算, 继而通过遍历所有冗余开关矢量,预测下一开关周期内冗余开关矢量对直流电容电压的影响,选择输出可使 直流电容电压回归均衡值能力最强的最优开关矢量。仿真结果比较了传统算法和所提均压多电平算法.验证了所提算法的有效性。最后 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了基于可编程逻辑器件的 算法的控制核心,通过 小容量实验系统研究验证了所提算法良好的动静态性能。 关键词:二极管箝位多电平变换器 直流均压与稳压; ;变换器;脉宽调制 中图分类号: 文献标识码: : ./. . . . .以控制中点电平.比较容易实现两串联直流电容的引言 均压目的 在更高电平数的应用中,优化 二极管箝位多电平变换器适用于大容量高性能 方法在有功分量较小的前提下较易实现电压的平衡 的中高压电力电子设备,如大型交流电机驱动、无功 与稳定.平衡条件与负载电流的相角有关,其稳压 补偿、有源滤波和高压直流输电等一。该变换器利 算法较复杂.在多电平应用中实时计算与控制较 用多个直流电容将母线电压均分为多个部分,每个桥 困难.是该方向研究的难点问题之一。 臂中串联的开关器件通过二极管连接在各个直流电 本文研究 坐标系下的均压多电平容的两端.将各器件的电压箝位到一个电 容的电压 算法 该算法不增加主电路硬件.不改变其他控制模 上 因此,单个开关器件、二极管和直流电容等的额 块,只改变调制算法模块。利用 坐标系下定电压和电流 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 显著下降 但是, 该类型变换电路 算法的简单快速特性 .遍历所有可用开关矢量.评 中直流电容的充放电易导致电容电压不平衡问题 。 估可用矢量对直流电压的影响.最后输出可使偏移 理论证明:在足够高电平数的系统中,电压稳定与不 的直流电容电压向均衡值恢复能力最强的开关组 稳定区域的边界满足曲线 :、/ / 不 。例 合.使得直流电容电压恢复到均 衡状态。本文给 如在传递纯有功功率时要求的调制深度小于 出了 坐标系下最优矢量的计算流程,设计了基 约 . :在无功补偿或谐波滤波应用中.由于变换器 于可编程逻辑器件的控 制核心.并在五电平无功 启动升压和稳压动态过程中需要与电网交换有功. 补偿变换器仿真与实验 中验证了该算法的有效性 因此也会造成直流电容电压偏离均衡值 如果直 二极管箝位多电平变换器的均压问题 流电压失去均衡.电压输出将退化成三电平或两电 . 主电路及其简化模型 平.失去多电平变换器所具有的诸多优点,甚至使变 图是一个桥臂的二极管箝位五电平电路与 换器超出正常工作的条件限制.危及电容和开关器件 直流电容的连接图.通过并联 个以上同样的桥臂 的安全可靠工作。因此,直流电容电压不平衡是二 即可实现单相或其他相数的变换器主电路 该电路 极管箝位多电平变换器应用中必须解决的问题 。 的各开关器件 一 被箝位二极管 。一 分 通过辅助均压电路可以实现直流电容电压的均 别箝位到单个直流电容 一 上。由于二极管的 衡控制.该方法不影响原有主电路的控制算法. 箝位作用.开关器件的工作电压小于并联直流电容的 但辅助电路会增加硬件和控制系统的成本和复杂 电压。因此,各直流电容的电压范围决定了开关器 性 在三电平应用中.利用优化的开关状态可 件的电压工作范围。通常。直流电容总电压 可控 收稿日期: ? ? ;修回日期: ? ?并稳定.各电容的电压也是均衡和稳定的 如果电压 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ,不均衡.高于均衡值的电压可能超 过电容或被箝位 开关器件的耐压范围 因此.直流电压的均压是该, 第期 朱海锋,等:二极 管箝位五电平变换器的直流均压 快速算法 囝 由上式可知通过 、:和。就能预测各电容充电 电流的瞬时值 与 下 设单器件的开关函数为: 。 : ?『 / , / / ? .: . 丰 导通?叫一 不导通 其中,, , ,且,?, ,对管的开关状态满足 . .: .产 因此,只需上桥臂 个开关的状态便可获得 、 、, 、 、 下桥臂 个开关的状态。根据图可得基于式 一 一 一 / / . . . 的直流侧与交流侧支路电流满足关系式:. . , 、 则三相五电平电路满足: 、 . : . 其中, 和。是系统三相交流电流的实时值。 因此.根据当前开关状态和三相电流即可计算 斗 一斗 一斗各连接支路电流的实时值。假设五电平变换器中. 桥臂 的开关状态 , , , , 。例如,三相系电路连接示意图 等效电路 统的开关状态, , , , , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示 相 图 二极管箝位五电平变换器一桥臂的电路连接 示意图及其等效电路 的多路开关连接到端点 。 相上桥臂的开关状. 态 ; 相的输出连接端接点 , ? 则; 相的输出连接端接点 ,则 电路安全稳定运行的前提条件。 。。 。代入式 可得 , , 假设直流电容电压 ,?, 相等, 种 。因此,变换器每个桥臂与直流侧各连接支路 开关组合使得输出端口 可分别连接直流侧 的电流 也由 决定,式 可改写为: ,?, 个端接点,分别输出 个电平。因此,图 眠 。 中虚线框中的电路可 等效为图 虚线框中的 其中,逻辑函数取值 , ? 。上式 理想多路选择器, 在信号控制下与 直接 代入式 可知,各直流电容的输入电流可由当前各 联通。每个端点 处输入输出电流包含:交流电流 、 相输出电流和当前的开关状态 计算。 电容 的充电电流 和电容 『 的充电电流 。 . 直流电压不平衡分析 . 电容电流预测 图 分别描述了纯无功电流和纯有功电流情况 由基尔霍夫电流定律知图 中各连接点满 下.直流侧各连接支路电流 在不同电平输出时的作 足:’ :? ,对五电平系统有: 用结果。为简化分析,只考虑五电平输出对称 脉 波的情况,通过导通角 . 及其对称角度可计算 , ,. . 在每个电平区间的积分。积分的结果是主电路与电 ? ,容间转移电荷的大 小,电荷的累积将影响电容的电 假设直流总电压 稳定不变,可知各电容电压 压。根据图 无功电流波形的对称性有: 的偏差之和为零,即? 生。由于电容电流与电一‘ ’ 压的关系满足‘,因此各电容的充电电流之 。 口一 和? 产 ,即: 。 。 ,,联立式、 有:【一 ’一 一 一 。电力 自动化设备 第 卷 偏移量 由于电压均衡时,取最小值,因此,满足/ ? 的开关状态能够使直 流电压向均值回归, 即为可用矢量/ 的取值越小,电压回归均衡的 棚 吣 、 能力就越强。最优开关矢量就是所有可用矢量中能 鞋 《髅 錾雾 够产生。使得式 取值最小的矢量。根据式和式 可估算每一个开关矢量下 产生的充电电流 ,继而通过上述判据遍历所有开关矢量后即可找到 最优的开关矢量。 .坐标系下的 算法 传统 算法的计算量随着电平数的增加 显著增加 如果再包含所有矢量的遍历与最优开关 矢量的选择.基于传统 计算流程的算法复杂纯有功条件 程度将更高。基于 坐标系下的 精简算 图 直流电容支路电流在不同电平数下的分布图 法可以极大地简化算法复杂度。将传统 坐标系.? 下的输入进行线性变换.原来以小数表示的单位矢量 这些结果代入对式的单周期的积分式可得: 边界全部变换为整数边界。 一 个周期内电容输人和输出电荷的累积结果为 。 三相参考电压矢量在口坐标 系下变换为 :, ,可由下式计算: 因此.无功电流不会引起直流电容电压的偏移。, 针对如图所示有功电流进行同样的分析 可知:电容 的输入与输出电荷的累积结果在除 【’【二一刘【 ~外的其他电平下均不为 某些电容将始终被充电 其中, 、 和 是三相参考电压按其幅值归一化 或放电.其表现即为直流电容电压的不平衡和输出 后并放大?一 / 倍的值,?表示电平数。由于 :、 电平数的退化现象 满足椭圆公式,因此 坐标系下圆形的参考矢量 总之.无功电流不影响直流电容电压的偏移。有 的顶点轨迹在 坐标系是如图 中所示的椭圆 功电流是引起电压偏移的根本原因 针对其他电平 形。同时,参考矢量的顶点位于如图 或图数和调制方法的分析可得相同的 结论 口 均压 快速算法 . 最优开关矢量的判据 \. 多电平 算法具有许多优良特性 对于 ,\ 三相五电平变换器.共有 个开关状态.对应的空 间矢量只有 个.其他冗余开关矢量为实现电容电 \ 人 压的均压目的提供了可能 冗余的开关状态对直流 。 电容电压的影响各不一样。其中。使全部电容电压 \ 都能够向均值回归的矢量定义为可用矢量.回归趋矢量轨迹与分区图 势最强的即为最优开关矢量 卢 假设直流电容的容值均为 .则电容的总能量 口 口; 函数为: , ? 口 口; \ 一,一工/ 显然,任意直流电容的电压偏离时.,为正值,电 压偏离越严重,‘,取值越大,电压均衡时.,值最小。对在上三角在下三角 式求导可得: 图 坐标系下的矢量轨迹与分区图与 在上三角或下三角区域的判定示意图.,一? 其中.? 表示第 个直流电容电压相对于均值的第期 朱海锋,等:二极管箝位五电平变换器的直流均压 快速算法 中顶点 、 、 和 所确定的正方形中。如果参 考矢量所在正方形边界的一个顶点的坐标为: ;, ;: ,: 其中,为下取整运算。则其所在最小正方形 区域其他 个顶点的坐标可按下式计算: ,: , ;, ; :,:, : : , 图 基于由坐标系下的控制系统. 显然,如此定义的边界线在 轴的投影都是 整数,这些顶点可与多个开关状态对应。种工作模式 进一步判断参考矢量顶点位于图的上三 当工作在 模式时.控制系统由图 组 角还是在图的下三角边界内.只需对参考矢量 成。首先,负载电流 经过幽变换和低通滤波 的顶点位置与正方形的对角线进行比较即可。其判 后计算无功指令 耐;直流总电压的误差经过 控制 据定义为: 器计算有功指令 。然后,变流器输出电流 在幽 坐标系下进行反馈控制获得电压指令 。最后, : :一 : 卢:当时,参考矢量的顶点位于图的上三角形 输入到均压 模块 并输出信号。 中:时,参考矢量的顶点位于图的下三角形 当系统工作在整流器模式时.图 中的无 中。单位时间内.参考矢量的作用效果可以用所在 功指令 设定为 ,其他模块保持不变。由于 独立于其他模块.因此在对比仿真和实验中该模块 三角形顶点矢量的作用等效。位于图的上三角 易于用其他调制方法替代 时的作用时间满足: . 仿真结果与分析位于图的下三角时满足: 在/ 仿真环境下构建了主电 路与控制系统模型。仿真系统的交流电压 . , 【,直流电压给定.直流电阻负载, 个直流 其中, 为的开关周期, 一 分别为 。一 的作用时间。由于 : ,再联立式、电容均为,连接电感。 图 ? 是系统启动后的仿真结果。在 ~ . 可得上三角中的分解关系: 和 .. 内采用均压 算法. . ~. 时卢: 一 间段采用层叠 算法。图 是直流总电压和一 :个直流电容电压在该过程的动态波形图。显然,直 : 一 一 同理可得下三角中的分解关系: 流总电压无论在哪种调制算法下都可以稳定在给定 :一 : 值左右:但是在 . 采用传统的 算法 :一 后. 个直流电容的电压逐渐偏离原来的平衡值,其 : 中 和 将下降到 , 和 将上升到; 当判定参考矢量所在 角形区域后就可根据 在 . 时刻采用均压 算法后, 个直流电 式 或的作用时间输出三角形顶点对应的开 容的电压重新回归到均衡值并维持稳定不变。 关状态,等效于参考矢量在 内的电压输出。将定 时计算用 归一化,则式 和 将更加简化。 立 \ 综上。电流预测、矢量计算、矢量判区和作用时 间的计算均由简单的运算构成.只包含加减、下取整 和比较等适宜于定点计算的结构。 仿真与实验 为验证 坐标系下均压 快速算法的 图 采用均压 与算法时直流总电压 与 个直流电容电压的仿真波形 动静态性能.采用图 电路构成三相二极管箝位五电.平变换器。系统电流控制采用图 所示的 坐标系下的电流控制方法。控制器具有整流器和 电力 自动化设备 第 卷 优点.是构建电力电子数字控制系统的一条崭新途径 本文设计了适用于五电平系统的均压 专用硬件计算核心单元。核心采用 位位宽的定点 ~ 架构.在 芯片中需要 个逻辑单元和 个单元.分别占用 %和 %的片上 资源 该 专用核心可工作在最高 的 系统时钟频率下.单桥臂的开关频率设定为。 .. . . . . .图 ? 是实验结果 图 是均压 算 / / 法与普通 算法切换时直流电压波形。可以看 图 变换器输出 相电压及其在直流电容电压 不均衡与均衡时的细节波形图 出.当采用 算法时. 个直流电容的电压缓. ?慢偏离均衡值,其中 和 逐渐 增加, 和 逐渐减小 当采用均压 算法时。 个直流电 容的电压迅速恢复到均衡值并保持稳定。实验结果 . 与图 的仿真结果一致 在系统采用均压 算法且工作在无功输出模式时,输出相电压的稳态波 一 . 形如图 所示。包含 个电平。线电压如图 所示,包含 个电平.输出电流的 谐波较低。图 显示了. ? 箱 潲 宝 一 ? ? ? . . . . . .啮 ’ ,’ / /图 变换器输入 相电流及其在直流电容电压 : /不均衡与均衡时的细节波形图. ?囝 采用均主 ? 一均压 模式下直流电容电压波形.? ? ? 图 是变换器输出端线电压 从细节图可以看 出:电压不均衡时间段内 . ~ . .输出线电压 只有 个电平,此时系统退化为三电平工作:电压均 耋萼隘 胡 衡的正常时间段内 . ~.,输出电压包含 个 电平.此时系统为五电平系统 图 是变换器 相 输入电流波形.其细节图为与图 电压细节图相同时 蠛 : 段的电流波形。由于电压电平数不同.电流的谐波 :/含量在电压不均衡时更 高.在电压均衡时明显降低 图 变换器的三相相电压稳态波形.? ? . 实验研究基于前述原理分析与仿真系统.本文设计了五 电平二极管箝位变换器小容量实验系统.完成 . :? 毒: 整流和无功输出等实验。该系统采用的开关器件为 喜 .交流输入电压 .直流电压给定 毒,直流电容 ,连接电感。 均压 快速算法及其他控制在单片现场 可编程逻辑门阵列 上采用 完成 图相系统电压、变换器的输出线电压与 电流的稳态波形 设计 是数字硬件电路设计的标. ? ? 准语言之一.用于 等芯片上实现专用的数字硬 , 件电路。 具有并行性好、实时性高和移植容易第 期 朱海锋,等:二极管箝 位五电平变换器的直流均压快速算法 ? . ?。。 . . , , : . 删\觚 ?. 王小峰,邓焰,何湘宁.基于混和箝位技术的四桥臂多电平变换 器的研究 .中国电机工程学报, , : ? . 嗍 八 /\ ?/\ , , .\献 八/ 八 .. :/ ., , : ? . 图 无功电流突变时直流电压与 , ,, . 三相交流电流的动态波形 ?.. . , :?.田凯.基于双调制波载波策略的中点 电位平衡问题研究 输出无功电流从容性突变为感性时的系统波形.直.哈尔滨:哈尔滨工业大 学,. 流电容的电压小幅调整数个周期后重新稳定到均 . ?衡值 .:,.结论 窦真 兰,张同庄,凌禹.三电平整流器空间矢量脉宽调制 有功电流造成了二极管箝位多电平变换器直流 及中点电位平衡控制 .电力自动化设备, , : ? . , ,.电容电压的不均衡。本文研究了解决该问题的均压多电平 快速算法。该算法在 坐标系下. , , : ? . 完成电容电流预测、参考矢量计算、顶点坐标计算、 『高跃,李永东.二极管钳位型五电平逆变器电容电压平衡域研究 矢量判区和作用时间等计算。这些步骤均由快速简.电工技术学报, , : ? . , .?单的运算构成,易于实时定点计算。仿真和实验结 .? 果验证了均压 快速算法在实现电容电压均, , : ? . 压控制的有效性.采用该方法的五电平变换器动静 ,, . 态性能良好? . 参考文献:, , : ? . 『 刘铮.多电平逆变器空间矢量调制技术研究 .长沙:湖南大 , , . 学.. . . ,, : ? .?.: , . , ,. ? 『 . . . ?? . ,,, : .: , .王颢雄,马伟明,肖飞,等.三电平变流器不对称运行中点 王奔,仇乐兵。徐万良,等.基于 的空问矢量脉冲宽度调 电压波动研究 .电力自动化设备, , : ? . 制发生器设计 .电力自动化设 备,, : . , , , . ? , , , .?.?. , , :. ,, : . , . /‖ ? 作者简介:朱海锋 一 ,男,湖北武汉人,高级工程师,博士研究 ’ . ,: . . ,. 生.研究方向为谐波抑制与无功补偿: , , . ? 舒泽亮 一 ,男,四 德阳人,副教授,博士,研究方 向为电能质量、多电平变换器 : ..;. ,, : 高仕斌 一 ,男,湖北随州人,教授,博士研究生导 .. 师.博士.研究方向为电力系统与电气化铁路综合自动化。 , , . 下转第 页? ? ?