第6章6.3 空间矢量PWM(SVPWM)控制

16.3VSR空间矢量PWM(SVPWM)控制空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间(电流)矢量切换来控制变流器的一种控制策略。主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制(SPWM)，而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频(1～3kHz)条件下，使交流电动机获得了较SPWM控制更好的性能，主要表现在：SVPWM提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时还减小了电动机的转矩脉动等。2SVPWM与SPWM的比较SVPWM更加直接地控制了交流电动机的旋转磁场，虽然SVPWM不输出三相平衡PWM波形，但它不仅在静态，甚至在暂态期间都能形成准圆形旋转磁场。常规的SPWM则将控制重点集中在波形的改进上，以至在不高的开关频率条件下，难以产生较为完善的正弦波电压，即使开关频率较高，由于电压型变流器固有的开关死区延时，从而降低了电压利用率，甚至使波形畸变，因而难以获得更为满意的交流电动机驱动性能。3用于VSR直流电流控制中的SVPWM技术的类型其一是基于固定开关频率的SVPWM电流控制，即利用同步旋转坐标系(d，q)中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM使VSR的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的；其二是利用基于滞环电流控制的SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以内，这实际上是一种变开关频率的SVPWM。46.3.1SVPWM一般问题讨论1.三相VSR空间电压矢量分布某一开关组合就对应一条空间矢量。该开关组合时的Va0、Vb0、Vc0即为该空间矢量，在三轴(a，b，c)上的投影。5复平面内定义的电压空间矢量如果是角频率为ω的三相对称正弦波电压,那么矢量V即为模为相电压峰值,且以角频率ω按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量V在三轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。)(323/203/200jcjbaeVeVVV000cbaVVV、、62.空间电压矢量的合成对于任一给定的空间电压矢量，均可由8条三相VSR空间电压矢量合成，6条模为的空间电压矢量将复平面均分成六个扇形区域I～VI对于任一扇形区域中的电压矢量，均可由该扇形区两边的VSR空间电压矢量来合成。如果V*在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦量。由于开关频率和矢量组合的限制，V*的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹。7电压空间矢量V*的几种合成方法方法一：该方法将零矢量均匀地分布在矢量V*的起、终点上，然后依次由V1、V2按三角形方法合成，如图a所示。从该合成法的开关函数波形(见图b)分析，一个开关周期中，VSR上桥臂功率开关管共开关4次。（a）V*合成（b）开关函数波形8频谱分布（c）频谱分布由于开关函数波形不对称，因此PWM谐波分量主要集中在开关频率fa及2fa，其频谱分布如图c所示。显然，在频率fa处的谐波幅值较大。9方法二：方法二的矢量合成与方法一不同的是，除零矢量外，V*依次由V1、V2、V1合成，并从V*矢量中点截出两个三角形，如图a所示。由图b的PWM开关函数波形分析，一个开关周期中VSR上桥臂功率开关管共开关4次，且波形对称。（a）合成（b）开关函数波形10PWM谐波分量仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近，谐波幅值显然比方法一有所降低，其频谱分布c所示。（c）频谱分布11方法三：方法三将零矢量周期分成三段，其中矢量V*的起、终点上均匀地分布矢量V0，而在矢量V*中点处分布矢量V7。除零矢量外，矢量V*的合成与方法二类似，即均以矢量V*中点截出两个三角形，V*的合成矢量如图a所示。从开关函数波形(见图b)可以看出，在一个PWM开关周期，该方法使VSR桥臂功率管开关6次，且波形对称。（a）V*合成（b）开关函数波形12PWM谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近。在频率附近处的谐波幅值降低十分明显，其频谱分布如图c所示。（c）频谱分布136.3.2三相VSR空间电压矢量PWM(SVPWM)控制SVPWM的三相VSR控制则有下列突出优点：(1)与SPWM控制相比，其三相VSR直流电压利用率提高了15．4%。(2)与SPWM控制相比，相同的波形品质条件下，SVPWM控制具有较低的开关频率，且平均约降低30%，从而有效地降低了功率开关管的开关损耗。(3)与SPWM控制相比，SVPWM控制具有更好的动态性能。当采用SVPWM进行VSR电流控制时，可以根据被跟踪的电流矢量，优化选择三相VSR空间电压矢量进行PWM电流跟踪控制，14三相VSRSVPWM电流控制类型1.通过三相VSR电流环运算获得空间指令电压矢量，然后通过VSR空间电压矢量的合成，使实际的空间电压矢量逼近指令电压矢量，以达到电流控制的目的；这类SVPWM电流控制方案，一般用于动态电流响应要求不高的正弦波电流跟踪控制场合，如高功率因数整流器、无功补偿装置等。这主要是由于其指令电压矢量受VSR系统及控制滞后扰动的影响，因而不易取得十分理想的动态电流响应。15三相VSRSVPWM电流控制类型2.将滞环控制与SVPWM控制相结合，通过VSR空间电压矢量的实时切换，使电流误差被限制在一个给定滞环内，从而获得电流的高品质控制。这类SVPWM电流控制方案，因其快速的电流响应和较好的系统鲁棒性，常用于诸如有源滤波器等要求快速电流响应控制的系统中。这类控制方案将滞环控制与SVPWM控制有机地结合起来，在取得快速电流响应的同时，降低了开关频率，提高了系统运行效率。16这种控制策略是将指令电流与反馈电流通过定环宽的滞环比较单元，输出相应的比较状态值Ba、Bb、Bc,并通过对指令电压矢量V*的区域判别，最终由空间电压矢量选择逻辑，输出一个合适的Vk（k=0，…，7），从而使三相VSR电流跟踪指令电流。1.基于不定频滞环的SVPWM电流控制（原理框图如图所示）***cbaiii、、cbaiii、、17（2）控制规则与Vk（k=0，…，7）的选择一旦指令电压矢量V*及误差电流矢量ΔI确定之后，两矢量空间的区域位置也随之确定，为实现电流跟踪控制，则必须选择一个合适的三相空间电压矢量Vk（k=0，…，7），使误差电流变化率矢量dΔI/dt与误差电流矢量ΔI的方向始终相反。当开关频率足够高时，误差电流矢量的模就被限制在一定的滞环宽度以内，从而实现了三相VSR电流踪控制。I18Vk的选择对电流跟踪的影响当矢量ΔI、V*在空间的区域确定后，可选择多条Vk满足上述要求。若选取的Vk使其对应的误差电流变化率矢量的模越大，其电流跟踪速度越快，若采用固定的滞环宽度，则开关频率也会增加；当选取的Vk使其对应的误差变化率矢量的模越小，其电流跟踪速度越慢，相应的开关频率会降低。为了限制不定频滞环SVPWM电流控制时的电流变化率，应选择Vk，使其对应的误差电流变化率矢量的模最小。dtIiddtIiddtIid19设定滞环宽时，三相VSR不定频滞环SVPWM电流控制规则规则1：当时，选择三相VSR空间电压矢量Vk（k=0，…，7），使其对应的具有与误差电流矢量ΔI方向相反的最小分量，以确保电流矢量，在跟踪指令电流矢量I*的同时，限制电流变化率，以抑制电流谐波。规则2：当时，原有Vk（k=0，…，7）不切换，从而在限制平均开关频率的同时，增加了SVPWM控制的稳定性。wII)7,,0(/jjkdtILdwII20采用规则2控制时，Vk的选择（如图所示）当位于①、⑥区域构成的平行四边形区域时，应选择V1；当位于②、③区域构成的平行四边形区域时，应选择V2；当位于④、⑤区域构成的平行四边形区域时，应选择V0、V7。当V*在I区时，可能选择的电压矢量为V1、V2、V0、V7。再由△I区域与V*区域的相对几何关系分析，21（3）不定频滞环优化SVPWM电流控制优化的SVPWM电流控制策略是：即值过大时，采用响应最快的SVPWM电流控制规则，以进行快速电流跟踪控制；而当值相对较小时，即保持原有的控制规则，以限制开关频率，并抑制电流谐波。II这是一种双滞环的SVPWM电流控制，如图所示。图中，内滞环宽度为IW，而外滞环宽为IW+ΔIW。22优化的不定频滞环SVPWM控制规则规则1：当＞时，选择VK（k=0，…，7），使其对应的具有与ΔI方向相反的最大分量，从而使I以最快速度跟踪。规则2：当时，选择VK（k=0，…，7），使其对应的具有与ΔI方向相反的最小分量，从而使I在跟踪I*的同时，限制电流变化率，以抑制电流谐波。规则3：当时，原有VK（k=0，…，7）不切换，从而限制功率开关管的开关频率，增加电流控制的稳定性。IWWIIdtILd/dtILd/wII232.基于定频滞环的SVPWM电流控制在大功率VSR设计中，应尽可能保持VSR功率开关管的开关频率固定，以减少功率开关管应力及开关损耗。另一方面，由于VSR为BoostAC/DC变换器，因而在直流电压一定的条件下，较低的交流网侧电压设计，将导致装置损耗增大。因此．应尽量提高VSR电压利用率，从而相对提高交流网侧电压设计，以降低大功率VSR损耗。显然，针对一些电流响应要求高的大功率VSR，可采用开关频率固定的滞环SVPWM电流控制。24定频滞环SVPWM电流控制的实现控制结构如图所示引入锁相环控制，以动态调整内、外滞环宽度，从而获得定频滞环SVPWM电流控制。当外滞环比较单元判定指令电压矢量V*所在的平行四边形区域时，实际上只有两个相间电流误差可以独立控制。