《高等电力电子技术》第五章

高等电力电子技术AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术第五章空间矢量脉宽调制12345.1二维空间矢量脉宽调制5.2三维空间矢量脉宽调制5.3三电平空间矢量PWM技术基本内容5.4三值逻辑空间矢量PWM技术高等电力电子技术SVPWM的思想：在矢量空间用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。RLRSRSRSRSRSRSSaSa’SbSb’ScSc’abcCudceLLLLR1R1R1ia(t)ib(t)ic(t)ea(t)eb(t)ec(t)0N三相三桥臂变换器中总共有8种开关状态，转换到空间坐标上对应为8个开关矢量，其中有6个非零矢量及2个零矢量，PWM变换器的8个静止矢量按一定的规律切换可以在矢量空间用合成旋转的电压空间矢量来逼近电压矢量圆，从而形成SVPWM波形。这就是三相三桥臂逆变器空间矢量调制（SVPWM）的工作原理。(100)dc23UrefU1U(110)2U(010)3U(011)4U(001)5U(101)6U(000)8U(111)7U5.1二维空间矢量脉宽调制高等电力电子技术RLRSRSRSRSRSRSSaSa’SbSb’ScSc’abcCudceLLLLR1R1R1ia(t)ib(t)ic(t)ea(t)eb(t)ec(t)0N针对三相VSR一般数学模型的建立，通常作以下假设：1)电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势；2)网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和；3)功率开关损耗以电阻Rs表示，即实际的功率开关可由理想开关与损耗电阻Rs串联等效表示；4)为描述VSR能量的双向传输，三相VSR其直流侧负载由电阻和直流电动势串联表示。abc(,,)eee5.1二维空间矢量脉宽调制高等电力电子技术为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函数ks1,,0kskabc上桥臂导通，下桥臂关断（）上桥臂关断，下桥臂导通由此得出：aaadcaN0d()diLRieusutbbbdcbN0()diLRieusudtcccdccN0()diLRieusudt考虑三相对称系统：abcabc00eeeiiidcN0,,3kkabcuus5.1二维空间矢量脉宽调制高等电力电子技术任何瞬间总有三个开关管导通，其开关模式共有23=8种，因此，直流侧电流可描述为对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律得dcaabcbbcaccbaababcacacbbcbcaabcabcaabbcc()()()()iisssisssisssiisssiisssiisssiiisssisisisdcdcLabccLdsdabuueCisisitR5.1二维空间矢量脉宽调制高等电力电子技术引入状态变量则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三相VSR一般数学模型的状态变量表达式为abcdc[]Tiiiu，，，XZABXXE100()a3,,100()b3,,100()c3,,1acLbRsskkabcRsskkabcRsskkabcsssRA000000000000LLLCZL1000010000101000RBabcL[,,,]TeeeeE式中：5.1二维空间矢量脉宽调制高等电力电子技术5.1.1三相VSR空间电压矢量分布由三相VSR建模过程可得三相VSR交流侧相电压为：a0aabcdc1[()]3ussssub0babcdc1[()]3ussssuc0cabc1[()]3dcussssusasbscua0ub0uc0Uk000000U0001U5010U3011U4100U1101U6110U2111000U7dc13Udc23Udc13Udc23Udc13Udc23Udc13Udc13Udc23Udc13Udc13Udc13Udc23Udc13Udc13Udc13Udc23Udc13U高等电力电子技术三相VSR不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为的空间电压矢量在复平面上表示出来。dc2/3uImRebcU0(000)U7(111)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)a5.1.1三相VSR空间电压矢量分布高等电力电子技术对于任意给定的三相基波电压瞬时值，若考虑三相为平衡系统，即，则可在复平面内定义电压的空间矢量：a0b0c0,,uuua0b0c00uuu2323a0b0c02()3jjuueueU2323a0b002323+aNN0bNN0cNN02323aNbNcN+2()32[()()(+)]32[]3jjcjjjjuueueuuuueuueuueueU三相VSR空间电压矢量控制与相电压参考点的选择无关。5.1.1三相VSR空间电压矢量分布高等电力电子技术5.1.2空间电压矢量的合成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*UImReⅠⅡⅢⅣⅤⅥU6(101)U2(110)U3(010)U5(001)U0(000)U7(111)U*11STTUU1(100)U4(011)22STTU*1212ssTTTTUUU120,7sTTTT21*21ss2sinsinsin()33TTTTUUU1s2s0,7s12sin()3sinTmTTmTTTTT*dc3||muU高等电力电子技术对于零矢量的选择，主要考虑选择应使开关状态变化尽可能少，以降低开关损耗。对于三相VSR某一给定的电压空间矢量常有几种合成方法，以下讨论均考虑在VSR空间矢量I区域的合成。ImRe11sTTUU1(100)22sTTU*UU2(110)a)b)TsT0/2T0/2T2T1sasbsc100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）c)ImRe11s2TTU22sTTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)b)TsT0/2T0/2T2sasbscT1/2T1/2100806040200f1fs2fs幅值（%）频率/Hzc)b)TsT0/2T0/2sasbsc12T12T22T22TT7ImRe11s2TTU22s2TTU*UU2(110)11s2TTUa)U1(100)100806040200f1fs2fs频率/Hz幅值（%）22s2TTUc)VSR空间矢量合成，不同方法各有其优缺点。从开关次数来看第二种方法开关次数较少损耗较低；从谐波幅值来看第三种方法谐波相对较低；但从算法的简单性上看，第一种方法较好。5.1.2空间电压矢量的合成高等电力电子技术三相四桥臂逆变器在三相三桥臂逆变器的基础上增加了一个桥臂，负载中性点通过滤波电感与第四桥臂中点相连，当负载平衡时，第四桥臂没有电流流过，当负载不平衡时，由零序电压引起的零序电流将流过第四桥臂。OUdcNabcnLCfABCLn5.2三维空间矢量脉宽调制技术高等电力电子技术5.2.1三维空间矢量概述在三相四桥臂逆变器中，由于带不平衡负载，使得三相四桥臂逆变器的空间矢量轨迹位于三维空间内。因此，可以模拟二维空间矢量调制，在三维空间内用静止的电压矢量来合成所需要的目标电压矢量。αAGβBGCGγ111222330322111222uuuuuu四桥臂逆变器具有16种开关状态，在坐标系内对应着16个静止电压矢量。高等电力电子技术5.2.2三相四桥臂逆变器的静止电压矢量uref1100111001100100100000110010000110100111110110011011000011110101γdcUUγdc23UUγdc13UUγdc13UUγdc23UUγdcUUγ0U高等电力电子技术将三维空间矢量图投影到平面上可以得到下图。(100X)(110X)(010X)(011X)(001X)(101X)(000X)(111X)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥdc23U从图中可以看出，16个空间矢量投影到平面上只有7个点，包括6个非零矢量和2个零矢量，其中x表示第四桥臂的两种开关状态。5.2.2三相四桥臂逆变器的静止电压矢量高等电力电子技术要选择静止电压矢量，首先必须确定空间矢量位置：将空间的六棱柱分成六个三棱柱，划分成六个三棱柱的依据和二维空间矢量调制一样，只由和决定，不受的影响。1静止电压矢量选择(100X)(110X)(010X)(011X)(001X)(101X)(000X)(111X)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥdc23Uαuuu5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术根据几何知识，判断所在的扇区。设以下几个变量A，B，C和N。结合坐标变换式，有以下方法判断扇区：1）若，则A=1，否A=0；2）若，则B=2，否B=0；3）若，则C=4，否C=0；由上述三个判断条件，根据N=A+B+C可以得到N的值。N的值与扇区的对应关系如下表所示：β0uαβ30uuαβ30uuN123456扇区ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术在确定了空间矢量轨迹属于哪个三棱柱以后，由于每个三棱柱内含有6个非零静止电压矢量和2个零电压矢量，因此仍然不能确定选择用哪3个非零电压矢量来合成目标空间矢量。通过判断、、的正负，可将每个三棱柱划分成4个四面体，每个四面体由3个非零电压矢量和2个零电压矢量组成，这样就可以合成所需要的空间矢量轨迹。cnubnuanu5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术在四面体1中在四面体2中在四面体3中在四面体4中anbncn000uuu，，anbncn000uuu，，anbncn000uuu，，anbncn000uuu，，11101000100100011101111100001110100010010001110111110000111000011101111100001110100010010001110111110000四面体1四面体2四面体3四面体4110011001100110010005.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术2电压矢量的占空比计算选择组成四面体的3个非零电压矢量后，在三维空间坐标下利用“伏秒平衡”原则，求出三个矢量各自作用的占空比：112.3dcuddTuUdu每个四面体对应一个矩阵T，可通过查表获得。5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术01231()dddd零矢量作用时间：111232212333123ddddddddddddddd123ddd1当出现过调制时，即时：5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术3开关顺序选择abcn12T12T22T22T32T32T02T04T04TST000000001000100010011101111110011101abcn12T12T22T22T32T32TST10001000100111011111100111010Tabcn1T2T3T10001000100111011111100111010T3T2T1TST0000ST0Ta)对称开关选择顺序b)最高瞬时值电流不开通顺序c)轮流选择零矢量顺序5.2.3三维空间矢量轨迹合成高等电力电子技术5.3三电平空间矢量PWM技术三电平逆变器的关键技术之一是PWM控制信号的发生。而三电平空间矢量调制（SVPWM）算法比之于其他PWM算法具有较高电压利用率，较小的输出谐波分量，更易于数字化实现且更适