齊保良，牟善軍

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

風(fēng)能因其具有無污染、可再生等特點(diǎn)目前已被人們廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其體積小靈活性大而得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用。在研制小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的過程中，調(diào)整逆變器的死區(qū)時(shí)間[1－2]使輸出電壓為理想的正弦波是亟待解決的問題。

目前，研究死區(qū)效應(yīng)常用的方法是空間電壓矢量脈沖調(diào)制法(space voltage pulse width module，SVPWM)，該方法相對于其它PWM技術(shù)具有電流諧波小，轉(zhuǎn)矩脈動小噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，并且可獲得較高的直流電壓利用率和較低的輸出諧波[3－4]。本文在SVPWM的基礎(chǔ)上提出一種新型的調(diào)制方法，使逆變器輸出電壓波形更接近正弦波。

1 逆變器死區(qū)效應(yīng)對輸出電壓影響的分析

圖1 三相逆變器結(jié)構(gòu)圖

由于逆變過程中使用的半導(dǎo)體器件具有非理想開關(guān)特性，導(dǎo)致了逆變后的電壓具有非性的特點(diǎn)，從而引起逆變后電壓波形的改變。圖1為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池給三相電機(jī)供電的結(jié)構(gòu)圖。這里假定SVPWM發(fā)生器中的開關(guān)器件是理想的，電流極性以流向負(fù)載方向?yàn)檎鐖D2所示的ia，其中V1～V6為高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷的IGBT型功率開關(guān)管，驅(qū)動信號分別用p1～p6表示。為簡化分析，僅以逆變器中V1和V4所在的橋臂為例分析逆變器的死區(qū)現(xiàn)象如圖2所示，其中驅(qū)動信號p1和p4的相位反向。

圖2 單相橋臂控制結(jié)構(gòu)圖

在逆變過程中，由于IGBT中結(jié)電容的存在，形成了一個(gè)“存儲效應(yīng)”造成了器件的關(guān)斷延時(shí)現(xiàn)象，為防止當(dāng)V4導(dǎo)通時(shí)V1還未關(guān)斷現(xiàn)象出現(xiàn)造成的短路，在上、下橋臂開關(guān)器件之間加入一個(gè)延遲時(shí)間Td，在延遲時(shí)間內(nèi)V1和V4均不導(dǎo)通，此時(shí)電路經(jīng)過續(xù)流二極管VD1和VD4的續(xù)流作用構(gòu)成閉合回路，此延遲時(shí)間就被稱作死區(qū)時(shí)間。

以n'點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以a相中理想狀況下U'an及Uan電壓波形、帶死區(qū)時(shí)間的驅(qū)動信號p1和p4波形和調(diào)整后輸出電壓U'an'和U'an的波形為例，如圖3所示。其工作原理為:在感性負(fù)載時(shí)，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)Va點(diǎn)相對于N'點(diǎn)的電壓為+Ud/2，當(dāng)V4導(dǎo)通時(shí)Va點(diǎn)相對于n'點(diǎn)的電壓為－Ud/2。在死區(qū)時(shí)間Td內(nèi)，V1和V4都不導(dǎo)通時(shí)，感性負(fù)載通過續(xù)流二極管VD1或VD4進(jìn)行續(xù)流，以保持a相電流ia的連續(xù)。在ia正半周回路通過VD4續(xù)流，Va點(diǎn)與直流電源負(fù)極接通，其相對于n'點(diǎn)電壓為－Ud/2;在ia的負(fù)半周回路通過VD1續(xù)流，Va點(diǎn)直接與直流電源正極接通，其相對于N'點(diǎn)電壓為+Ud/2。這樣，逆變器的實(shí)際輸出電壓U'an'及U'an的波形與理想波形進(jìn)行比較后就發(fā)生了畸變。經(jīng)分析知，在ia正半周，所有正脈沖寬度都減小Td，所有負(fù)脈沖寬度都增加Td;相反的，在ia負(fù)半周，所有負(fù)脈沖寬度都減小Td，所有正脈沖寬度都增加Td?；兒髮?shí)際電壓波形如圖3中的U'an'和U'an。由圖中可知，Td的存在不僅使輸出電壓降低、電流波形失真，更嚴(yán)重的甚至能引起電機(jī)震蕩。

其中:

圖3 逆變橋的死區(qū)效應(yīng)波形示意圖

由分析和波形圖可知，對驅(qū)動信號p1和p4引入死區(qū)時(shí)間后輸出電壓和電流波形圖產(chǎn)生了畸變。假定給定的IGBT導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，那么系統(tǒng)的實(shí)際死區(qū)時(shí)間Te為:

2 利用十二矢量法改善逆變器輸出電壓波形

SVPWM主要思想是:以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動機(jī)的理想磁通為基準(zhǔn)[5，6]，根據(jù)三相逆變器不同的開關(guān)模式進(jìn)行切換，從而形成PWM控制信號，達(dá)到控制的目的。本文中用的三項(xiàng)全橋逆變電路是由六個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成的三個(gè)半橋，根據(jù)六個(gè)開關(guān)的不同組合形式可分為8種，其中有兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)的驅(qū)動中不產(chǎn)生有效的電流被稱為無效矢量或是零矢量，分別記作000，111(這里表示的是三個(gè)上橋臂同時(shí)導(dǎo)通、關(guān)斷的狀態(tài))。另外六個(gè)稱為有效矢量或是可用矢量，SVPWM就是通過在兩個(gè)最近的有效矢量和一個(gè)無效矢量之間進(jìn)行切換的方法，不斷逼近旋轉(zhuǎn)參考矢量，于是我們可以得到圖4所示的矢量切換序列。

另外，根據(jù)圖2中a橋臂的狀態(tài)可得到如表1的數(shù)據(jù)。

表1 電流極性與開關(guān)管和續(xù)流二極管狀態(tài)及調(diào)整電壓之間的關(guān)系

從而推斷出其余兩橋臂的狀態(tài)，假定Sj為開關(guān)函數(shù)其中j=a，b，c三相，那么可假設(shè):

Sj=1;表示j相上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管關(guān)斷;Sj=0;表示j相上橋臂開關(guān)管關(guān)斷，下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通。

另外，由于在異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，是以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和兩相靜止坐標(biāo)為基礎(chǔ)分析的，所以就要通過Clark變換(α－β變換)根據(jù)公式(2)將三相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)中去，可得到三相電壓合成矢量關(guān)系式(3):

可得出開關(guān)函數(shù)與電壓矢量的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 開關(guān)函數(shù)與電壓矢量的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)所得到的關(guān)系可做出復(fù)平面上的電壓矢量圖如圖4所示。

為了更加精確的展現(xiàn)換向過程，本文提出一種改進(jìn)型的SVPWM，即將180°導(dǎo)通方式和120°導(dǎo)通方式混合使用，暫且稱為十二矢量法。其原理為:將原來的六個(gè)空間矢量分別再分別均分成兩個(gè)空間矢量，也就是每兩個(gè)狀態(tài)的夾角變?yōu)?0°如圖5所示，下面以U1相換到U2相為例分析效果，首先假設(shè)，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通設(shè)為1，下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通設(shè)為0，沒有管子導(dǎo)通用X表示。在系統(tǒng)從狀態(tài)U1到達(dá)狀態(tài)U2的過程中，系統(tǒng)會經(jīng)過Ⅰ1和Ⅰ2兩個(gè)區(qū)域，當(dāng)合成矢量落在狀態(tài)U1與U12之間時(shí)，由這兩個(gè)矢量進(jìn)行合成，其中矢量U1是由開關(guān)管 V1，V6，V2導(dǎo)通產(chǎn)生的，矢量U12是由開關(guān)管V1和V2導(dǎo)通產(chǎn)生的，這樣再配合零矢量和恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間就可以合成出該范圍內(nèi)的空間矢量。同樣的方法也可以對其他空間中的矢量進(jìn)行合成。

下面根據(jù)假設(shè)對開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示，在矢量U1和矢量U12之間得到空間矢量的合成圖。

圖4 電壓空間矢量圖

圖5 改進(jìn)的SVPWM方法(十二矢量法)原理圖

圖6 電壓矢量合成原理圖

可根據(jù)圖所示、伏秒平衡原理以及三角函數(shù)關(guān)系有如下公式:

各矢量作用時(shí)間計(jì)算公式為:

根據(jù)公式(4)～(6)可知，該方法可準(zhǔn)確的計(jì)算出各矢量的作用時(shí)間，并加以控制。如圖7波形圖所示，由圖可知該方法改善了逆變器輸出電壓的波形。并且實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)管通斷的控制，計(jì)算簡單。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于600W小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的[7]，采用DSP控制器進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償，選用的電機(jī)為永磁同步電動機(jī)，其功率為600W，定子電阻為1Ω，定子電感為5mH，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)速為1500r/min。控制芯片選用 PI公司的TMS320F2812。功率模塊選用 EUPEC生產(chǎn)的BSM35GD120DN2，開通時(shí)間為 Ton=120ns，關(guān)斷時(shí)間為Toff=450ns，載波頻率fPWM=5kHz，死區(qū)時(shí)間Td=5μs。如圖7所示死區(qū)補(bǔ)償前后a相波形圖。

圖7 十二矢量法獲得的電壓電流波形圖

圖8 實(shí)驗(yàn)輸出波形圖

從波形圖的對比可以看出采用改進(jìn)的SVPWM之后的波形較補(bǔ)償之前的波形諧波成分變小，基本沒有畸變，更接近正弦波。

4 結(jié)論

本文在空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了十二矢量法，利用該方法可以對逆變器輸出電壓波形進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)矢量合成圖推導(dǎo)出各矢量在逆變過程中的作用時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，該方法能有效的改善逆變器的電壓輸出波形，并且避免了上、下橋臂直通現(xiàn)象的產(chǎn)生，使逆變器輸出電壓軌跡更接近正弦波。

[1]URASAKI N，SENJYU T.Dead-time compensation strategy forpermanent magnet synchronrous motor drive taking zero-current clamp and parasitic capacitance effects into Ac-count[J].Pro of IEE on Electr Power Appl，2005，152(4):407 －416.

[2]荊濤，范蟠果.一種新穎的空間矢量死區(qū)補(bǔ)償算法研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42(3):84 －86.

[3]楊貴杰，孫力.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(10):79 －83.

[4]ZHANG X W，LI Y D，WANG W S.A novel implementation of SVPWM algorithm and its application to three-phase power converter[C].PIEMC 2000，Virginia，2000.

[5]萬健如，魏志強(qiáng)，李蓮，等.針對SVPWM死區(qū)問題的一種新的控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(7):105 －120.

[6]齊保良，李朋.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線自調(diào)整模糊控制的應(yīng)用[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(4):391 －393.

[7]曹博，陳起俊，孫帥.風(fēng)光發(fā)電技術(shù)在建筑應(yīng)用中的實(shí)例分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(1):76 －79.