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三相电流源型逆变器的改进DPWM 算法

更新时间:2016-07-05

逆变器主要分为电压型逆变器VSI(voltage source inverter)[1-2]和 电 流 型 逆 变 器 CSI(current source inverter)[3-4]。在目前的研究和应用中,VSI相较于CSI更受关注,这是因为CSI中的储能元件电感与VSI的储能元件电容在储能效率、体积等方面都处于明显的劣势。然而,随着超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)等新兴技术的发展,CSI逐渐展现出了独特的优势。例如,当CSI用作并网逆变器时,由于其自身具有升压功能,故不需像传统的VSI那样,在中间增加升压环节,便可实现电压从零开始调节,使系统变得更加简单,也降低了系统的成本。

经过多年的研究,VSI在拓扑结构、调制方法等方面已经硕果累累,但对CSI的研究却鲜有所闻。但随着超导技术的发展[5-6],特别是高温超导技术已慢慢进入实用化阶段,这种现状必将得到改变。CSI作为一种重要的基本结构,必会像VSI一样,得到广泛的应用。

关于奇与正的关系,当代深于中西古典传统的“德国学派”艺术大家全显光,提出“画眼”一说,他指明,在绘画实施重叠之前,要特别强调“疏画”“散画”,强调笔墨色之间的间隙之韵,也就是注意经营“画眼”,目的就是为了求得分明之韵律,他说:“以线作团块时,不要把线和线之间的空隙填死,变成一块,相反,线线并置与重叠,要注意留出空隙,效果上能出现细小的白点、白条与飞白等,画才不会变成死块。如同太极阴阳鱼图中鱼眼的白点与黑点,正是最动人的,这告诉我们画中要有画眼,书法有书眼,篆刻有印眼。”㉑

目前,对于CSI所采用的主要主要调制方式是梯形波调制技术[7]、脉宽调制PWM(pulse width modulation)技术和空间矢量PWM技术[8-11]。然而,在大功率场合,开关器件的损耗变得尤为重要,故本文提出了一种改进的基于载波实现的不连续脉宽调制 DPWM(discontinuous pulse width modula⁃tion)技术,在实现最小开关损耗的同时,减小了输出电流的谐波含量,获得了更好的输出电流波形。同时,传统的CSI应用DPWM技术时有一定的难度,故本文在DPWM技术中引入判断因子m,在减小谐波含量的同时使系统的结构变得简单。文章最后通过仿真对比验证了算法的正确性和有效性。

Herbertus angustissima (Herzog)H.A.Miller.杨志平(2006)

1 拓扑结构及其工作原理

图1所示为三相CSI拓扑结构,它由6个开关器件组成,每个开关可以选用GTO或IGBT与二极管串联而成。

图1 三相CSI主电路 Fig.1 Main circuit of three-phase CSI

对于CSI,任一时刻处于不同相的上桥臂组和下桥臂组中各有一个臂的功率器件导通,换流在上桥臂组和下桥臂组的组内依次进行,所以也成为横向换流。按S1到S6的顺序每隔60°依次导通。其开关控制表如表1所示。

表1 三相CSI开关控制表 Tab.1 Switch control table of CSI source inverter

区域 恒通ⅠⅡⅢⅣⅤⅥIa的角度 /(°)0~60 60~120 120~180 180~240 240~300 300~360 S2S3S4S5S6S1恒断S4、S6 S1、S5 S2、S6 S1、S3 S2、S4 S3、S5

2 基于载波的DPWM算法

DPWM算法,即统一空间矢量PWM算法,它的实质是在传统的SVPWM算法的基础上,引入一个零矢量分配因子h。三相两电平SVPWM有8种开关状态,相应的8种基本电流空间矢量如图2所示,包括6个非零矢量I1I6和两个零矢量I0I7,利用8个基本矢量的作用时间不同合成所需的旋转空间矢量I。设I1I3I5IaI2I4I6Ib,根据伏秒平衡原理可求得 IaIb的作用时间 tatb,从而求得零矢量 I0I7的作用时间t0t7[12-18]

式中,T0为总的零矢量作用时间。当0<h<1时,为连续SVPWM方法,特别是当h=0.5时为常用的准优化对称SVPWM方式;当h=0或1时,为不连续SVPWM(DPWM)方式,不同调制方法的h取值见表2[12-18]

图2 电流空间矢量示意 Fig.2 Schematic of current space vectors

表2 不同调制方法的h取值 Tab.2 Values of h in different modulation methods

调制方法DPWMmax DPWMmin DPWM0 DPWM1 DPWM2 DPWM3 h取值h=1 h=0扇区1、2、5、6、9、10内 取h=0,其余取h=1扇区12、1、4、5、8、9内取h=1,其余取h=0扇区1、2、5、6、9、10内取h=1,其余取h=0扇区12、1、4、5、8、9内取h=0,其余取h=1

DPWMx脉冲生成示意见图3,参考电流的统一表达式为

式中:为三相正弦电流;为根据计算出的零序分量;a 为单位向量算子,a=e-j2/3πim为6 个非零基本矢量的幅值;调制度M定义为空间参考电流矢量幅值i0im的比值,M=i0/im,调制度最大值Mmax=1.15;k为DPWMx选择系数,本文中将传统的6扇区空间矢量进行了进一步的划分,划分为12个扇区,当参考矢量在扇区边缘时,将k在0与1之间循环切换,从而可以得到6种DPWMx策略。M=1.15时DPWMx参考电流如图4所示,DPWMx的a相参考电流纵坐标1代表+idc,-1代表-idc,横坐标θ为参考电流相位角。

图3 DPWMx脉冲的形成 Fig.3 Pulse generation of DPWMx

图4 M=1.15时DPWMx参考电流 Fig.4 Reference current of DPWMx when M=1.15

矿井现有三个水平开采,分别有独立的主排水系统:一水平排水高度177m,主水仓容积2500m3,中央泵房安装200D-43×7型水泵三台。二水平井底标高-240m,主水仓容积3780m3,二水平泵房安装200D-65×10(或200D-65×9)型水泵6台。三水平井底标高-517m,地面标高+186m,排水高度703m,水仓容量3760m3,安装PJ150×12型水泵三台。敷设φ273mm排水管路两趟,从中央水泵房经过北二副井井筒直接排到北二地面水厂。

图5 各扇区k值变化 Fig.5 Change of value of k in each sector

3 改进的DPWM算法

3.1 改进DPWM算法的原理

与VSI不同,CSI的开关函数为三逻辑函数。因此,不可直接应用PWM技术,即DPWM技术不可直接应用于CSI中。针对这一问题,本文提出了如图6所示的分别利用DPWM波和三角波作为调制波和载波信号的一种改进DPWM控制策略。同时,该控制策略还可以减小输出电流的谐波含量。

图6 改进DPWM控制原理 Fig.6 Control principle of improved DPWM

图6中,载波信号发生器用于产生幅值变化区间为[-1,1]的三角波ωc;DPWM调制信号发生器用于产生幅值为1,相位依次滞后120°的三相DPWM调制波SaSbSc,斜坡函数发生器用于产生幅值为0~360,周期与三相调制波相同的锯齿波信号ωt。触发模式选择器根据ωt与0的差值ε利用式(7)产生用于PWM控制的触发模式信号m,即

式中,floor()函数和ceil函数分别为向下取整和向上取整函数。

马兰属植物的化学成分和药理作用及应用研究进展…………………………………………………… 崔 昊等(8):1149

α=0,即A相输入相电流相位为0时的触发模式信号m如图7所示。图8给出利用调制波和载波产生调制脉冲的工作过程。

图7 α=0时的触发模式信号m Fig.7 Trigger mode signal m when α=0

首先,DPWM调制波与载波的比较结果,经比较器产生nn′(n=a、b、c)6个参考信号,然后将此6个参考信号代入式(8),得到p1p7调制脉冲信号[19]

[12]熊宇(Xiong Yu).电流型多电平变流器拓扑和控制策略的研究(Research on the Topologies and Control Strate⁃gies of Current Source Multilevel Converters)[D].杭州:浙江大学电气工程学院(Hangzhou:College of Electrical Engineering,Zhejiang University),2004.

AMSCs的分离、培养 采集患者和正常人脂肪组织各50 ml,提取AMSCs,培养于AMSCs专用培养基,传代培养至第3(P3)代备用。

图8 p1p7调制脉冲的产生 Fig.8 Generation of modulation pulses p1—p7

式中:and为逻辑与函数;nor为逻辑或非函数。

各小扇区的k值如图5所示,从图中可以看出,k值在各小扇区之间是连续切换的,不存在非无缝切换的问题。

表3给出不同ε取值时触发模式信号m的取值。表4则给出触发脉冲的产生规则。

表3 ε对应的触发模式信号 Tab.3 Trigger mode signal corresponding to ε

ε=ωt 0°≤ ε < 60°,-360°≤ ε < -300°60°≤ ε < 120°,-300°≤ ε < -240°120°≤ ε < 180°,-240°≤ ε < -180°180°≤ ε < 240°,-180°≤ ε < -120°240°≤ ε < 300°,-120°≤ ε < -60°300°≤ ε < 360°,-60°≤ ε < 0°m123456

表4 触发脉冲产生规则 Tab.4 Generation rules for trigger pulses

注:H代表高电平;L代表低电平

m123456 ps1ps3ps5ps4ps6ps2 p1Hp1Lp7L p7Lp3Hp3L p5Lp7Lp5H Lp7Lp4Hp4 H p6Lp7Lp6 Lp2Hp2Lp7

3.2 改进DPWM算法的特性分析

改进的DPWM控制策略不仅可以将DPWM调制很好地应用于CSI中,而且可以使逆变器的开关损耗最小化,同时可以有效地增大逆变器交流侧输出电流isaisbisc的基波电流幅值,并且在一定程度上减小输出电流的谐波含量。

不同调制方法的线电流基波幅值和谐波含量如图9所示,其中SPWM方法的调制度M=1,其余方法的调制度M=1.15。

不同调制方法下线电压的基波幅值与谐波含量如图10所示。

由图10可以看出,几种改进的DPWM方式下的线电流、线电压的基波幅值和谐波含量相较于SPWM和SVPWM方式均有明显的提升。

图15为各调制方法下线电压的频谱分析。

图11为不同调制度下DPWM1和SPWM调制方式下A相一个开关管的驱动信号图。

图9 各种调制方式下线电流谐波含量和基波幅值 Fig.9 Harmonic component of line current and fundamental amplitude in different modulation modes

图10 各种调制方式下线电压谐波含量和基波幅值 Fig.10 Harmonic component of line voltage and fundamental amplitude in different modulation modes

从图11不难看出,改进的DPWM算法与传统DPWM算法一样,较连续SPWM方法而言,减小了开关次数约1/10,使逆变器工作在最小开关损耗状态下,达到了开关损耗最小化的目的。同时,在调制度降至0.8时,虽然开关管的开关损耗有所上升,但是相较于相同调制度的SPWM算法,新型DPWM1算法仍然能够达到减小开关损耗的目的。

图11 A相开关管导通脉冲信号 Fig.11 Switch on pulse signal in phase A

4 仿真结果

[4]Xiong Yu,Chen Danjiang,Deng Songquan,et al.A new single-phase multilevel current-source inverter[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Anaheim,USA,2004:1682-1685.

仿真时的系统参数如下:每个直流电流源电流为20 A,电路中的开关器件由IGBT串联快恢复二极管组成,负载电阻为6 Ω,负载电感值为10 mH,调制度M为1.15。

图12为各种调制方式下输出的线电流波形。

图12 DPWMx输出线电流波形 Fig.12 Waveforms of output line current with DPWMx

图13为滤波后各种调制方式下输出的线电压波形。

图13 DPWMx输出线电压波形 Fig.13 Waveforms of output line voltage with DPWMx

图14分别为DPWMx和传统调制下输出线电流的频谱分析,其中图14(a)为SPWM调制时线电流的输出频谱,图14(b)为SVPWM调制时线电流的输出频谱,图14(c)则为改进DPWM2调制时线电流的输出频谱。其中,SPWM方式下的谐波含量为68.44%,SVPWM方式下的谐波含量为52.03%,改进的DPWM2方式下的谐波含量为51.75%。

图14 输出线电流频谱 Fig.14 Spectra of output line current

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图15 输出线电压频谱 Fig.15 Spectra of output line voltage

由此可见,改进DPWMx调制可以很大程度上提高直流电流源的利用率,并且,在减少输出线电流的谐波含量方面也效果显著。

6 结语

本文提出一种改进的DPWM算法,并将其应用到CSI中。仿真实验证明,它较传统的多载波SP⁃WM和连续SVPWM调制以及传统的DPWM算法在减小开关损耗和输出线电流谐波含量等方面具有优越性。通过仿真实验可以看出,该算法可以减小1/10的开关损耗,并且,可以将输出线电流的谐波含量提高10%。同时,该算法在扇区判断方面直接利用三相参考电流的瞬时值,大大减小了计算的复杂程度,具有很高的利用价值。

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在前面分析讨论的基础上,本节对改进的DP⁃WM算法进行了仿真验证,并与常规的多载波调制法和SVPWM调制进行了对比。

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研究组新生儿呼吸机相关肺炎5例(7.14%),住院时间为(16.67±1.31)d;对照组新生儿呼吸机相关肺炎14例(20.00%),住院时间为(21.26±1.07)d,两组比较,差异有统计学意义(P<0.05)。

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李昱,董秀成,余小梅,夏焰坤,袁知文
《电力系统及其自动化学报》2018年第03期文献

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