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1、6.3 VSR空间矢量空间矢量PWM(SVPWM) 控控制制 n空间矢量空间矢量PWM(SVPWM)控制战略是根据变流器空间控制战略是根据变流器空间(电流电流)矢量切换来控制变流器的一种控制战略。矢量切换来控制变流器的一种控制战略。n主要思绪在于丢弃了原有的正弦波脉宽调制主要思绪在于丢弃了原有的正弦波脉宽调制(SPWM)，而，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，场，n从而在不高的开关频从而在不高的开关频(13kHz)条件下，使交流电动机条件下，使交流电动机获得了较获得了较SPWM控制更好的性能，控制更好的性能，n主要表如今：主要
2、表如今：SVPWM提高了电压型逆变器的电压利用提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态呼应性能，同时还减小了电动机的转率和电动机的动态呼应性能，同时还减小了电动机的转矩脉动等。矩脉动等。 SVPWM 与与SPWM 的比较的比较nSVPWM更加直接地控制了交流电动机的旋转更加直接地控制了交流电动机的旋转磁场，虽然磁场，虽然SVPWM不输出三相平衡不输出三相平衡PWM波形波形，但它不仅在静态，甚至在暂态期间都能构成，但它不仅在静态，甚至在暂态期间都能构成准圆形旋转磁场。准圆形旋转磁场。n常规的常规的SPWM那么将控制重点集中在波形的改那么将控制重点集中在波形的改良上，以致在不高的开关频率条件下
3、，难以产良上，以致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，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，因此难降低了电压利用率，甚至使波形畸变，因此难以获得更为称心的交流电动机驱动性能。以获得更为称心的交流电动机驱动性能。 用于用于VSR直流电流控制中的直流电流控制中的SVPWM技术的类型技术的类型 n其一是基于固定开关频率的其一是基于固定开关频率的SVPWM电流控制，电流控制，即利用同步旋转坐标系即利用同步旋转坐标系(d，q)中电流调理器输中电流调理器
4、输出的空间电压矢量指令，再采用出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM使使VSR的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而到达电流控制的目的；到达电流控制的目的；n其二是利用基于滞环电流控制的其二是利用基于滞环电流控制的SVPWM，即，即利用电流偏向矢量或电流偏向变化率矢量空间利用电流偏向矢量或电流偏向变化率矢量空间分布给出最正确的电压矢量切换，使电流偏向分布给出最正确的电压矢量切换，使电流偏向控制在滞环宽度以内，这实践上是一种变开关控制在滞环宽度以内，这实践上是一种变开关频率的频率的SVPWM。 6.3.1 SVPWM普通问题讨论1. 三相VSR空间电压矢量分布n
5、某一开关组合就对应一条空间矢量。该开关组合时的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，在三轴即为该空间矢量，在三轴(a，b，c)上的投影。上的投影。 复平面内定义的电压空间矢量复平面内定义的电压空间矢量 n假假设 是角是角频率率为的三相的三相对称正称正弦波弦波电压,那么矢量那么矢量V即即为模模为相相电压峰峰值,且以且以角角频率率按逆按逆时针方向匀速旋方向匀速旋转的空的空间矢量，矢量，而空而空间矢量矢量V在三在三轴(a，b，c)上的投影就是上的投影就是对称的三相正弦量。称的三相正弦量。 2. 空间电压矢量的合成空间电压矢量的合成n对于任一给定的空间电压
6、矢量，均可由对于任一给定的空间电压矢量，均可由8条三条三相相VSR空间电压矢量合成，空间电压矢量合成， 6条模为的空间电压矢量将复平面均条模为的空间电压矢量将复平面均分成六个扇形区域分成六个扇形区域IVI对于任一扇对于任一扇形区域中的电压矢量，均可由该扇形区域中的电压矢量，均可由该扇形区两边的形区两边的VSR空间电压矢量来合空间电压矢量来合成。成。假设假设V*在复平面上匀速旋转，就对在复平面上匀速旋转，就对应得到了三相对称的正弦量。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，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的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量
7、端点运动轨迹为旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆轨迹。一多边形准圆轨迹。 电压空间矢量V*的几种合成方法 n方法一：该方法将零矢量均匀地分布在矢量方法一：该方法将零矢量均匀地分布在矢量V*的起、的起、终点上，然后依次由终点上，然后依次由V1、V2按三角形方法合成，如按三角形方法合成，如图图a所示。所示。n从该合成法的开关函数波形从该合成法的开关函数波形(见图见图b)分析，一个开关分析，一个开关周期中，周期中，VSR上桥臂功率开关管共开关上桥臂功率开关管共开关4次。次。 a V*合成合成 b开关函数波形开关函数波形频谱分布频谱分布c频谱分布频谱分布由于开关函数波形由于开关函数波形不对称，
8、因此不对称，因此PWM谐波分量主要集中谐波分量主要集中在开关频率在开关频率fa及及2fa，其频谱分布如图，其频谱分布如图c所示。显然，在频所示。显然，在频率率fa处的谐波幅值处的谐波幅值较大。较大。 n方法二：方法二的矢量合成与方法一不同的是，方法二：方法二的矢量合成与方法一不同的是，除零矢量外，除零矢量外，V*依次由依次由V1、V2、V1合成，并合成，并从从V*矢量中点截出两个三角形，如图矢量中点截出两个三角形，如图a所示。所示。n由图由图b的的PWM开关函数波形分析，一个开关周开关函数波形分析，一个开关周期中期中VSR上桥臂功率开关管共开关上桥臂功率开关管共开关4次，且波次，且波形对称。形
9、对称。 a合成合成 b开关函数波形开关函数波形 nPWM谐波分量仍主要分布在开关频率的整数谐波分量仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近，谐波幅值显然比如法一有所降低，倍频率附近，谐波幅值显然比如法一有所降低，其频谱分布其频谱分布c所示。所示。 c频谱分布频谱分布n方法三：方法三将零矢量周期分成三段，其中矢量方法三：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的起、终点上均匀地分布矢量V0，而在矢量，而在矢量V*中中点处分布矢量点处分布矢量V7。除零矢量外，矢量。除零矢量外，矢量V*的合成与方的合成与方法二类似，即均以矢量法二类似，即均以矢量V*中点截出两个三角形，中点截出
10、两个三角形，V*的合成矢量如图的合成矢量如图a所示。所示。n从开关函数波形从开关函数波形(见图见图b)可以看出，在一个可以看出，在一个PWM开关开关周期，该方法使周期，该方法使VSR桥臂功率管开关桥臂功率管开关6次，且波形对次，且波形对称。称。 aV*合成合成 b开关函数波形开关函数波形nPWM谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频率附近。率附近。n在频率附近处的谐波幅值降低十清楚显，其频在频率附近处的谐波幅值降低十清楚显，其频谱分布如图谱分布如图c所示。所示。 c频谱分布频谱分布6.3.2 三相三相VSR空间电压矢量空间电压矢量PWM(SVPWM)控制控制nSV
11、PWM的三相的三相VSR控制那么有以下突出优点：控制那么有以下突出优点：n(1) 与与SPWM控制相比，其三相控制相比，其三相VSR直流电压利直流电压利用率提高了用率提高了154%。 n(2) 与与SPWM控制相比，一样的波形质量条件下，控制相比，一样的波形质量条件下，SVPWM控制具有较低的开关频率，且平均约降控制具有较低的开关频率，且平均约降低低30%，从而有效地降低了功率开关管的开关损，从而有效地降低了功率开关管的开关损耗。耗。n(3) 与与SPWM控制相比，控制相比，SVPWM控制具有更好控制具有更好的动态性能。当采用的动态性能。当采用SVPWM进展进展VSR电流控制电流控制时，可以根
12、据被跟踪的电流矢量，优化选择三相时，可以根据被跟踪的电流矢量，优化选择三相VSR空间电压矢量进展空间电压矢量进展PWM电流跟踪控制，电流跟踪控制， 三相三相VSR SVPWM电流控制类型电流控制类型 n1.经过三相经过三相VSR电流环运算获得空间指令电压电流环运算获得空间指令电压矢量，然后经过矢量，然后经过VSR空间电压矢量的合成，使空间电压矢量的合成，使实践的空间电压矢量逼近指令电压矢量，以到实践的空间电压矢量逼近指令电压矢量，以到达电流控制的目的；达电流控制的目的；n这类这类SVPWM电流控制方案，普通用于动态电电流控制方案，普通用于动态电流呼应要求不高的正弦波电流跟踪控制场所，流呼应要求
13、不高的正弦波电流跟踪控制场所，如高功率因数整流器、无功补偿安装等。如高功率因数整流器、无功补偿安装等。n这主要是由于其指令电压矢量受这主要是由于其指令电压矢量受VSR系统及控系统及控制滞后扰动的影响，因此不易获得非常理想的制滞后扰动的影响，因此不易获得非常理想的动态电流呼应。动态电流呼应。 三相三相VSR SVPWM电流控制类型电流控制类型n2.将滞环控制与将滞环控制与SVPWM控制相结合，经过控制相结合，经过VSR空间电压矢量的实时切换，使电流误差被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，从而获得电流的高质限制在一个给定滞环内，从而获得电流的高质量控制。量控制。n这类这类S
14、VPWM电流控制方案，因其快速的电流电流控制方案，因其快速的电流呼应和较好的系统鲁棒性，常用于诸如有源滤呼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呼应控制的系统中。波器等要求快速电流呼应控制的系统中。n这类控制方案将滞环控制与这类控制方案将滞环控制与SVPWM控制有机控制有机地结合起来，在获得快速电流呼应的同时，降地结合起来，在获得快速电流呼应的同时，降低了开关频率，提高了系统运转效率。低了开关频率，提高了系统运转效率。 n这种控制种控制战略是将指令略是将指令电流流 与反响与反响电流流 经过定定环宽的滞的滞环比比较单元，元，输出相出相应的比的比较形状形状值Ba、 Bb、Bc,并
15、并经过对指令指令电压矢量矢量V*的区域判的区域判别，最，最终由空由空间电压矢量矢量选择逻辑，输出一个适宜的出一个适宜的Vkk=0，7，从而使三相，从而使三相VSR电流跟踪指令流跟踪指令电流。流。 1.基于不定频基于不定频滞环的滞环的SVPWM电流电流控制控制原理框图如原理框图如下图下图2控制控制规那么与那么与Vkk=0，7的的选择n一旦指令一旦指令电压矢量矢量V*及及误差差电流矢量流矢量I确定之确定之后，两矢量空后，两矢量空间的区域位置也随之确定，的区域位置也随之确定，为实现电流跟踪控制，那么必需流跟踪控制，那么必需选择一个适宜的三一个适宜的三相空相空间电压矢量矢量Vk k=0，7，使，使误差
16、差电流流变化率矢量化率矢量dI/dt与与误差差电流矢量流矢量I的方的方向一直相反。向一直相反。n当开关当开关频率足率足够高高时，误差差电流矢量的模流矢量的模 就被限制在一定的滞就被限制在一定的滞环宽度以内，从而度以内，从而实现了了三相三相VSR电流踪控制。流踪控制。 Vk的选择对电流跟踪的影响的选择对电流跟踪的影响n当矢量当矢量I 、V* 在空在空间的区域确定后，可的区域确定后，可选择多条多条Vk满足上述要求。足上述要求。n假假设选取的取的Vk使其使其对应的的误差差电流流变化率矢量的模化率矢量的模 n 越大，其越大，其电流跟踪速度越快，假流跟踪速度越快，假设采用固定采用固定的滞的滞环宽度，那么
17、开关度，那么开关频率也会添加；率也会添加；n中中选取的取的Vk使其使其对应的的误差差变化率矢量的模化率矢量的模 越越小，其小，其电流跟踪速度越慢，相流跟踪速度越慢，相应的开关的开关频率会降低。率会降低。n为了限制不定了限制不定频滞滞环SVPWM电流控制流控制时的的电流流变化化率，率，应选择Vk ，使其，使其对应的的误差差电流流变化率矢量的模化率矢量的模 n 最小。最小。 设定滞环宽时，三相设定滞环宽时，三相VSR不定频滞环不定频滞环SVPWM电流控制规那么电流控制规那么 n规那么那么1：当：当 时，选择三相三相VSR空空间电压矢矢量量Vkk=0，7，使其，使其对应的的 具具有与有与误差差电流矢
18、量流矢量I方向相反的最小分量，以确保方向相反的最小分量，以确保电流矢量，在跟踪指令流矢量，在跟踪指令电流矢量流矢量I*的同的同时，限制，限制电流流变化率，以抑制化率，以抑制电流流谐波。波。n规那么那么 2：当：当 时，原有，原有Vk k=0，7不切不切换，从而在限制平均开关，从而在限制平均开关频率的同率的同时，添加了，添加了SVPWM控制的控制的稳定性。定性。 采用规那么采用规那么2控制控制时，时，Vk 的选择的选择如下图如下图 n当位于当位于、区域构成的平行四区域构成的平行四边形区域形区域时，应选择V1；n当位于当位于、区域构成的平行四区域构成的平行四边形区域形区域时，应选择V2；n当位于当
19、位于、区域构成的平行四区域构成的平行四边形区域形区域时，应选择V0、V7。 当当V*在在I区区时，能，能够选择的的电压矢量矢量为V1、V2、V0、V7。再由再由I区域与区域与V*区域的相区域的相对几何关系分析，几何关系分析，3不定频滞环优化不定频滞环优化SVPWM电流控制电流控制n优化的优化的SVPWM电流控制战略是：电流控制战略是：n即即 值过大时，采用呼应最快的值过大时，采用呼应最快的SVPWM电流控电流控制规那么，以进展快速电流跟踪控制；制规那么，以进展快速电流跟踪控制；n而当而当 值相对较小时，即坚持原有的控制规那么，值相对较小时，即坚持原有的控制规那么，以限制开关频率，并抑制电流谐波
20、。以限制开关频率，并抑制电流谐波。 这是一种双滞是一种双滞环的的SVPWM电流控制，如下流控制，如下图。图中，内滞中，内滞环宽度度为IW ，而外滞而外滞环宽为IW+IW 。 优化的不定频滞环优化的不定频滞环SVPWM控制规那控制规那么么 n规那么那么1： 当当 时，选择VKk=0，7，使其，使其对应的的 具有与具有与I方向相反的方向相反的最大分量，从而使最大分量，从而使I以最快速度跟踪。以最快速度跟踪。n规那么那么2： 当当 时，选择VK k=0，7，使其，使其对应的的 具有与具有与I方向方向相反的最小分量，从而使相反的最小分量，从而使I在跟踪在跟踪I*的同的同时，限制，限制电流流变化率，以抑
21、制化率，以抑制电流流谐波。波。n规那么那么3： 当当 时，原有，原有VK k=0，7不切不切换，从而限制功率开关管的开关，从而限制功率开关管的开关频率，添加率，添加电流控制的流控制的稳定性。定性。 2. 基于定频滞环的基于定频滞环的SVPWM电流控制电流控制n在大功率在大功率VSR设计中，应尽能够坚持设计中，应尽能够坚持VSR功率开功率开关管的开关频率固定，以减少功率开关管应力及关管的开关频率固定，以减少功率开关管应力及开关损耗。开关损耗。n另一方面，由于另一方面，由于VSR为为Boost AC/DC变换器，因变换器，因此在直流电压一定的条件下，较低的交流网侧电此在直流电压一定的条件下，较低的
22、交流网侧电压设计，将导致安装损耗增大。压设计，将导致安装损耗增大。n因此应尽量提高因此应尽量提高VSR电压利用率，从而相对提电压利用率，从而相对提高交流网侧电压设计，以降低大功率高交流网侧电压设计，以降低大功率VSR损耗。损耗。n显然，针对一些电流呼应要求高的大功率显然，针对一些电流呼应要求高的大功率VSR，可采用开关频率固定的滞环可采用开关频率固定的滞环SVPWM电流控制。电流控制。 定频滞环定频滞环SVPWM电流控制的实现电流控制的实现 控制构造如下图控制构造如下图 n引入锁相环控制，引入锁相环控制，以动态调整内、以动态调整内、外滞环宽度，从外滞环宽度，从而获得定频滞环而获得定频滞环SVPWM电流控电流控制制 。当外滞环比较单元断定指令电压矢量当外滞环比较单元断定指令电压矢量V*所在的平行所在的平行四边形区域时，实践上只需两个相间电流误差可以四边形区域时，实践上只需两个相间电流误差可以独立控制。独立控制。
