多電平變頻器無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

1 引言

中高壓大容量電機(jī)的變頻調(diào)速改造是國家節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。中高壓變頻器的主功率電路普遍采用多電平逆變器拓?fù)洌赃_(dá)到降低功率器件的耐壓等級(jí)、減小dv/dt、改善諧波等效果[1]。其中，H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)的多電平逆變器在中高壓電機(jī)的變頻調(diào)速領(lǐng)域技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。

目前，中高壓變頻器的產(chǎn)品中，電機(jī)調(diào)速控制策略多采用V/F控制或矢量控制（又稱磁場(chǎng)定向控制），而直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)方面的研究與應(yīng)用較少，實(shí)現(xiàn)難度較大。主要原因之一在于多電平拓?fù)涞拈_關(guān)管數(shù)目眾多，造成傳統(tǒng)DTC所需要的開關(guān)向量表非常復(fù)雜。另外，傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較器，逆變器開關(guān)頻率不固定，難以數(shù)字實(shí)現(xiàn)，生成多電平波形較為困難，電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。

實(shí)現(xiàn)DTC等高性能調(diào)速策略需要檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但速度傳感器的安裝增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和維護(hù)要求，降低了可靠性和魯棒性。

本文針對(duì)級(jí)聯(lián)多電平的特點(diǎn)，將錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制法和無速度傳感器技術(shù)引入到級(jí)聯(lián)多電平直接轉(zhuǎn)矩控制中，解決了傳統(tǒng)DTC應(yīng)用在多電平領(lǐng)域所存在的開關(guān)向量表復(fù)雜、波形質(zhì)量不好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問題，具有直流電壓利用率高、功率單元使用均衡、諧波含量好、方法簡單、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。利用Matlab/Simulink對(duì)這一方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 多電平直接轉(zhuǎn)矩控制的難點(diǎn)

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用磁鏈與轉(zhuǎn)矩的砰―砰控制，根據(jù)它們的變化與定子磁鏈所在的空間位置直接選擇電壓空間矢量的開關(guān)狀態(tài)，獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)[2]。但是其實(shí)際轉(zhuǎn)矩在滯環(huán)比較器的上下限內(nèi)脈動(dòng)，開關(guān)頻率也不固定。一種改進(jìn)方案是將空間矢量調(diào)制（SVM）方法與DTC相組合，對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，以電壓空間矢量調(diào)制模塊取代開關(guān)向量表，產(chǎn)生PWM波控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，可使開關(guān)頻率恒定，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也大幅減小[3]。

然而，在多電平領(lǐng)域，逆變器的基本空間矢量數(shù)目眾多，對(duì)于每相n個(gè)H橋級(jí)聯(lián)單元即 級(jí)級(jí)聯(lián)的多電平逆變器，其基本空間矢量數(shù)目為(2n+1) 3個(gè)。每相3單元的高壓變頻器基本空間矢量多達(dá)343個(gè)，而對(duì)于每相6單元的高壓變頻器，這個(gè)數(shù)目達(dá)到了2197個(gè)。如此繁多的基本空間矢量使空間矢量選擇算法變得非常復(fù)雜。另外，空間矢量的選擇要考慮功率單元的開關(guān)負(fù)荷均衡，這就對(duì)算法提出了更高的要求。因此，在電平數(shù)較多的情況下，空間矢量算法實(shí)現(xiàn)困難，也難以滿足實(shí)時(shí)控制的要求[4]。

為克服上述問題，在級(jí)聯(lián)多電平中采用錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制（Sampe-Time-Staggered Space Vector Modulation，簡稱STS-SVM）策略，能大大降低空間矢量選擇的復(fù)雜度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)負(fù)荷的自動(dòng)均衡，執(zhí)行效率高，易于實(shí)現(xiàn)無速度傳感器DTC等高性能實(shí)時(shí)控制。

3 錯(cuò)時(shí)采樣SVM策略

錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量法最早是應(yīng)用在如圖1所示的組合變流器結(jié)構(gòu)[5]，此變流器由N個(gè)3相6開關(guān)管的逆變器單元組成，輸出通過變壓器耦合。STS-SVM的基本思想是在每個(gè)變流器單元中按照傳統(tǒng)兩電平空間矢量的方法進(jìn)行參考電壓的采樣，采樣周期為Ts，將相鄰單元的采樣時(shí)刻錯(cuò)開Ts/N。這樣，系統(tǒng)等效的基本空間矢量數(shù)目大大增加，得到的輸出電壓具有多電平的形式，相電壓電平數(shù)為2N+1。

圖1 組合變流器拓?fù)?/p>

組合變流器與3相H橋級(jí)聯(lián)型多電平逆變器在拓?fù)渖暇哂修D(zhuǎn)換等效關(guān)系[6]。將圖2（a）中的兩級(jí)多電平變流器經(jīng)變換后可等效為圖2（b）中的一級(jí)3相H橋結(jié)構(gòu)，等效的開關(guān)管在兩幅圖中以相同的編號(hào)表示，即一級(jí)H橋中左橋臂的開關(guān)管和右橋臂的開關(guān)管可分別等效為多電平變流器的兩個(gè)3相6橋臂單元。這樣就可將STS-SVM調(diào)制法用于一級(jí)3相H橋。具體方法是用STS-SVM方法得出圖2（a）中的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)圖2（b）中相同編號(hào)的開關(guān)管。由于兩級(jí)變流器中N=2，因此兩個(gè)單元的采樣時(shí)刻錯(cuò)開Ts/2。轉(zhuǎn)化到圖2（b）中，相當(dāng)于對(duì)一級(jí)3相H橋逆變器左橋臂的6個(gè)開關(guān)管和右橋臂的6個(gè)開關(guān)管分別進(jìn)行相同的幅度和頻率調(diào)制比下的兩電平空間矢量調(diào)制，并且要使兩者參考電壓的采樣時(shí)刻錯(cuò)開Ts/2。

（a）兩級(jí)多電平變流器