多電平變頻器無(wú)速度傳感器直接轉矩控制的研究

1 引言

中高壓大容量電機的變頻調速改造是國家節能減排工作的重點(diǎn)。中高壓變頻器的主功率電路普遍采用多電平逆變器拓撲，以達到降低功率器件的耐壓等級、減小dv/dt、改善諧波等效果[1]。其中，H橋級聯(lián)型結構的多電平逆變器在中高壓電機的變頻調速領(lǐng)域技術(shù)最為成熟，應用最為廣泛。

目前，中高壓變頻器的產(chǎn)品中，電機調速控制策略多采用V/F控制或矢量控制（又稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制），而直接轉矩控制(Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DTC)方面的研究與應用較少，實(shí)現難度較大。主要原因之一在于多電平拓撲的開(kāi)關(guān)管數目眾多，造成傳統DTC所需要的開(kāi)關(guān)向量表非常復雜。另外，傳統DTC采用滯環(huán)比較器，逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定，難以數字實(shí)現，生成多電平波形較為困難，電流、轉矩脈動(dòng)較大。

實(shí)現DTC等高性能調速策略需要檢測電機的轉速，但速度傳感器的安裝增加了系統的復雜性、成本和維護要求，降低了可靠性和魯棒性。

本文針對級聯(lián)多電平的特點(diǎn)，將錯時(shí)采樣空間矢量調制法和無(wú)速度傳感器技術(shù)引入到級聯(lián)多電平直接轉矩控制中，解決了傳統DTC應用在多電平領(lǐng)域所存在的開(kāi)關(guān)向量表復雜、波形質(zhì)量不好、轉矩脈動(dòng)大等問(wèn)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(jiǎn)單、易于數字實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)。利用Matlab/Simulink對這一方法進(jìn)行了仿真驗證。

2 多電平直接轉矩控制的難點(diǎn)

傳統的直接轉矩控制采用磁鏈與轉矩的砰―砰控制，根據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(kāi)關(guān)狀態(tài)，獲得快速的轉矩響應[2]。但是其實(shí)際轉矩在滯環(huán)比較器的上下限內脈動(dòng)，開(kāi)關(guān)頻率也不固定。一種改進(jìn)方案是將空間矢量調制（SVM）方法與DTC相組合，對轉矩進(jìn)行閉環(huán)PI調節，以電壓空間矢量調制模塊取代開(kāi)關(guān)向量表，產(chǎn)生PWM波控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可使開(kāi)關(guān)頻率恒定，轉矩脈動(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目眾多，對于每相n個(gè)H橋級聯(lián)單元即 級級聯(lián)的多電平逆變器，其基本空間矢量數目為(2n+1) 3個(gè)。每相3單元的高壓變頻器基本空間矢量多達343個(gè)，而對于每相6單元的高壓變頻器，這個(gè)數目達到了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雜。另外，空間矢量的選擇要考慮功率單元的開(kāi)關(guān)負荷均衡，這就對算法提出了更高的要求。因此，在電平數較多的情況下，空間矢量算法實(shí)現困難，也難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求[4]。

為克服上述問(wèn)題，在級聯(lián)多電平中采用錯時(shí)采樣空間矢量調制（Sampe-Time-Staggered Space Vector Modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)STS-SVM）策略，能大大降低空間矢量選擇的復雜度，并且能夠實(shí)現開(kāi)關(guān)負荷的自動(dòng)均衡，執行效率高，易于實(shí)現無(wú)速度傳感器DTC等高性能實(shí)時(shí)控制。

3 錯時(shí)采樣SVM策略

錯時(shí)采樣空間矢量法最早是應用在如圖1所示的組合變流器結構[5]，此變流器由N個(gè)3相6開(kāi)關(guān)管的逆變器單元組成，輸出通過(guò)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T(mén)s，將相鄰單元的采樣時(shí)刻錯開(kāi)Ts/N。這樣，系統等效的基本空間矢量數目大大增加，得到的輸出電壓具有多電平的形式，相電壓電平數為2N+1。

圖1 組合變流器拓撲

組合變流器與3相H橋級聯(lián)型多電平逆變器在拓撲上具有轉換等效關(guān)系[6]。將圖2（a）中的兩級多電平變流器經(jīng)變換后可等效為圖2（b）中的一級3相H橋結構，等效的開(kāi)關(guān)管在兩幅圖中以相同的編號表示，即一級H橋中左橋臂的開(kāi)關(guān)管和右橋臂的開(kāi)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調制法用于一級3相H橋。具體方法是用STS-SVM方法得出圖2（a）中的開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號，去驅動(dòng)圖2（b）中相同編號的開(kāi)關(guān)管。由于兩級變流器中N=2，因此兩個(gè)單元的采樣時(shí)刻錯開(kāi)Ts/2。轉化到圖2（b）中，相當于對一級3相H橋逆變器左橋臂的6個(gè)開(kāi)關(guān)管和右橋臂的6個(gè)開(kāi)關(guān)管分別進(jìn)行相同的幅度和頻率調制比下的兩電平空間矢量調制，并且要使兩者參考電壓的采樣時(shí)刻錯開(kāi)Ts/2。

（a）兩級多電平變流器