1 引言

中高壓大容量電機(jī)的變頻調(diào)速改造是國(guó)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(chēng)磁場(chǎng)定向控制），而直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱(chēng)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_(kāi)關(guān)管數(shù)目眾多，造成傳統(tǒng)DTC所需要的開(kāi)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(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)向量表復(fù)雜、波形質(zhì)量不好、轉(zhuǎn)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(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(kāi)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(kāi)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(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(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(kāi)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(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)關(guān)負(fù)荷的自動(dòng)均衡，執(zhí)行效率高，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)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(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(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T(mén)s，將相鄰單元的采樣時(shí)刻錯(cuò)開(kāi)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)?br>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(kāi)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(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(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(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(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(kāi)Ts/2。

圖2 兩級(jí)組合變流器與一級(jí)三相H橋逆變器的等效關(guān)系
根據(jù)上述思想進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)于n級(jí)H橋級(jí)聯(lián)的逆變器，可以等價(jià)為2n個(gè)單元的組合變流器，相鄰的兩級(jí)H橋單元同一側(cè)橋臂的采樣時(shí) 刻應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)Ts/2n。

由上述分析可以得到在n級(jí)H橋級(jí)聯(lián)型逆變器中應(yīng)用錯(cuò)時(shí)采樣調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)方法。只要根據(jù)傳統(tǒng)兩電平空間矢量算法得出某一級(jí)H橋中三個(gè)同側(cè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)中其它各開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可通過(guò)相應(yīng)的延時(shí)得到。兩電平空間矢量算法在主控制器中進(jìn)行，延時(shí)可通過(guò)在主控制器外增加硬件單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣就大大減輕了主控制器的負(fù)擔(dān)，能夠適應(yīng)快速實(shí)時(shí)控制的要求。

STS-SVM中，系統(tǒng)總體輸出電壓矢量的安排是自動(dòng)完成的，由兩電平空間矢量算法得出的各個(gè)橋臂觸發(fā)波形自身具有對(duì)稱(chēng)性和均衡性，因此總體開(kāi)關(guān)負(fù)荷也是均衡的。

4 STS-SVM無(wú)速度傳感器DTC系統(tǒng)

相對(duì)于普通的多電平空間矢量算法，STS-SVM控制算法簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)負(fù)荷均衡，使得主控制器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制等算法成為可能。

圖3為基于STS-SVM的級(jí)聯(lián)多電平無(wú)速度傳感器DTC控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。圖中速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器均為比例積分調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器需要在PI調(diào)節(jié)前采用限幅，以免過(guò)大的轉(zhuǎn)矩誤差造成過(guò)電流沖擊。系統(tǒng)總采用STS-SVM模塊產(chǎn)生PWM波控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，摒棄了復(fù)雜的開(kāi)關(guān)矢量表。另外，由于未使用滯環(huán)比較，系統(tǒng)的采樣頻率是固定的，更易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

4.1 STS-SVM調(diào)制的多電平逆變器

此處，多電平逆變器為圖4（a）所示的三級(jí)H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)洹TS-SVM模型中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生通過(guò)兩電平空間矢量算法得出的調(diào)制波與各個(gè)開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)的三角波進(jìn)行比較來(lái)獲得，如圖4（b）所示。各個(gè)三角載波存在一定的移相關(guān)系，這樣就等效地實(shí)現(xiàn)了采樣周期的相互錯(cuò)開(kāi)。

圖4 級(jí)聯(lián)多電平主電路與PWM產(chǎn)生單元
4.2 磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)

定子磁鏈的估計(jì)大體上可以分為三種模型，即u-i模型，i-n模型，u-n模型。其中u-i模型中磁鏈表達(dá)式為