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)?，以達(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?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/開(kāi)關(guān)管" title="開(kāi)關(guān)管" target="_blank">開(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)?/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(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,。

 
（a）兩級(jí)多電平變流器

 
(b) 一級(jí)三相H橋逆變器
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),。

圖3 基于STS-SVM的無(wú)速度傳感器DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    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)?。STS-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)。

 (a) 三級(jí)級(jí)聯(lián)多電平逆變器主電路

(b)STS-SVM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生單元
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

         （1）

其中,，，us,，is,，Rs分別為定子磁鏈、電壓,、電流值與定子電阻值,，可見(jiàn)，u-i模型觀測(cè)定子磁鏈無(wú)需轉(zhuǎn)速信息,，唯一所需了解的電動(dòng)機(jī)參數(shù)是定子電阻Rs,，因此十分適合在此處應(yīng)用。

    直接轉(zhuǎn)矩控制需要實(shí)測(cè)電磁轉(zhuǎn)矩Te作為反饋量,，一般采用計(jì)算法,。電磁轉(zhuǎn)矩具有多種不同的表達(dá)式，可以采用定子電流,、轉(zhuǎn)子電流,、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈中的任意2個(gè)參數(shù)來(lái)獲得電磁轉(zhuǎn)矩,。在直接轉(zhuǎn)矩控制中,，通常采用如下的公式計(jì)算Te：

           （2）

    其中，Pn為電機(jī)的極對(duì)數(shù),。

    在Matlab/Simulink中建立磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)的模型,，如圖5所示。

圖5 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型

    4.3 速度估計(jì)

    基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System,，MRAS）的轉(zhuǎn)速辨識(shí)實(shí)現(xiàn)較為方便,，且具有對(duì)轉(zhuǎn)子電阻變化的完全不敏感性,，電機(jī)參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)速估算的影響也較小。轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型與電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),，而轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān),，因此選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型作為參考模型，而選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型作為可調(diào)模型[7],。

    由于在磁鏈觀測(cè)中已經(jīng)估算出定子磁鏈,，因此參考模型可以用定子磁鏈表示：

                      （3）

    其中，為轉(zhuǎn)子磁鏈,，Lm為定轉(zhuǎn)子互感,， Lr為轉(zhuǎn)子電感，為定子瞬時(shí)電感,， Ls為定子電感,。
    可調(diào)模型為：

             （4）

    其中Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，Rr為轉(zhuǎn)子電阻,，為轉(zhuǎn)子角速度,。

 
圖6 利用轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)轉(zhuǎn)速的MRAS方案

 
圖7 轉(zhuǎn)速估計(jì)模型

    定義廣義狀態(tài)誤差，利用Popov超穩(wěn)定準(zhǔn)則可推導(dǎo)出自適應(yīng)率形式為：
                     （5）
其中,，Kp,、Ki分別為比例和積分系數(shù)， 是取之于的誤差信息,，
              （6）

    由式（6）可以看出,，磁鏈誤差信息比例于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?和 之間的角偏差αr， 經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器可產(chǎn)生速度信號(hào),，這個(gè)調(diào)整信號(hào)會(huì)使可調(diào)模型估計(jì)的與參考模型的趨于一致,，令轉(zhuǎn)子磁鏈誤差 能夠收斂于零，也就會(huì)使轉(zhuǎn)速估計(jì)值逐步逼近于真實(shí)值,，其原理如圖6所示,。圖7為利用轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)轉(zhuǎn)速的MRAS的Matlab/Si mulink模型。

5 仿真結(jié)果及分析

    在Matlab/Simulink中建立了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型,。其中,，電機(jī)模型采用軟件自帶的兩級(jí)三相異步感應(yīng)電機(jī)模型，參數(shù)為：額定功率PN =3730W,，額定線電壓UN =380V,，額定頻率fN =50Hz，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.083Ω,，定子電阻Rs=1.115Ω,，定子、轉(zhuǎn)子電感Ls= Lr=0.2097H,，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.2037H,，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02kgg㎡,。逆變器每級(jí)直流電源電壓為104V，采樣周期Ts=952µs,。

    仿真中,，給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)空載啟動(dòng),，在0.3s處突加6Ngm的負(fù)載,。各個(gè)變量的仿真波形如圖8所示。

 
(a)辨識(shí)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速
 
（b）轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)相應(yīng)
   
（c）定子磁鏈         （d）電流
 
（e）相電壓
 
（f）線電壓

圖8 系統(tǒng)仿真波形

    由仿真波形可以看出,，電機(jī)啟動(dòng)后0.2s,，系統(tǒng)基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；辨識(shí)轉(zhuǎn)速能較好地估計(jì)與跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速,；相電壓輸出7電平；線電壓輸出13電平,；電流波形良好,；穩(wěn)態(tài)時(shí)磁鏈與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都比較小,；啟動(dòng)過(guò)程中定子磁鏈能很快達(dá)到給定值,，并保持圓形；啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩迅速達(dá)到限幅值（23Ngm）,，之后逐漸回落到空載穩(wěn)定值,，加載時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好。

6 結(jié)論

    本文將錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制方法,、模型參考自適應(yīng)方法與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)多電平變頻器的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制，有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,、可靠性高,、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有較好的實(shí)用價(jià)值,。文中給出了各個(gè)部分的建模方法,，通過(guò)仿真對(duì)這一方法進(jìn)行了驗(yàn)證。