电力电子教学中的两电平空间矢量脉宽调制算法及PSCAD建模

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）333电力电子教学用两电平空间矢量脉宽调制算法的PSCAD建模艾哈迈德·梅特·武拉尔加济安泰普大学电气和电子工程系，27310Sehitkamil，加济安泰普，土耳其接收日期：2015年10月21日;接收日期：2016年1月7日;接受日期：2016年1月24日2016年8月4日在线发布摘要本文介绍了PSCAD中的两电平空间矢量脉宽调制算法的设计细节，该算法能够产生具有两种不同开关模式的三相两电平DC/AC变换器的脉冲给出的FORTRAN程序具有通用性，可以方便地修改以适应多种空间矢量调制策略。代码也可编辑用于硬件编程。通过与MATLAB库中类似元件的输出信号进行比较，对新元件进行了测试和验证。此外，该组件被用来产生数字信号的闭环控制的STATCOM的无功补偿PSCAD。该插件可以作为一个有效的工具，让学生更好地了解空间矢量调制算法在电力电子领域的不同控制任务，并可以激励他们学习。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：空间矢量脉宽调制;仿真模型;电压型逆变器;电力电子;研究生教育1. 介绍电力从一种形式到另一种形式的转换及其控制一直是可以通过各种电力电子电路拓扑实现的实时研究主题（Rashid，2013）。其中，具有不同拓扑结构的强制换向电压源逆变器（VSI），范围从不同的电压和功率电平，可以有效地从固定的DC电压源合成可变的AC电压和频率，以将DC电压转换为频率、相位角和幅度可控的AC正弦三相电压（Colak等人， 2011年）。空间矢量脉宽调制（SVPWM）是一种工业上公认的算法，用于最新的VSI，除了广泛使用的电子邮件地址：metevural@gmail.com，metevural@hotmail.com电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.01.0052314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。334上午Vural/电气系统和信息技术杂志3（2016）333基于载波的脉宽调制，其中将三角载波信号与参考波形（通常为纯正弦、正弦加三次谐波分量或梯形波形的形式）进行比较，当与基于载波的调制方法相比时，SVPWM的主要益处是（Valan Rajkumar和Manoharan，2013; Holmes和Lipo，2003 a）：具有15%的更高的DC电压利用率、更少的总谐波失真（THD）以 及 开 关 损 耗 的 减 少 （ Stumpf 等 人 ， 2013 年 ） 。 但 SVPWM 的 缺 点 是 它 需 要 复 杂 的 在 线 计 算（Durgasukumar和Pathak ，2012）。存在导致不同质量和计 算要求的SVPWM的变化（Chen 等人，2013;Huang等人，2012年）。SVPWM策略在公开文献中广泛应用于变频驱动器（Lu和Qu，2007; Vafakhah和Salmon，2010; Ün和Hava，2009）、有源电力滤波器（Asiminoaei和Rodriguez，2008 a，b; Demirkutlu和Hava，2009; Xiang等人， 2011年），可再生能源系统（Valan Rajkumar和Manoharan，2013年; ValanRajkumar 等 人 ， 2013; Karimi-Davijani 等 人 ， 2008 年 ） 和 FACTS/HVDC 应 用 （ Wang 和 Cathey ， 2003年 ;Geethalakshmi 和 Dananjayan ， 2008 年 ;Norouzizadeh 等 人 ， 2010;Xiao 等 人 ， 2011;Omar 和 Rahim ，2009;Xiaojie和Yi，2011）。也许，由于实验装置和硬件编程的复杂性，VSI应用的研究通常是在动态仿真上进行的，这比在实验样机上进行研究更实用和经济此外，仿真模型通常给出快速和准确的结果，用于教学或研究目的的设计时间较短 另一方面，由于预算限制，与本科工程课程中的某些功率课程相关联的实验室设施变得越来越小（Costa等人， 2012年）。 动态仿真研究也可以优选地作为基于SVPWM的算法的硬件编程的初始阶段。在过去的十年中，基于SVPWM算法的电压源逆变器（VSI）控制在电力系统中得到了越来越多的关注。在Muyeen等人（2007）中，使用PSCAD标准库组件介绍了SVPWM技术的应用虽然该模型是图形化的描述，库组件的选择参数没有提供，这使得它很难理解的算法完全。 Liu等人所（2010），在PSCAD中准备了定制的两电平SVPWM组件。虽然给出了算法原理和程序流程图，但在Xiang等人（2011年）中，基于三电平VSI的有源滤波器使用PSCAD中的简化版本的SVPWM进行控制，但未明确说明修改后算法的实现。Xiao等人（2011）在PSCAD中建立了VSC-HVDC系统，并通过案例研究进行了验证。SVPWM算法的高直流电压利用率特性但是没有提供SVPWM算法的实现细节在Omar和Rahim（2009）中，在PSCAD中提出了用于缓解电压骤降的动态电压恢复器的建模和仿真SVPWM算法产生变换器的开关信号，但文中没有给出其建模细节在Karimi-Davijani等人（2008年）中，提供了SVPWM的黑盒模型，用于控制风力涡轮机应用的双馈感应发电机的两个转换器。Xiaojie和Yi（2011）描述了基于SVPWM的三电平STATCOM的建模和分析，但没有给出建模细节。在上述工作和公开文献中观察到的共同情况是，虽然SVPWM算法被成功地应用于电压源逆变器的控制，但论文主要集中在控制系统的瞬态性能，而不是SVPWM算法本身。作者意识到，PSCAD的旧版本（v4.2，v4.3）不包括SVPWM组件，只有PSCAD的两个最新版本（v4.4，v4.5）在主库中包括标准SVPWM组件不幸的是，可用的模型不是开源的，并且不提供完整的FORTRAN代码用于定制（AdobaHydro）。在本文中，SVPWM算法的两种变化，导致不同的谐波质量和计算要求的充分介绍。此外，SVPWM算法应用于两电平STATCOM的脉冲产生模型验证。该算法具有开放性和可扩展性，非常适合电力电子教学和研究。2. SVPWM原理SVPWM的理论是众所周知的，并且在文献中有很好的记载（Holmes，1996;Holtz，1992; Holmes和Lipo，2003 b）。在此，我们对SVPWM作了一个简单的回顾，为后面的章节打下基础。SVPWM算法基于克拉克（α-β）变换，该克拉克（α - β）变换将三相电压转换成具有固定幅度的电压矢量，该电压矢量f= 50Hz）。两电平三相电压源逆变器具有六个IGBT开关，带反并联二极管，和一个直流电容，如图所示。1.一、 VSI只能在上午Vural/电气系统和信息技术杂志3（2016）333335Fig. 1.八个开关状态的六脉冲VSI。图二. α-β平面中的VSI输出电压矢量。在总共八个开关状态中，使得输入线永远不会短路，并且VSI的输出电流总是连续的。由于克拉克变换，每个状态对应于具有2/3VDC的幅度的输出电压矢量。如图2所示，六个有效矢量将α参考电压矢量Vref在给定时间位于六边形的任何扇区上，并且在一个PWM或斩波周期TPWM中近似为：336上午Vural/电气系统和信息技术杂志3（2016）333≤ ≤≤一2一投影扇区中两个相邻有效矢量和一个零矢量的组合（Holmes和Lipo，2003 a）。例如，如果V_ref在扇区1中，则它可以通过两个相邻有效矢量（V1，V2）的和来近似，如等式（1）中给出的。其中da和db分别是V1和V2的占空比。零矢量的占空比d0可以如等式2中给出的那样计算（二）、占空比是相关开关状态的持续时间，在输出端产生相关电压矢量。占空比通常表示为每单位TPWM，使得d=T/TPWM，其中T是电流开关状态的时间份额。虽然零矢量对V ref的合成没有直接影响，但它们用于SVPWM算法中以减少谐波、输出纹波和THD（Rashid，2013; Holmes和Lipo，2003 a;Huang等人， 2012年）。Vref=da V1+db V2（1）d0=1−da−db（2）3. SVPWM算法PSCAD包括全面的系统模型库，涵盖了许多无源元件和控制功能，用于研究电气设备和网络的瞬态行为。它也非常灵活建立用户定义的模型。PSCAD的免费版本可供希望建模和分析自定义编写算法（如SVPWM）的学生使用。本节介绍SVPWM算法的整体PSCAD模型，包括图形视图和流程图。 此外，附录A中提供了完整的FORTRAN代码。SVPWM的中心对准对称开关模式可根据零矢量的分布方式和实现方式进行分类。例如，ppp和nnn的切换状态可以在每个单个切换周期内组合或者可替代地，对于一些完整的开关周期可以考虑开关状态ppp，而对于随后的完整的开关周期考虑开关状态nnn 在这方面，用户能够选择这两种类型的切换模式，即模式#1和模式#2（Yu，2016）。 使用PSCAD新组件向导，设计了SVPWM算法的自定义组件，如图3所示，由三部分组成：（i）图形，（ii）参数，（iii）脚本。图形部分如图3（a）所示，它有四个输入和一个六维输出，每个输入和六维输出都分配给一个IGBT栅极，以打开或关闭它“参数“部分的设计如图所示。 3（b）当双击图形时可以到达。它包括一个单选按钮和一个下拉列表，允许用户分别选择PLL类型和开关模式类型。“

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