1 引言
消除電網諧波污染、提高功率因數是電力電子領域研究的重大課題。隨著功率半導體開關器件的進步，促進了電力電子變流裝置技術的迅速發展，出現了以脈寬調制(pwm)控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源等。將pwm技術引入整流器的控制之中，使整流器網側電流正弦化，且可運行于單位功率因素基礎上的能量雙向流動，實現了“綠色電能變換”。
空間矢量pwm(svpwm)控制策略是依據變流器空間電壓(電流)矢量切換來控制變流器的一種控制策略，其主要思路主要在于拋棄了原有的正弦脈寬調制(spwm)，而采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準圓形旋轉磁場，提高動態響應和電壓利用率，同時降低電流的諧波含量。
2 空間電壓矢量控制策略
圖1 三相電壓型pwm整流器主電路拓撲
定義圖1中的三相整流橋開關函數sa,sb,sc為:
(1)
其中k ＝ a、b、c。
三相電壓空間矢量描述了三相pwm整流器交流側電壓在復平面上的空間分布。
(2)
式中sa,sb,sc為三相單極性二值邏輯開關函數。由
中開關組合可得相應的三相pwm整流器交流側的電壓值。
如果νa,νb,νc是角頻率為ω的三相對稱正弦波電壓，那么矢量v的模即為相電壓的峰值，且以角頻率ω按逆時針方向勻速旋轉的空間矢量，而空間矢量v在三相坐標系上的投影就是對稱的三相正弦量。
圖2 復平面中的基本矢量分布
因此，空間矢量調制就是利用三相橋能輸出的8個電壓矢量來合成指令電壓矢量，從圖2中可以看到，8個電壓矢量是間斷的，而參考電壓矢量是連續的，但是如果開關頻率足夠高，則可以以一個開關周期的平均值為標準來進行等效，這是空間矢量調制的基本原理。
3 svpwm的簡化算法實現
3.1 矢量作用時間的簡化算法
在實際的計算中，指令矢量ｖ＊一般給定為兩相靜止坐標系下矢量ｖ＊在a,β坐標軸上的分量ua,uβ。通過反正切、正弦函數才能得到夾角θ的大小以及矢量的作用時間，但這種方法的實現需要大量的快速的運算，對控制器的硬件要求很高。本文采用了一種簡化計算的方法，根據指令電壓的ua,uβ直接計算空間矢量在各個扇區的作用時間。
指令電壓矢量ｖ＊在扇區i時，如圖2所示。其中矢量的作用時間可由下式計算:
(4)
(5)
令線性調制區指令矢量│ｖ＊│max=1，即電壓空間矢量形成六邊形的內切圓為單位圓，則
，再將
，代入式(4)、(5)得:
(6)
(7)
指令電壓矢量ｖ＊在扇區ⅱ時，由矢量v2,v3來合成指令矢量，此時矢量作用時間的計算方法同在扇區i中有所區別，引入輔助計算量a,b，如圖3所示:
圖3 第二扇區矢量的合成
根據正弦定律可得:
(8)
(9)
由圖可知，v2,v3的作用時間可用a,b來表示:
(10)
(11)
將
，
，
，
代入式(8)、(9)，再由式(10)、(11)可得:
(12)
(13)
用同樣的方法可以計算出其他扇區中矢量的作用時間(見附表)，計算的結果同扇區ⅰ,ⅱ的計算結果類似。定義如下輔助參數:
(14)
附表 簡化的合成算法
其中，t1,t2分別為該扇區中電壓矢量的作用時間。
3.2 扇區的確定
從上述的分析可知，只要確定指令電壓矢量ｖ＊所在的扇區即可通過查表獲得合成矢量的作用時間。區間的劃分如圖4所示:
圖4 靜止坐標系下扇區的劃分
本文采用的扇區區分的方法通過修改clark反變換使變換后的三相值更易于判斷出指令電壓矢量所在的扇區，而且最多只需要三次比較即可獲得扇區號。將clark反變換作如下修改:
(15)
圖5 修改后的扇區劃分
根據修改后的clark反變換，可以得到圖5。根據變換后的三相值，通過如圖6中的流程即可確定指令電壓矢量的扇區號。
圖6 扇區確定流程
4 實驗結果
主控制芯片采用dsp56803，該芯片是freescale dsp56800系列面向于控制應用開發的16位dsp處理器。它將數字信號處理器(dsp)和微控制器(mcu)集合于一身，使數字信號控制器(dsc)既有數字信號處理器(dsp)的高速實時運算能力，又具備同微控制器(mcu)一樣的豐富的外部設備，具有三對互補輸出的pwm口線，并可方便配置互補輸出死區時間。
圖7 控制結構圖
圖7所示系統采用雙閉環pi控制，電壓外環用于穩定直流側電壓，同時電壓環pi輸出為指令電流大小，電流環用于改善系統的動態響應。實驗中交流側相電壓為40v，主回路電感為1mh，直流側支撐電容為4700，整流和逆變的直流側電壓分別為160v和130v。開關頻率為5khz。圖8、9中ch1為交流側電壓波形，ch2代表電流波形，ch3代表直流側電壓波形。
圖8 整流波形
圖9 逆變波形
5 結束語
本文提出了一種簡化的空間電壓矢量(svpwm)的控制算法，同時縮短計算時間便于數字實現。為驗證該控制策略的正確性，設計了一臺8kw的實驗樣機，分別進行了整流和逆變的實驗，從實驗波形上可以發現，本文提出的空間矢量控制策略，能很好的實現pwm整流器的雙向能量流動，接近功率因素的±控制。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
