多種調制方式下的電流諧波仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26855多種調制方式下的電流諧波仿真分析案例 )基于式（5-2）中WN的對稱性和周期性，離散傅里葉變換可改進為一系列的迭代運算，又稱快速傅里葉變換（fastFouriertransform），簡稱FFT。Simulink集成了FFT分析模塊，可通過Powergui模塊進行調用，如圖5-7所示。FFT分析時需要先選擇對應的波形，再設置基波頻率、最大頻率、采樣時間、采樣周期等信息，即可得到該波形的各次諧波分布圖，F(xiàn)FT分析界面如圖5-8所示。、圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s27Powergui模塊中的FFT分析工具圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s28FFT分析工具使用界面兩電平矢量控制不同載波比下電流諧波對比按照圖5-1的仿真模型，對不同載波比下的兩電平矢量控制進行仿真實驗，對比分析載波比對高速永磁同步電機的定子電流及其諧波含量的影響。永磁同步電機模型參數(shù)設置同表4-1，使電機穩(wěn)定運行在額定轉速60000r/min，帶額定負載0.1573Nm，仿真時間設置為1s，載波比Nc選擇10、20、40三種情況。(a)Nc=10(b)Nc=20(c)Nc=40圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s29不同載波比下的兩電平矢量控制仿真波形兩電平矢量控制下載波比分別選擇10、20和40得到的相電流波形如圖5-9所示，其中還包括端電壓和電磁轉矩波形。從圖中可以看出，隨著載波比的增大，相電流波形越來越接近正弦，對三種情況下的相電流波形作FFT分析，結果如圖5-10所示。(a)Nc=10(b)Nc=20(c)Nc=40圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s210不同載波比下兩電平矢量控制的相電流FFT分析從圖中可以看出，兩電平矢量控制調制方式下產生的相電流諧波主要分布在倍載波比頻次附近，和4.1理論結果一致。載波比為10時，諧波幅值較高的次數(shù)為6、8、12、14、19、21，載波比為20時，諧波幅值較高的次數(shù)為16、18、22、24、39、41，載波比為40時，諧波幅值較高的次數(shù)為36、38、42、44、79、81和一些低頻次諧波，這些低頻次諧波主要產生于管壓降和死區(qū)等原因。對比兩電平矢量控制三種載波比下的相電流諧波畸變率，如表5-1所示。載波比為40的相電流諧波畸變率最小為13.54％，載波比為10的相電流諧波畸變率最大達43.36％。表STYLEREF2\s5SEQ表\*ARABIC\s21矢量控制在不同載波比下的電流諧波畸變率載波比Nc相電流總諧波畸變率1043.36％2020.45％4013.54％從上述仿真驗證了矢量控制調制方式下，通過提高載波比能使定子電流產生的諧波含量更低，總諧波畸變率更小，定子電流更接近正弦。兩電平矢量控制與三電平矢量控制電流諧波對比仍以表4-1所示電機為控制對象，對三電平矢量控制調制方式下的定子電流諧波進行仿真實驗，其中電機穩(wěn)定運行在額定轉速60000r/min，帶額定負載0.1573Nm，載波比為10。由于三電平逆變器所需要的功率器件是兩電平逆變器的兩倍，目前高載波比下選用的SiC功率器件成本較高，所以多電平與高載波比一般不會同時考慮。圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s211三電平矢量控制仿真波形仿真得到三電平矢量控制調制方式下的端電壓、相電流和電磁轉矩波形如圖5-11所示，其中端電壓存在正電平、負電平和零電平三種狀態(tài)，載波比Nc為10時，一個基波周期內端電壓應有5個正電平脈沖和5個負電平脈沖，由于電機穩(wěn)定運行時仍存在輕微的轉速波動，導致圖5-11中一個基波周期內端電壓有6個正電平脈沖。相比于圖5-9，可以看出三電平矢量控制調制方式下的相電流更為正弦，對該電流波形進行FFT分析，分析結果如圖5-12所示，電流諧波畸變率為21.07％，與載波比為20時的兩電平矢量控制調制方式下的相電流諧波畸變率相差不大，但主要諧波分布是不同的。圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s212三電平矢量控制相電流FFT分析最佳導通角下PAM控制與標準PAM控制的電流諧波對比根據(jù)4.2分析可知，PAM控制存在最佳導通角α=16.5°，最佳導通角下PAM控制的定子電流諧波含量優(yōu)于α=30°時的標準PAM控制。按照圖5-5所示的仿真模型，分別對最佳導通角下PAM控制與標準PAM控制進行仿真實驗，對比分析兩種調制方式下的高速永磁同步電機的定子電流波形及其諧波含量。PAM控制是通過前置 Buck電路進行調壓從而達到調速的目的，其中Buck電路參數(shù)為：電感L=1mH，電容C1=C2=250uF，開關頻率50kHz，母線電壓310V。以表4-1所示電機為控制對象，使電機穩(wěn)定運行于額定轉速60000r/min，帶額定負載0.1573Nm，得到最佳導通角下PAM控制與標準PAM控制的相電流波形如圖5-13~14所示，其中還包括端電壓和電磁轉矩波形。圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s213標準PAM控制仿真波形圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s214最佳導通角下PAM控制仿真波形PAM控制下逆變器每個橋臂存在上下管都不導通的時刻，導致?lián)Q向時會發(fā)生二極管續(xù)流，從圖5-13~14的端電壓波形可以明顯看出，每個基波周期存在兩次二極管續(xù)流。相比于矢量控制下的相電流波形，PAM控制得到的相電流波形正弦性較差，對圖5-13~14中的相電流進行FFT分析，分析結果如圖5-15~16所示。圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s215標準PAM控制相電流FFT分析圖STYLEREF2\s5SEQ圖\*ARABIC\s216最佳導通角下PAM控制相電流FFT分析PAM控制方式下的諧波主要集中在低頻次，包括5、7、11、13、17，高頻次諧波幅值基本為0，由于PAM控制的驅動波形是嚴格半波對稱且滿足相位互差120°，所以偶次諧波和3的倍數(shù)次諧波幅值為0。最佳導通角下PAM控制的總電流諧波畸變率為22.51％，小于標準PAM控制下的總電流諧波畸變率30.53％。因此在PAM控制方式下，選擇導通角α=16.5°能使電機定子電流產生的諧波含量更低，總諧波畸變率更小。高速永磁同步電機最優(yōu)控制策略將上述仿真得到的不同調制方式下電流總諧波畸變率整理如表5-2，仿真對象均為表4-1所示電機，且都運行于額定轉速60000r/min，帶額定負載0.1573Nm。表STYLEREF2\s5SEQ表\*ARABIC\s22各控制方式下電流總諧波畸變率控制策略驅動方式載波比電流總諧波畸變率（THDI）矢量控制兩電平SVPWM1043.36％2020.45％4013.54％三電平SVPWM1021.07％PAM控制α=30°方波-30.53％α=16.5°方波-22.51％ 從表中可以看出：a）在兩電平矢量控制下，載波比越高THDI越小，在載波比達到40時，THDI為13.54％，小于載波比為10的43.36％和載波比為20的20.45％。 b）在載波比都為10的條件下，三電平矢量控制THDI小于兩電平矢量控制THDI，且接近于載波比為20的兩電平矢量控制THDI。 c）在PAM控制下，最佳導通角α=16.5°的THDI小于標準導通角α=30°的THDI，且接近于載波比為20的兩電平矢量控制THDI。d）載波比等于40的兩電平矢量控制電流總諧波畸變率為13.54％，小于載波比等于10的三電平矢量控制的21.07％和最佳導通角下PAM控制的22.51％。 總體而言，針對表4-1所示電機，載波比為40的兩電平矢量控制電流總諧波畸變率最小，為其最優(yōu)控制策略，其次是載波比為20兩電平矢量控制、載波比為10的三電平矢量控制和最佳導通角下的PAM控制，這三種控制方案下的電流總諧波畸變率基本相等。 通過上述仿真結果，結合第3章理論分析，給出高速永磁同步電機最優(yōu)控制策略選取方案見表5-3。提高載波比可大量減小矢量控制策略下的電流諧波畸變率，但隨著轉速的升高，受功率器件的硬件限制，開關頻率是不能無限度提高的，載波比受限，所以高載波比兩電平矢量控制更適用于中高轉速；多電平矢量控制的逆變電路擁有更多的功率器件，每個功率器件只承受母線電壓的1/n，所以更適用于高電壓、大功率場