CN101615860A - 应用于级联型变流器的一种调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于级联型变流器的调制方法，根据桥式电压源型功率单元的直流电压值、控制指令参考电压矢量及每相的功率单元数得到线性调制区、第一过调制区域和第二过调制区域；设E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，则调制比m＝(π|V^*/2n|)/2E_dc；0≤m≤0.906区间为线性调制区，0.906≤m≤0.951区间为第一过调制区域，0.951≤m≤1区间为第二过调制区域。本发明能够简化矢量区域的判断时间。

Description

应用于级联型变流器的一种调制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于级联型变流器的调制方法，尤其涉及一种采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)技术的调制方法。

背景技术

正弦波脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)是电压源型变流器的两种基本调制手段，但由于SVPWM具有与电机磁链控制紧密结合，便于数字实现及直流电压利用率高的特点，所以SVPWM在电机调速中较SPWM应用更广泛。近年来随着工业的需要，变流器的拓扑结构也从原来的低电压桥式变流器逐步发展到二极管钳位、飞跨电容器钳位及级联型结构等多种高压大容量多电平的方式。在大容量变流器中级联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，不仅克服了开关器件电压和容量的矛盾，且其通过叠加可以使电平数增加而降低网侧和输出侧谐波含量，所以该结构较其他结构有更多的应用范围。

在拓扑发展过程中，自然就产生了多种运用于多电平结构变流器的调制方法，如载波延时移相法、基于60°坐标变换的多电平SVPWM法、参考矢量分解法、通用矢量法等。然而，在系统供电电压下降、部分功率单元故障等情况导致功率单元直流电压下降时，按控制的要求必然会提高空间矢量的调制比，由过调制理论知当调制比大于0.906时，按照线性调制方法计算的零矢量作用时间为负数，这是在物理上不存在的现象，必须要进行过调制方法的改进。现有用于电压源型变流器的多电平空间矢量调制技术在确定矢量的区域和作用时间上计算量大，而且装置每个功率单元开关器件的作用时间不相等，即存在部分器件容易长期工作疲劳而部分器件仅短期工作的缺陷，未考虑器件的实际工作状况。为此本发明提出了错时相差空间矢量调制法，除了可以简化线性调制区域的计算，而且还简化了过调制区域的作用时间计算及功率器件平均工作时间问题。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种应用于级联型变流器的调制方法，简化线性调制区域的计算。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种应用于级联型变流器的调制方法，

根据桥式电压源型功率单元的直流电压值、控制指令参考电压矢量及每相的功率单元数得到线性调制区、第一过调制区域和第二过调制区域；

设E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，则调制比 $m=\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{{2E}_{\mathrm{dc}}};$ 0≤m≤0.906区间为线性调制区，0.906≤m≤0.951区间为第一过调制区域，0.951≤m≤1区间为第二过调制区域；

在线性调制区，计算七段式调制时矢量作用时间，方法如下：

其中，为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间；φ为等效计算相角；S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

优选的，在第一过调制区域，定义第一矢量作用时间比例系数k₁为

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=(\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{{2E}_{\mathrm{dc}}}-0.906)/(0.951-0.906)\\ 0\≤k_1\≤1\end{array}\right.,$

定义线性调制区最大内切圆电压矢量为V_{r_sin}：

定义位于正六边形边上的电压矢量为V_{r_hexagon}：

定义第一过调制区域的第一修正参考空间矢量为V′：

V′＝(1-k₁)V_{r_sin}+k₁V_{r_hexagon}；

则在第一过调制区域，作用时间可利用下式计算矢量作用时间：

其中

为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间，φ为等效计算相角；S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

优选的，在第二过调制区域时，定义第二矢量作用时间比例系数为

$\left\{\begin{array}{c}{k}_2=\frac{|V^{*}/2n|/E_{\mathrm{dc}}-1/\sqrt{3}}{(2/3-1/\sqrt{3})}\\ 0{\≤k}_2\≤1\end{array}\right.,$

定义第二过调制区域第二修正参考空间矢量为V″

V_x为基本电压矢量即正六边形的顶点电压矢量，x与指令参考电压相位角

必须满足一定的关系即

时取x＝1，

时取x＝2，

时取x＝3，

时取x＝4，

时取x＝5，

时取x＝6；

则在第二过调制区域，作用时间可利用下式计算矢量作用时间：

其中为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间，φ为等效计算相角，S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6，分别对应扇区I、II、III、IV、V、VI，φ为等效计算相角，S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

有益效果：本发明的有益效果在于：

(1)利用错时相差技术将多电平SVPWM变为在每个采样点仅需功率单元左右桥臂控制的两电平SVPWM，同时也把相关的多电平过调制问题简化为两电平过调制算法，简化了矢量区域的判断时间；

(2)两电平过调制采用低谐波无需矢量计算的算法，继承了传统两电平SVPWM的计算矢量作用时间方法，相应程序编写也简单；

(3)可以使系统从线性工作状态平稳过渡到六阶梯波状态，且能保证基波电压的幅值随调制比线性输出，直至六阶梯波时的最大值；

(4)采用该调制方法使输出的谐波含量也比较小，很适合级联型变流器的运行。

附图说明

图1为三个H桥型三相电压源型变流；

图2为正六边形的基本电压矢量图；

图3为空间电压矢量采样图；

其中：La、Lb、Lc左桥臂组，Ra、Rb、Rc右桥臂组；V1~V6为基本电压矢量图六个基本状态，VL和矢量VR均为由常规两电平SVPWM生成的电压矢量，V为矢量VL和矢量VR之差；V(k)为空间采样点分布矢量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

为了简单说明相差SVPWM调制的实现方法，先将级联型变流器的最低层简化成图1所示电路，其中3个单相H桥共有6个桥臂，可分为两组：左桥臂组La、Lb、Lc和右桥臂组Ra、Rb、Rc。a、b、c三相电压可表示为各单元左、右桥臂电压之差，即

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{an}}\\ u_{\mathrm{bn}}\\ u_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{La}}-u_{\mathrm{Ra}}\\ u_{\mathrm{Lb}}-u_{\mathrm{Rb}}\\ u_{\mathrm{Lc}}-u_{\mathrm{Rc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{La}}\\ u_{\mathrm{Lb}}\\ u_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Ra}}\\ u_{\mathrm{Ra}}\\ u_{\mathrm{Ra}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，uLi、uRi(i＝a、b、c)分别为a、b、c三个单元左、右桥臂中点对直流母线中点(Oa、Ob、Oc)电位的电压。

显然，uLi和uRi(i＝a，b，c)可分别构成左桥臂组矢量VL(uLa，uLb，uLc)与右桥臂组矢量VR(uRa，uRb，uRc)，而由三相电压uan、ubn、ucn构成的矢量V(uan，ubn，ucn)为矢量VL和矢量VR之差，即

V＝V_L-V_R          (2)

其中VL和VR均为由常规两电平SVPWM生成的电压矢量。

如图2所示，为便于分析，以VL为参考且位于扇区I，与V1相差为φ，为使输出电压最大，一般取VL与VR反向，即令VR与VL之间的相位差为θ＝π，VR位于扇区IV，V与VL同相位，且V幅值为VL的2倍。

实际上，上述两电平SVPWM调制的采样点分布并不是唯一。如图3所示，理论上可有无数种采样点分布，只要第k采样周期满足：

其中：K＝fs/f，为频率调制比；θ为相对于V1(100)的采样起始相位角，0≤θ＜2π/K，很显然常用两电平SVPWM调制仅是令θ＝0，使初始时刻与V1重合。

两电平错时相差SVPWM技术就是使所有级联单元(每相共n个)均按上述思想采样，即将各层级联单元的采样时间相互错开，使各层级联单元采样点相位依次相差为：

$\mathrm{\Δ\θ}={\mathrm{\θ}}_{i+1}-{\mathrm{\θ}}_i=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{nK}},1\≤i\≤n-1---\left(4\right)$

则在第一层初始相位为0的前提下，第i层的三相功率单元左桥臂或右桥臂电压矢量的起始相位角θi都取

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{(i-1)}{\mathrm{nK}}\·2\mathrm{\π},1\≤i\≤n---\left(5\right)$

其第k个采样周期所对应的相对于V1的位置角φ(k)为

其中：φi(k)的取值范围为0～2π，其后的实际调制算法可参考上述的错时两电平SVPWM调制，左右桥臂仅相差π角度。

根据双模式过调制理论，把0≤m≤0.906称为线性调制区；0.906≤m≤0.951称为过调制区域1；0.951≤m≤1称为过调制区域2。(定义调制比 $m=\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{2E_{\mathrm{dc}}}$ )

在线性调制区，文献[张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003]给出了计算七段式调制时矢量作用时间的方法，如图2所示，在正六边形区域I中，可以得到如下V1、V2、V0、V7的计算公式：

其中S为扇区编号可取1、2、…、6，分别对应扇区I、II、…、VI；

为指令参考电压相位角，TS为开关周期，Edc为桥式电压源型变流器的直流电压值。V₀、V₁、V₂、V₇为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量，它们在开关周期中对应的持续时间分别为t₀、t₁、t₂、t₇；φ为等效计算相角；当然，根据上述相差SVPWM调制的方法知，通过把矢量角度调整为(π+φ)就可得出VR合成矢量的作用时间。

在过调制区域1，定义矢量作用时间比例系数：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=(\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{{2E}_{\mathrm{dc}}}-0.906)/(0.951-0.906)\\ 0\≤k_1\≤1\end{array}\right.---\left(8\right)$

定义线性调制区最大内切圆电压矢量

定义位于正六边形边上的电压矢量

定义过调制区域I的修正参考空间矢量

V′＝(1-k₁)V_{r_sin}+k₁V_{r_hexagon}    (11)

由(9)、(10)知上式(11)计算比较容易，仅需计算幅值的变化。另外，由于所得的修正参考空间矢量必然会在正六边形区域内，于是合成矢量的作用时间可用公式(7)中各式计算，只是把参考矢量幅值改为式(11)中的计算值，计算比较简单。

当调制比进入过调制区域2时，仍用上述过调制区域1的方法时，必然会涉及矢量计算的问题，为此，重新定义矢量作用时间比例系数：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_2=\frac{|V^{*}/2n|/E_{\mathrm{dc}}-1/\sqrt{3}}{(2/3-1/\sqrt{3})}\\ 0{\≤k}_2\≤1\end{array}\right.---\left(12\right)$

定义过调制区域2的修正参考空间矢量

其中Vx为基本电压矢量即正六边形的顶点电压矢量，x与指令参考电压相位角

必须满足一定的关系即

时取x＝1，

时取x＝2，

时取x＝3，

时取x＝4，

时取x＝5，

时取x＝6。于是可得在正六边形区域I时V1、V2作用时间为

通过以上的分析知，合成矢量作用时间计算过程中仅是一些判断和代数的计算，计算量比较小，且三个调制区的公式比较相似，程序编写比较简单。

通过上述实施方案的描述可知，把级联型变流器各层功率单元的调制的采样时刻在时间上错开一定相位角度(按式(4))，且使每个功率单元左右桥臂电压矢量间相差π，就可使得级联型多电平结构的SVPWM调制简化为错时相差两电平SVPWM调制，从而在保证输出基波电压不损失的前提下简化调制的计算，改善输出电压谐波特性。

另外，通过把级联型多电平结构的SVPWM调制简化为错时相差两电平SVPWM调制后，再结合上述详细描述了两电平SVPWM过调制的方法，就可以得出基于错时相差SVPWM的级联型多电平变流器的调制方法(具体计算方法见公式(15)、(16))，该方法继承了传统线性调制方法的计算风格，计算简单，程序编写也简化，且各层装置的作用时间相同，可以使各功率器件平均工作，不出现部分器件工作疲劳。

在过调制区域1，可利用式(15)计算矢量作用时间，其中TS为开关周期，Edc为功率单元的直流电压值，n为每相得功率单元数，V*为控制指令参考电压矢量，φ为指令参考电压相位角，其中S为扇区编号可取1、2、…、6，分别对应扇区I、II、…、VI。

式(16)给出了过调制区域2的矢量作用时间计算方法，其中S为扇区编号可取1、2、…、6，分别对应扇区I、II、…、VI。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (3)

1、一种应用于级联型变流器的调制方法，其特征在于：

根据桥式电压源型功率单元的直流电压值、控制指令参考电压矢量及每相的功率单元数得到线性调制区、第一过调制区域和第二过调制区域；

设E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，则调制比 $m=\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{2E_{\mathrm{dc}}};$ 0≤m≤0.906区间为线性调制区，0.906≤m≤0.951区间为第一过调制区域，0.951≤m≤1区间为第二过调制区域；

在线性调制区，计算七段式调制时矢量作用时间，方法如下：

其中，

为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间；φ为等效计算相角；S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

2、根据权利要求1所述的应用于级联型变流器的调制方法，其特征在于：在第一过调制区域，定义第一矢量作用时间比例系数k₁为

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=(\frac{\mathrm{\π}|V^{*}/2n|}{2E_{\mathrm{dc}}}-0.906)/(0.951-0.906)\\ 0\≤k_1\≤1\end{array}\right.,$

定义线性调制区最大内切圆电压矢量为V_{r_sin}：

定义位于正六边形边上的电压矢量为V_{r_hexagon}：

定义第一过调制区域的第一修正参考空间矢量为V′：

V′＝(1-k₁)V_{r_sin}+k₁V_{r_hexagon}；

则在第一过调制区域，作用时间可利用下式计算矢量作用时间：

其中

为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间，φ为等效计算相角；S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

3、根据权利要求1所述的应用于级联型变流器的调制方法，其特征在于：在第二过调制区域时，定义第二矢量作用时间比例系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_2=\frac{|V^{*}/2n|/E_{\mathrm{dc}}-1/\sqrt{3}}{(2/3-1/\sqrt{3})}\\ 0\≤k_2\≤1\end{array}\right.,$

定义第二过调制区域第二修正参考空间矢量为V″

V_x为基本电压矢量即正六边形的顶点电压矢量，x与指令参考电压相位角

必须满足一定的关系即

时取x＝1，

时取x＝2，

时取x＝3，

时取x＝4，

时取x＝5，

时取x＝6；

则在第二过调制区域，作用时间可利用下式计算矢量作用时间：

其中为指令参考电压相位角，T_S为开关周期，E_dc为桥式电压源型功率单元的直流电压值，V^*为控制指令参考电压矢量，n为每相的功率单元数，t₀、t₁、t₂、t₇分别为正六边形的基本电压矢量图中的四个空间电压基本矢量在开关周期中对应的持续时间、第一持续时间、第二持续时间和第七持续时间，φ为等效计算相角，S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号，可取1、2、3、4、5、6，分别对应扇区I、II、III、IV、V、VI，φ为等效计算相角，S为正六边形的基本电压矢量图中的扇区编号可取1、2、3、4、5、6中的任意数，分别对应第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、第六扇区VI。

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