CN102355153A

CN102355153A - 一种具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法

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Publication number: CN102355153A
Application number: CN2011102639270A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 于安博; 全亚斌; 黄凯伦
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-02-15

Abstract

一种具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，方法包括以下各步骤：（1）分析得到小区间跳变所需的运行方式；（2）建立三电平逆变电路的基本空间矢量分布图；（3）根据参考电压及母线中点电位确定合成参考电压矢量的基本空间矢量，并选择开关组合的运行方式；（4）计算出合成参考电压的三个基本空间矢量的作用时间，用以进行逆变电路的脉冲调制。本发明的技术效果是：本发明提出的具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，在实现母线中点电位平衡控制的前提下，实现大电流处不开关，使开关次数减少三分之一，从而使开关损耗显著降低，并保证了系统性能。

Description

一种具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及一种矢量调制方法，尤其涉及一种具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法。

背景技术

空间矢量调制（以下简称SVPWM）是一种优越的数字化PWM方案，在逆变器的控制中得到广泛的应用。

三电平逆变器常应用在中高压大功率的场合，三电平SVPWM五段法在每个采样周期内有一相开关不动作，比三电平SVPWM七段法减少了每个采样周期内开关次数，从而减小了开关损耗，提高了效率。

二极管箝位的三电平电路要应用到实际中去，首先要解决如下两个问题：

一是矢量选择问题。三电平电路中共有27个空间电压矢量，除去3个零矢量和6个冗余短矢量，还有18个有效矢量，远多于两电平电路的6个有效矢量，这就大大增加了矢量选择的复杂性。有效矢量的长短不一，对合成参考电压矢量的影响肯定有所不同；再就是要在前后矢量切换时避免过高的电压幅值跳变(即过高的

的产生)，否则三电平就失去了自己的优势；而线电压上也会产生过高的电压幅值跳变，却避免不了出现过高的线电压幅值跳变，所以在前后矢量切换时也要避免同时有两相的开关管动作。因此，开关次序若是能满足两个基本条件（以下简称Theorem2）则可以避免上述问题的发生：1、前后两个矢量切换时，同一相不能出现P与N之间的直接切换。2、前后两个矢量切换时，不能出现任何两相同时都有开关动作。

二是系统效率问题，系统效率一方面取决于开关管的频率，例如，五段法的系统效率就高于七段法，但五段法中往往还有于大电流或小电流处实现开关管不动作的区别，而五段法的另一个显著不足在于，若只有一种切换模式，容易引起母线中点电位较大波动。

三是中点电压平衡问题。母线中点电位波动二极管中点箝位电路的固有特点，其直流母线上的不仅仅用于滤波，还起支撑作用。由于母线中点电位浮动、中点电流由电容提供，只要中点电流不为零，中点电压就会相应的发生变化。通常中点电压的波动最好不要超过直流母线电压的5%，否则某些IGBT承受的反压将比原先的高10%，在加上由于器件动作引起的尖峰电压，则该IGBT的耐压裕度就大大减少了。此外，母线中点电位的过大波动会使输出的电压矢量产生一定偏移，不利于系统精确控制。

随着研究的深入，出现了多种母线中点电位控制方案，归纳起来，这些方案主要分成三大类，即被动控制(Passive Control)、滞环控制(Hysteretic Control)和主动控制(Active Control)。其中被动控制和主动控制或者是由于矢量的选择方案较为复杂或者是由于计算量较大，在实际中应用不多。滞环控制是最简单的闭环控制技术，也是实际应用方案的主流，它需要知道中点电压的偏移和相电流的方向(不需要大小)，然后微调短矢量的作用时间来实现中点电压平衡。

在文献“多电平逆变器不连续空间矢量调制策略的研究”（电力电子技术，2005，10）中采用了不开关的调制方式，减少了开关损耗，但是并未考虑母线中点电位平衡问题。文献“一种具有中点电位平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现”（中国电机工程学报，2006，6）中采用了具有母线中点电位调整的控制方法，但具有相对较大的开关损耗。如何能使逆变器在具有母线中点电位调整的同时又显著降低逆变器的开关损耗，目前对此仍缺乏有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，本方法与三电平七段法相比，在克服了母线中点电位调整控制困难问题的前提下，显著降低逆变器的开关损耗。

本发明是这样来实现的，其方法包括以下各步骤：

1）根据每种可能的小区跳变以及Theorem2，分析得到小区间跳变所需的运行方式；

2）建立三电平逆变电路的基本空间矢量分布图，查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区；

3）根据参考电压矢量前一时刻所处区域、当前时刻所处区域以及母线中点电位的偏差值，确定合成参考电压矢量的基本空间矢量，并选择开关组合的运行方式；

4）根据所述基本空间矢量输入到矢量合成数学模型中，计算出合成参考电压的三个基本空间矢量的作用时间，用以进行逆变电路的脉冲调制。

所述的Theorem2为开关次序应满足的两个基本条件：

1）前后两个矢量切换时，同一相不能出现P与N之间的直接切换；

2）前后两个矢量切换时，不能出现任何两相同时都有开关动作。

其中所述的分析得到小区间跳变所需的运行方式的方法，包括如下步骤：

1）根据大电流不开关原则以及基本空间矢量对母线中点电位的影响，得到对母线中点电位影响相反的两种开关组合的五段法调制方式；

2）由上一时刻的开关序列运行方式和Theorem2以及母线中点电位和电流大小，得到小区切换时所需的运行方式，而在小区中的采样周期内开关序列不变。

4、根据权利要求1所述的具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，其特征在于所述的查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区的方法，包括如下步骤：

（1）建立三电平逆变电路中各开关状态的基本空间矢量分布图，并用直线连接临近的两个基本矢量，把此基本空间矢量分布图均分为6个大扇区以及每个大扇区划分为6个小区；

（2）根据参考电压矢量的幅值和相位角，在基本空间矢量分布图中查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区。

5、根据权利要求1所述的具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，其特征在于所述的矢量合成数学模型为：

所述的计算上述各个基本空间矢量的作用时间的方法包括如下步骤：

1）根据所述基本空间矢量输入到矢量合成数学模型中，计算出各个基本空间矢量的作用时间；

2）将所述计算出的作用时间以及开关组合的运行方式进行合成，得到三电平逆变器的控制脉冲。

本发明的技术效果是：本发明提出的具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，采用三电平五段法的开关组合方式，减少了开关次数，从而减少了开关损耗；采用大电流不开关原则，进一步降低开关损耗；采用两种对母线中点电位影响相反的开关组合的运行方式之间的变换，克服了三电平五段法不能调整母线中点电位的控制困难。本发明的方法与三电平七段法相比，在克服了母线中点电位调整控制困难问题的前提下，使开关次数减少三分之一，从而使开关损耗显著降低。

具体实施方式

本发明提出的具有母线中点电位平衡功能可降低逆变器损耗的三电平空间矢量调制方法，首先根据每种可能的小区跳变以及Theorem2，分析出小区间跳变所需的运行方式；建立三电平逆变电路的基本空间矢量分布图，查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区；根据参考电压矢量前一时刻所处区域、当前时刻所处区域以及母线中点电位的偏差值，确定合成参考电压矢量的基本空间矢量，并选择开关组合的运行方式；根据所述基本空间矢量输入到矢量合成数学模型中，计算出上述各个基本空间矢量的作用时间，用以进行逆变电路的脉冲调制。

上述方法中，所述的Theorem2为开关次序应满足的两个基本条件：

（1）前后两个矢量切换时，同一相不能出现P与N之间的直接切换。

（2）前后两个矢量切换时，不能出现任何两相同时都有开关动作。

上述方法中，得到小区间跳变所需的运行方式的方法，包括如下步骤：

（1）根据大电流不开关原则以及基本空间矢量对母线中点电位的影响，得到对母线中点电位影响相反的两种开关组合的五段法的运行方式；

（2）由上一时刻的开关组合运行方式和Theorem2，得到这一时刻所需的运行方式。

上述方法中，查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区的方法，包括如下步骤：

（2）根据参考电压矢量的幅值和相位角，在基本空间矢量分布图中查找参考电压矢量所位于的大扇区和小区；

上述方法中，所述的矢量合成数学模型为：

上述方法中，计算上述各个基本空间矢量的作用时间的方法包括如下步骤：

（1）根据所述基本空间矢量输入到矢量合成数学模型中，计算出各个基本空间矢量的作用时间；

（2）将所述计算出的作用时间以及开关组合的运行方式进行合成，得到三电平逆变器的控制脉冲。