CN103051230A - 改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法 - Google Patents

改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法 Download PDF

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CN103051230A CN2012105712605A CN201210571260A CN103051230A CN 103051230 A CN103051230 A CN 103051230A CN 2012105712605 A CN2012105712605 A CN 2012105712605A CN 201210571260 A CN201210571260 A CN 201210571260A CN 103051230 A CN103051230 A CN 103051230A
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Abstract

本发明涉及一种改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其具体步骤如下：S1、根据二极管箝位式三电平逆变器得到合成参考电压矢量V * ref；S2、定义合成参考电压矢量V * ref的调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定三电平逆变器合成参考电压矢量V * ref所在的调制区域；S3、对逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正；S4、采用基于虚拟空间矢量的NTV法对第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref进行调制。该方法能对直流侧电容中点电压波动具有调节能力，避免输出电平不经过零电位而在正、负电平之间直接跳变。保证了逆变器稳定的运行在过调制区域。

Description

改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法
技术领域
本发明涉及三电平逆变器技术领域，具体是一种改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法。
背景技术
现有的二极管箝位式三电平逆变器与两电平逆变器相比，具有降低对开关器件的耐压要求，提高系统工作电压等级，减小谐波含量，改善输出电压波形质量等优点，被广泛应用于中、大功率场合。这类场合中为了充分利用直流母线电压，往往要求逆变器运行在过调制区域，例如通过过调制运行提高逆变器负载侧电机的最大转矩，延伸电机弱磁运行范围。
在众多二极管箝位式三电平逆变器空间矢量调制方法中普遍采用的有两种：NTV（Nearest Three Sector）和基于虚拟空间矢量的NTV。其中NTV的特点是采用三个最近的有效电压矢量来合成参考电压矢量，具有谐波含量小，易于DSP实现的优点，但其直流侧电容中点电压波动较大；基于虚拟空间矢量的NTV特点是采用虚拟中矢量代替传统NTV中的有效中矢量进而对参考电压矢量进行合成，这样能够有效地减小直流侧电容中点电压的波动。传统的将这两种方法延伸到过调制区域运行时都会遇到这样一个普遍的问题：除大矢量外的其他矢量，尤其是小矢量的作用时间十分短暂甚至为零，使得传统的三电平逆变器空间矢量调制方法在过调制区域时失去了对中点电压波动进行调节的能力，且输出电平存在不经过零电位而在正、负电平之间直接跳变的问题，这在实践过程中是不允许的。
发明内容
本发明要解决的是传统的三电平逆变器空间矢量调制方法，在过调制运行时对直流侧电容中点电压波动难以进行调节，同时输出电平存在不经过零电位而在正、负电平之间直接跳变的问题，旨在提供一种改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法。
为解决上述问题采用的技术方案是：本发明的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其特征在于操作步骤如下：
S1、根据二极管箝位式三电平逆变器得到合成参考电压矢量                                               
Figure 2012105712605100002DEST_PATH_IMAGE002
；
S2、将合成参考电压矢量的幅值记为
Figure 2012105712605100002DEST_PATH_IMAGE004
，定义合成参考电压矢量
Figure 2012105712605100002DEST_PATH_IMAGE006
的调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定三电平逆变器合成参考电压矢量所在的调制区域；
S3、分别对逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正，分别得到第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref；
S4、采用基于虚拟空间矢量的NTV法对第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref进行调制。
所述步骤S2所述的将合成参考电压矢量的幅值记为，定义合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定逆变器合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
所在的调制区域，其具体如下：
定义调制度函数，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 567027DEST_PATH_IMAGE016
为定义的调制度函数，在整个逆变器调制区域m∈[0,1]，V dc为逆变器直流母线电压，n∈（0.9,1）为缩小因子，
Figure 2012105712605100002DEST_PATH_IMAGE020
为合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的幅值，
根据调制度函数的取值范围，分别确定逆变器合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
所在的调制区域，具体为：
当  0≤m≤0.907时，逆变器合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE026
位于线性调制区域；
当0.907＜m≤0.952时，逆变器合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
位于过调制第1过调制区域； 
当0.952＜m≤1时，逆变器合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE030
位于过调制第2过调制区域；
所述步骤S3所述的分别对逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正，分别得到第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref ，具体如下：
在静止的α β坐标系中，每隔π/3 (rad)角度定义一个扇区，将0~π/3 (rad)定义为第1扇区；π/3~2π/3 (rad)定义为第2扇区；······5π/3~2π (rad)定义为第6扇区，当合成参考电压矢量
Figure 285716DEST_PATH_IMAGE022
位于过调制第1过调制区域且处于第1扇区，则合成参考电压矢量
Figure 381848DEST_PATH_IMAGE026
相位角与合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE032
相位角相同，合成参考电压矢量的幅值按下式修正，其修正表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为修正后的电压矢量V ref的幅值，θ*为合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE038
的相位角，α r∈[0, π/6]定义为补偿角，V dc为逆变器直流母线电压，n为缩小因子。当合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE040
位于过调制第1过调制区域的其他扇区时，合成参考电压矢量
Figure 719550DEST_PATH_IMAGE032
相位角与合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE042
相位角相同，将上述幅值修正表达式中的θ*用
Figure DEST_PATH_IMAGE044
代替，其中，N∈[1,6]表示所处的第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量V ref的幅值。
上述补偿角α r与调制度函数m满足如下关系：
αr = -7562.8m 3+21094m 2-19619m+6084.8
若合成参考电压矢量
Figure 474328DEST_PATH_IMAGE028
位于过调制第2过调制区域且处于第1扇区，则合成参考电压矢量
Figure 57756DEST_PATH_IMAGE026
相位角按下式修正，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
其中，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，θ*为合成参考电压矢量
Figure 182838DEST_PATH_IMAGE008
的相位角，α h∈[0, π/6]定义为保持角，上述合成参考电压矢量幅值按下式修正，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
其中，为修正后的电压矢量V ref的幅值，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，θ*为合成参考电压矢量
Figure 43478DEST_PATH_IMAGE042
的相位角，V dc为逆变器直流母线电压，α h∈[0, π/6]为保持角，n为缩小因子，当合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE052
位于过调制第2过调制区域的其他扇区时，分别将上述相位、幅值修正表达式中的θ*都用
Figure 353236DEST_PATH_IMAGE044
代替，其中N∈[1,6]表示
Figure DEST_PATH_IMAGE054
所处的第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量V ref的相位和幅值，
保持角α h与调制度函数m满足如下关系：
αh = 6587.4m 3-19146m 2+18554m-5995.2
本发明与传统二极管箝位式三电平逆变器过调制方法相比较，主要的特点是： 在调制度函数的定义中引入缩小因子n，可以适当缩小三电平逆变器输出电压范围，保证三电平逆变器过调制运行时小矢量和虚拟中矢量具有适量的作用时间，从而保证了三电平逆变器空间矢量调制方法在过调制区域对直流侧电容中点电压进行调节的能力，同时避免了在过调制区域内三电平逆变器输出电压在正、负电平之间直接跳变的问题。
附图说明        
图1为本发明的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制原理图；
图2为在静止的α β坐标系中引入缩小因子前后逆变器能够合成的电压矢量所在的正六边形边界的示意图； 
图3为在静止的α β坐标系中本发明在过调制第1过调制区域的控制原理图； 
图4为调制度函数m与补偿角α r的关系曲线图；
图5为在静止的α β坐标系中本发明在过调制第2过调制区域的控制原理图； 
图6为调制度函数m与保持角α h的关系曲线图；
图7为在静止的α β坐标系中基于虚拟空间矢量的NTV调制原理图；
图8为采用传统过调制方法不同调制度函数m的值对应的有效电压小矢量和虚拟电压中矢量的作用时间的示意图；
图9为本发明的过调制方法不同调制度函数m的值对应的有效电压小矢量和虚拟电压中矢量的作用时间的示意图。
 
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法作进一步的详细描述。
参见图1，本发明的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、根据二极管箝位式三电平逆变器得到合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE056
； 
S2、将合成参考电压矢量的幅值记为
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，用于定义合成参考电压矢量
Figure 174693DEST_PATH_IMAGE042
的调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定三电平逆变器合成参考电压矢量所在的调制区域；
S3、分别对三电平逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正，分别得到第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref；
S4、采用基于虚拟空间矢量的NTV法对第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref进行调制。
具体原理如下：
三电平逆变器控制系统期望输出的正弦三相电压在静止的α β坐标系中，用三相电压的合成矢量表示，它以固定的幅值和角速度旋转，轨迹为圆形。若将这个逆变器期望输出的正弦三相电压合成矢量定义为合成参考电压矢量
Figure 67880DEST_PATH_IMAGE014
，则具体表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure 423906DEST_PATH_IMAGE058
为合成参考电压矢量的幅值，θ*为合成参考电压矢量
Figure 573444DEST_PATH_IMAGE056
的相位角，即
Figure 267731DEST_PATH_IMAGE038
与α轴的夹角。参见图2，若三电平逆变器直流母线电压为V dc，则在静止的α β坐标系中逆变器实际能够合成的电压矢量在边长为2V dc/3的正六边形边界内，该边界用l表示，本发明的方法中引入缩小因子n，n∈（0.9,1），将这个正六边形边界按比例缩小n倍，得到缩小后的正六边形边界用
Figure DEST_PATH_IMAGE062
表示，它的边长为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
。此时，定义调制度函数，记为
Figure 794658DEST_PATH_IMAGE016
，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
其中，为定义的调制度函数，在三电平逆变器调制区域m∈[0,1]，V dc为三电平逆变器直流母线电压，n∈（0.9，1）为缩小因子，
Figure 110550DEST_PATH_IMAGE020
为合成参考电压矢量的幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为在缩小后的正六边形限制边界
Figure 622751DEST_PATH_IMAGE062
内三电平逆变器能够输出的最大相电压基波幅值。
当三电平逆变器工作在线性调制区域时，的圆形轨迹在正六边形边界
Figure 88685DEST_PATH_IMAGE062
的内切圆范围内，即
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，根据调制度函数定义，可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
当三电平逆变器合成参考电压矢量
Figure 367350DEST_PATH_IMAGE022
的圆形轨迹存在超出正六边形边界
Figure 626293DEST_PATH_IMAGE062
的部分时，即m>0.907时，三电平逆变器进入过调制第1过调制区域运行。对于
Figure DEST_PATH_IMAGE074
轨迹超出正六边形边界
Figure 255989DEST_PATH_IMAGE062
的部分，由于超出了三电平逆变器的输出范围，因此调整这部分轨迹使其限制在正六边形边界
Figure DEST_PATH_IMAGE076
上，导致输出电压基波幅值的下降，通过扩张圆形轨迹，提高
Figure 868367DEST_PATH_IMAGE074
在其他部分的电压矢量幅值进行补偿，扩张后的圆形轨迹存在超出正六边形边界
Figure DEST_PATH_IMAGE080
的部分，同样，也被限制在这个正六边形边界
Figure 391752DEST_PATH_IMAGE080
上，据此得到修正后的电压矢量V ref的轨迹。三电平逆变器控制系统期望输出的正弦三相电压在静止的α β坐标系中，每隔π/3 (rad)角度定义一个扇区，即将0~π/3 (rad)定义为第1扇区；π/3~2π/3 (rad)定义为第2扇区；······5π/3~2π (rad)定义为第6扇区。参见图3，图3给出了在静止的α β坐标系中三电平逆变器工作在过调制第1过调制区的控制原理图，图中所示的合成参考电压矢量
Figure 821597DEST_PATH_IMAGE008
运行在第1扇区，点划线表示合成参考电压矢量
Figure 673009DEST_PATH_IMAGE038
的圆形轨迹，虚线表示修正后的电压矢量V ref的轨迹，V dc表示逆变器直流母线电压的值，α r 定义为补偿角，l 表示边长为
Figure DEST_PATH_IMAGE082
的部分正六边形电压限制边界，
Figure 213712DEST_PATH_IMAGE062
表示缩小后边长为
Figure DEST_PATH_IMAGE084
的部分正六边形电压限制边界。
在第1扇区内当合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE086
的圆形轨迹运行在0~α r (rad)，即0 ≤ θ*<α r(rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 732549DEST_PATH_IMAGE022
的相位角，α r∈[0, π/6]定义为补偿角，则修正后的电压矢量V ref的轨迹沿着扩张后
Figure 67715DEST_PATH_IMAGE042
的圆形轨迹运行，如图3所示，可以得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE088
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压， α  r∈[0, π/6]为补偿角。
在第1扇区内当合成参考电压矢量的圆形轨迹运行在α r~π/3-α r (rad)， 即α r  ≤θ* < π/3-α r (rad) 时，θ*为合成参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE092
的相位角，α r∈[0, π/6]定义为补偿角，则修正后的电压矢量V ref的轨迹沿着正六边形边界运行，如图3所示，可以得出：
其中，
Figure 124161DEST_PATH_IMAGE090
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压，θ*为合成参考电压矢量
Figure 630229DEST_PATH_IMAGE028
的相位角。
在第1扇区内当合成参考电压矢量
Figure 721813DEST_PATH_IMAGE028
的圆形轨迹运行在π/3-α r~π/3 (rad)时，即π/3-α r ≤θ* < π/3 (rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 604318DEST_PATH_IMAGE008
的相位角，α r∈[0, π/6]定义为补偿角，则修正后的电压矢量V ref轨迹沿着扩张后的圆形轨迹运行，如图3所示，可以得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
其中，
Figure 798154DEST_PATH_IMAGE090
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压，α r∈[0, π/6]为补偿角。
    在过调制第1过调制区，修正后的电压矢量V ref的轨迹被限制在缩小后的正六边形电压限制边界
Figure 236089DEST_PATH_IMAGE080
内，且轨迹在每个扇区中是对称的，因此将第一扇区0~π/3 (rad)内V ref幅值表达式中的θ*都用
Figure 656706DEST_PATH_IMAGE044
代替，其中N∈[1,6]表示第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量V ref的幅值。
在过调制第1过调制区域，修正后的电压矢量V ref的相位角在任意时刻均与合成参考电压矢量相同。根据合成参考电压矢量
Figure 4641DEST_PATH_IMAGE098
与修正后的电压矢量V ref的基波幅值相等，可以得出与每个调制度函数m值对应的补偿角α r，每个调制度函数m值对应的补偿角α r的关系如图4所示，图4中横坐标为调制度函数m的值，纵坐标表示补偿角α r的值。如图4所示，m-α r的曲线是非线性的，采用一元三次函数对该非线性曲线进行拟合，得到补偿角α r关于调制度m的拟合函数，其表达式如下：
αr = -7562.8m 3+21094m 2-19619m+6084.8
在图4中可以看出，在过调制第1过调制区随着合成参考电压矢量
Figure 852512DEST_PATH_IMAGE092
调制度的增大，补偿角α r由π/6逐渐减小，当参考电压矢量
Figure 777742DEST_PATH_IMAGE008
位于α r ~ π/3-α r (rad)时，修正后的电压矢量V ref的轨迹沿着正六边形电压限制边界
Figure 877417DEST_PATH_IMAGE080
运行，随着补偿角α r由π/6逐渐减小，V ref的轨迹位于正六边形电压限制边界
Figure 204493DEST_PATH_IMAGE080
的部分增多，最终当α r=0时，修正后的电压矢量V ref的轨迹完全沿着正六边形边界
Figure 488844DEST_PATH_IMAGE062
移动，逆变器输出相电压基波幅值为（n为引入的缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压），达到了过调制第1过调制区域的最大值，此时，调制度函数值m=0.952，该值位于过调制第1过调制区域0.907<m≤0.952中的最大值。
若0.952<m≤1时，三电平逆变器运行在过调制第2过调制区域，此时，将合成参考电压矢量
Figure 776737DEST_PATH_IMAGE038
的圆形轨迹部分维持在六边形边界
Figure 539156DEST_PATH_IMAGE080
的顶点，在顶点之外
Figure 720739DEST_PATH_IMAGE026
的轨迹沿着六边形边界
Figure 175991DEST_PATH_IMAGE080
移动，得到修正后的电压矢量V ref的轨迹。
参见图5， 图5是给出了在静止的α β坐标系中三电平逆变器工作在过调制第2过调制区的控制原理图，图中所示的合成参考电压矢量
Figure 951180DEST_PATH_IMAGE054
运行在第1扇区，点划线表示合成参考电压矢量
Figure 517291DEST_PATH_IMAGE042
的圆形轨迹，虚线表示修正后的电压矢量V ref的轨迹，V dc表示逆变器直流母线电压的值，α h定义为保持角，l表示变长为的部分正六边形电压限制边界，
Figure 54899DEST_PATH_IMAGE062
表示缩小后边长为
Figure 442018DEST_PATH_IMAGE084
的部分正六边形电压限制边界。
在第1扇区当合成参考电压矢量
Figure 546241DEST_PATH_IMAGE014
的圆形轨迹运行在0~α h (rad)，即当0≤θ*<α h(rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 702415DEST_PATH_IMAGE042
的相位角，α h∈[0, π/6]定义为保持角，则修正后的电压矢量V ref维持在正六边形边界
Figure 374836DEST_PATH_IMAGE062
中0 (rad)的顶点，如图5所示，可以得出：
θ = 0
Figure DEST_PATH_IMAGE102
其中，V ref为修正后的电压矢量V ref的幅值，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，n为缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压。
在第1扇区当合成参考电压矢量
Figure 983672DEST_PATH_IMAGE042
的圆形轨迹运行在α r~π/6 (rad)，即α h≤θ*<π/6(rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 157165DEST_PATH_IMAGE092
的相位角，α h∈[0, π/6]定义为保持角，则修正后的电压矢量V ref沿着正六边形边界
Figure 43212DEST_PATH_IMAGE080
移动，如图5所示，可以得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
Figure DEST_PATH_IMAGE106
其中，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，
Figure 11168DEST_PATH_IMAGE090
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为直流母线电压。
在第1扇区当合成参考电压矢量
Figure 982666DEST_PATH_IMAGE026
的圆形轨迹运行在π/6~π/3-α r (rad)，即π/6≤θ*<π/3-α h (rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 428691DEST_PATH_IMAGE026
的相位角，α h∈[0, π/6]定义为保持角，则修正后的电压矢量V ref继续沿着六边形边界
Figure 559458DEST_PATH_IMAGE080
移动，如图5所示，可以得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE108
Figure DEST_PATH_IMAGE110
其中，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，
Figure 573682DEST_PATH_IMAGE050
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为直流母线电压。
在第1扇区当合成参考电压矢量
Figure 157110DEST_PATH_IMAGE038
的圆形轨迹运行在π/3-α r~π/3 (rad)时，即π/3-α h≤ θ* <π/3(rad)时，θ*为合成参考电压矢量
Figure 282192DEST_PATH_IMAGE008
的相位角，α h∈[0, π/6]定义为保持角，则修正后的电压矢量V ref维持在正六边形边界
Figure 267465DEST_PATH_IMAGE062
中π/3 (rad)的顶点，如图5所示，可以得出：
θ = π/3
其中，θ为修正后的电压矢量V ref的相位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为修正后的电压矢量V ref的幅值，n为缩小因子，V dc为直流母线电压。
    在过调制第2过调制区，修正后的电压矢量V ref的轨迹同样被限制在缩小后的正六边形电压限制边界
Figure 452590DEST_PATH_IMAGE080
内，且轨迹在每个扇区中是对称的，因此将第1扇区0~π/3 (rad)内V ref相位和幅值表达式中的θ*都用
Figure 523314DEST_PATH_IMAGE044
代替，其中N∈[1,6]表示第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量V ref的相位和幅值。
当合成参考电压矢量
Figure 576721DEST_PATH_IMAGE054
与修正后的电压矢量V ref的基波幅值相等，可以得出与每个调制度函数m值对应的保持角α h，每个调制度函数m值对应的保持角α h的关系如图6所示，图6中横坐标为调制度函数m的值，纵坐标表示保持角α h。如图6所示，m-α h的曲线是非线性的，采用一元三次函数对该非线性曲线进行拟合，得到保持角α h关于调制度m的拟合函数，其表达式如下：
αh = 6587.4m 3-19146m 2+18554m-5995.2
在图6中可以看出，在过调制第2过调制区域随着参考电压矢量
Figure 416501DEST_PATH_IMAGE026
调制度的增大，保持角α h由0逐渐增大，当参考电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE116
位于0~α h(rad)和π/3-α h~π/3 (rad)时，修正后的电压矢量V ref的轨迹被分别维持在正六边形电压限制边界
Figure 772527DEST_PATH_IMAGE080
中0 (rad)和π/3 (rad)的顶点上，随着保持角α h由0逐渐增大，V ref的轨迹被维持在正六边形电压限制边界
Figure 940334DEST_PATH_IMAGE080
顶点上的时间随之变长，最终当α h=π/6时，修正后的电压矢量V ref的轨迹在正六边形电压边界
Figure 797432DEST_PATH_IMAGE062
的顶点依次跳变，逆变器输出相电压的基波幅值为n·2V dc/3（其中n为引入的缩小因子，V dc为逆变器直流母线电压），逆变器输出相电压的基波幅值达到了过调制第2过调制区域的最大值，此时，调制度函数值m=1，该值位于过调制第2过调制区域0.952＜m≤1中的最大值。
在过调制区域的每一时刻根据合成参考电压矢量得到修正后的电压矢量V ref ，再采用基于虚拟空间矢量的NTV法对第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref进行调制，具体的调制方法，参见图7，在静止的α β坐标系中，定义三电平逆变器在第1扇区0~π/3 (rad)内输出的6个有效电压矢量（包括零矢量）分别为V 0、V 1、V 2、V 3、V 4、V 5，其中V 0为零矢量，V 1、V 2为有效电压小矢量，V 4为有效电压中矢量，V 3、V 5为有效电压大矢量。采用基于虚拟矢量的NTV法，用虚拟电压中矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE118
代替有效电压中矢量V 4，
Figure 18646DEST_PATH_IMAGE118
表达式为：
由电压矢量V 0、V 1、V 2的顶点，电压矢量V 1、V 2、
Figure 939328DEST_PATH_IMAGE118
的顶点，电压矢量V 1、V 3、
Figure 334538DEST_PATH_IMAGE118
的顶点，电压矢量V 2、V 5、的顶点，以及电压矢量V 3、V 5、的顶点可以构成6个小三角形，若在某一时刻修正后的电压矢量V ref的顶点落入上述六个小三角形的其中一个三角形内，则修正后的电压矢量V ref由构成这个小三角形的3个电压矢量来合成，根据幅秒平衡原理，得出每个矢量的作用时间。假设某一时刻修正后的电压矢量V ref ，该电压矢量V ref的位置如图7所示，则在这个时刻修正后的电压矢量V ref由电压矢量
Figure 989138DEST_PATH_IMAGE118
、V 3、V 5合成，根据幅秒平衡方法可得如下表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE122
解出电压矢量
Figure 922459DEST_PATH_IMAGE118
的作用时间t 1、电压矢量V 3的作用时间t 2、电压矢量V 5的作用时间t 3，表达式中的T s为逆变器的开关周期，通过上述方法可以得出任意时刻用于合成V ref的3个电压矢量具体的作用时间。 采用传统的三电平逆变器空间矢量过调制方法，在调制度函数的定义中没有缩小因子n，且在静止的α β坐标系中三电平逆变器能够合成的电压矢量被限制在边长为
Figure 466704DEST_PATH_IMAGE082
的正六边形范围，在过调制区修正后的电压矢量V ref被限制在这个边长为
Figure 725647DEST_PATH_IMAGE082
正六边形边界上，根据幅秒平衡方法得出用于合成修正后电压矢量V ref的有效电压小矢量和虚拟电压中矢量的作用时间，如图8所示，图中，横轴表示V ref的相位角（rad）， 纵轴表示有效电压小矢量（实线）和虚拟电压中矢量（虚线）的作用时间（采用逆变器开关周期T s进行单位化），m为调制度函数。从图8可以看出，随着调制度函数m增大，有效电压小矢量和虚拟电压中矢量的作用时间逐渐减小，在过调制区两者的作用时间降为零，使得传统的三电平逆变器空间矢量过调制失去了对中点电压波动进行调节的能力，且输出电平存在不经过零电位而在正、负电平之间直接跳变的问题。
采用本发明的过调制方法，通过在调制度函数的定义中引入缩小因子n，且在静止的α β坐标系中三电平逆变器能够合成的电压矢量被限制在边长为
Figure 214397DEST_PATH_IMAGE084
的正六边形范围，在过调制区修正后的电压矢量V ref被限制在这个边长为
Figure 216988DEST_PATH_IMAGE084
的正六边形边界上，根据幅秒平衡方法得出用于合成修正后电压矢量V ref的有效电压小矢量和虚拟电压矢量的作用时间，如图9所示，图中，横轴表示V ref的相位角 (rad)，纵轴表示有效电压小矢量（实线）和虚拟电压中矢量（虚线）的作用时间（采用逆变器开关周期T s进行单位化），m为调制度函数的大小。从图9可以看出，随着m增大，有效电压小矢量和虚拟电压矢量的时间虽然同样逐渐减小，但在过调制区两者的作用时间不为零，仍有少量的作用时间，保证了逆变器空间矢量过调制对直流侧电容中点电压的调节能力，同时避免了逆变器输出电压在正、负电平之间直接跳变的问题。 

Claims (3)

1.一种改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其特征在于操作步骤如下：
S1、根据二极管箝位式三电平逆变器得到合成参考电压矢量                                                
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE001
；
S2、将合成参考电压矢量的幅值记为
Figure 38262DEST_PATH_IMAGE002
，定义合成参考电压矢量
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE003
的调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定三电平逆变器合成参考电压矢量所在的调制区域；
S3、分别对逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正，分别得到第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref；
S4、采用基于虚拟空间矢量的NTV法对第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量V ref进行调制。
2.根据权利要求1中所述的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其特征在于，上述步骤S2所述的将合成参考电压矢量的幅值记为
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE005
，定义合成参考电压矢量
Figure 721364DEST_PATH_IMAGE006
调制度函数，根据调制度函数的取值范围，确定逆变器合成参考电压矢量
Figure 219342DEST_PATH_IMAGE006
所在的调制区域，其具体如下：定义调制度函数，记为
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE007
，其表达式为：
Figure 990989DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 816993DEST_PATH_IMAGE007
为定义的调制度函数，在整个逆变器调制区域m∈[0,1]，V dc为逆变器直流母线电压，n∈（0.9,1）为缩小因子，为合成参考电压矢量
Figure 699499DEST_PATH_IMAGE010
的幅值，
根据调制度函数的取值范围，分别确定逆变器合成参考电压矢量
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE011
所在的调制区域，具体为：当  0≤m≤0.907时，逆变器合成参考电压矢量
Figure 927349DEST_PATH_IMAGE006
位于线性调制区域；
当0.907＜m≤0.952时，逆变器合成参考电压矢量
Figure 869897DEST_PATH_IMAGE010
位于过调制第1过调制区域； 
当0.952＜m≤1时，逆变器合成参考电压矢量
Figure 307832DEST_PATH_IMAGE006
位于过调制第2过调制区域。
3.根据权利要求2中所述的改进的二极管箝位式三电平逆变器过调制方法，其特征在于，上述步骤S3所述的分别对逆变器合成参考电压矢量所在的第1过调制区域、第2过调制区域中的合成参考电压矢量的幅值与合成参考电压矢量的相位角进行修正，分别得到第1过调制区域、第2过调制区域中修正后的电压矢量
Figure 728449DEST_PATH_IMAGE012
，具体如下：在静止的α β坐标系中，每隔π/3 (rad)角度定义一个扇区，将0~π/3 (rad)定义为第1扇区；π/3~2π/3 (rad)定义为第2扇区；······5π/3~2π (rad)定义为第6扇区，当合成参考电压矢量
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE013
位于过调制第1过调制区域且处于第1扇区，则合成参考电压矢量
Figure 76384DEST_PATH_IMAGE006
相位角与合成参考电压矢量
Figure 189834DEST_PATH_IMAGE011
相位角相同，合成参考电压矢量的幅值按下式修正，其修正表达式为：
Figure 115065DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE015
为修正后的电压矢量
Figure 214739DEST_PATH_IMAGE012
的幅值，θ*为合成参考电压矢量
Figure 276236DEST_PATH_IMAGE011
的相位角，α r∈[0, π/6]为补偿角，
Figure 560587DEST_PATH_IMAGE016
为逆变器直流母线电压，n为缩小因子，当合成参考电压矢量
Figure 848480DEST_PATH_IMAGE010
位于过调制第1过调制区域的其他扇区时，合成参考电压矢量
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE017
相位角与合成参考电压矢量
Figure 876478DEST_PATH_IMAGE018
相位角相同，将上述幅值修正表达式中的θ*用代替，其中，N∈[1,6]表示
Figure 933427DEST_PATH_IMAGE020
所处的第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量
Figure 123100DEST_PATH_IMAGE012
的幅值，
上述补偿角
Figure 2012105712605100001DEST_PATH_IMAGE021
与调制度函数m满足如下关系：
Figure 22923DEST_PATH_IMAGE021
= -7562.8m 3+21094m 2-19619m+6084.8
若合成参考电压矢量位于过调制第2过调制区域且处于第1扇区，则合成参考电压矢量
Figure 766068DEST_PATH_IMAGE020
相位角按下式修正，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中，θ为修正后的电压矢量
Figure 126642DEST_PATH_IMAGE012
的相位角，θ*为合成参考电压矢量
Figure 389128DEST_PATH_IMAGE024
的相位角，α h∈[0, π/6]为保持角，上述合成参考电压矢量幅值按下式修正，其表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 758929DEST_PATH_IMAGE026
为修正后的电压矢量
Figure 649525DEST_PATH_IMAGE012
的幅值，θ为修正后的电压矢量
Figure 321946DEST_PATH_IMAGE012
的相位角，θ*为合成参考电压矢量的相位角，V dc为逆变器直流母线电压，α h为保持角，n为缩小因子，当合成参考电压矢量
Figure 930781DEST_PATH_IMAGE028
位于过调制第2过调制区域的其他扇区时，分别将上述相位、幅值修正表达式中的θ*都用
Figure DEST_PATH_IMAGE029
代替，其中N∈[1,6]表示所处的第N扇区，即可得到在第N个扇区内修正后的电压矢量V ref的相位和幅值，
保持角α h与调制度函数m满足如下关系：
αh = 6587.4m 3-19146m 2+18554m-5995.2。
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