CN103151946A - 一种中性点箝位h桥五电平高压变频器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器及其调制方法，该变频器包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。本发明克服现有空间矢量脉宽调制算法，等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高的不足，提供了一种实用的五电平高压变频器。

Description

一种中性点箝位H桥五电平高压变频器及其调制方法

技术领域

本发明属于高压变频器的技术领域，具体地，涉及一种中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器及其调制方法。

背景技术

多电平变频器越来越广泛地应用于轧钢、煤炭、铁路、船舶、水利等高压大功率传动领域，其电压变化率dv/dt小，输出电压电流谐波含量低，功率开关器件的耐压等级低。现有的中高压大功率变频器多采用三电平NPC拓扑结构，其输出相电压为三个电平级数。此外也有H桥级联型拓扑结构，通过级联可以得到不同的输出电压电平级数。

空间电压矢量调制法(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)是多电平逆变器的一种脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制方法，多电平SVPWM的实现也有不同的方法。通常采用七段式SVPWM，但是该方法的缺点是：算法复杂，计算量大，需要特别考虑开关器件的散热问题。而且，在器件开关频率相同的情况下，该算法的逆变器等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器及其调制方法，其在器件开关频率相同的情况下，逆变器等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高；而且可以拓展至任意电平级数的逆变器。

为实现上述目的，本发明提供了一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。

根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述五电平NPC/H-桥单元包括直流侧电源和逆变电路，其中，所述直流侧电源由输入侧移相变压器、整流器和直流侧电容构成，所述逆变电路由两个NPC桥臂构成H桥，每个NPC桥臂由四个IGBT和两个二级管构成。

根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述控制器包括FPGA和DSP。

进一步地，根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述DSP用于算法运算，所述FPGA用于产生脉冲触发所述五电平NPC/H-桥单元中的IGBT。

根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，每个脉冲驱动板用于触发所述五电平NPC/H-桥单元中的两个IGBT。

另外，本发明还提供了一种基于上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其包括以下步骤：

步骤一、选择下一首发状态：

对于任意的开关状态[S_a，S_b，S_c]，定义其开关状态值S为：

$S=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{S}_i$

此外，定义两个参数来描述开关顺序的变化，开关状态变化总量ΔS和单相开关状态变化值δS：

$\mathrm{\ΔS}=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|$

$\mathrm{\δS}=\underset{i=a,b,c}{\max }|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|$

然后，根据以下原则得出第二个开关顺序的首发状态：

1)找出下一个三角形中具有最小开关状态变化总量ΔS的所有开关状态，如果含有多于一个状态，那么进行下一步；

2)选择具有最小的单相开关状态变化值δS的开关状态，如果还有多余状态，那么进行下一步；

3)选择具有最小开关状态值S的首发状态完成算法；

步骤二、设计开关顺序：

对于每个扇区中的16个三角形，将每个三角形中的各个开关状态值根据降序依次标号为①至⑤，同一个三角形中的状态值为连续的整数；根据开关顺序产生规律表，含有圆点和箭头的直线表示开关顺序，圆点位置则表示首发状态；开关顺序根据首发状态得出，含有箭头的直线经过3个开关状态，形成三段式开关顺序，每个扇区中的三角形含有5种开关顺序，并且根据首发状态选择其中的1种作为开关顺序；

步骤三、开关顺序解码：

利用解码表将数字编码转换成驱动信号，其中，解码表为5种可能的数字编码-2，-1，0，1和2，进而产生门极驱动信号；数字编码1和-1对应着两种不同的电路状态，数字编码0对应着三种不同的电路状态。

根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其中，步骤二中，开关顺序设计的约束条件为：开关状态的改变仅仅涉及一个桥臂的两个开关器件，即一个器件导通，另一个器件截止。

因此，本发明的中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器及其调制方法在器件开关频率相同的情况下，逆变器等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高；而且可以拓展至任意电平级数的逆变器。

附图说明

图1是本发明中五电平中性点箝位/H桥的单相电气结构图；

图2是本发明的五电平中性点箝位/H桥高压变频器的电气结构图；

图3是本发明的五电平中性点箝位/H桥高压变频器的系统结构图；

图4是本发明中DSP算法的流程图；

图5是本发明中五电平逆变器第I扇区矢量图；

图6(a)是本发明中七段式开关顺序图；

图6(b)是本发明中三段式开关顺序图；

图7是本发明中开关顺序产生规律图；

图8是本发明中三段式开关顺序设计的示例图；

图9是本发明中平衡模式下的功率开关器件的驱动波形图；

图10是本发明的五电平中性点箝位/H桥高压变频器输出相电压和线电压波形图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图1所示为本发明中五电平中性点箝位/H桥的单相电气结构图。其中，输入侧为电网，输出侧为负载电动机。输入侧移相变压器通过整流器给直流侧电容充电，构成直流侧电源。逆变电路由两个NPC桥臂构成H桥，每个桥臂有四个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和两个二级管构成。逆变电路采用SVPWM控制策略，控制每个绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关时刻，形成五电平相电压。相应地，三相变频器电气结构图如图2所示。

图3为本发明的五电平中性点箝位/H桥高压变频器的系统结构图，其包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板、DSP+FPGA控制板构成。电网电压经预充电电路，经18路脉冲变压器后，通过整流桥整流得到五电平NPC/H-桥单元的直流侧电压，DSP+FPGA控制板得到的驱动信号通过12块脉冲驱动板驱动触发IGBT。控制系统采用DSP+FPGA结构，其中，DSP负责算法运算，具体的算法流程图如图4所示。FPGA负责产生脉冲触发IGBT。每个驱动板触发两个IGBT，因此共需要12块脉冲驱动板。

一般定义参考电压矢量为：

V_ref＝V_refe^jθ      (1)

式(1)中，V_ref为电压矢量V_ref的模值，θ为参考电压矢量的空间角度，本发明中五电平逆变器第I扇区矢量图如图5所示。所谓SVPWM法，就是用逆变器输出相电压的平均矢量去逼近参考电压矢量V_ref。

为了简化参考矢量V_ref的合成和作用时间的计算，利用在α-β平面中五电平基本空间矢量之间的角度均为60的倍数这一几何特性，采用60°坐标系，即g-h坐标系。

如图5所示，当参考矢量V_ref位于三角形ABC中时，根据三角形顶点的开关状态分配SVPWM的开关顺序。分别如图6(a)和图6(b)所示，这些开关状态可以排列形成七段式开关顺序，例如：[2，1，-1]→[2，0，-1]→[1，0，-1]→[1，0，-2]→[1，0，-1]→[2，0，-1]→[2，1，-1]，或者是三段式开关顺序[2，1，-1]→[2，0，-1]→[1，0，-1]。为了减少开关器件开关频率，开关顺序设计具有约束条件：开关状态的改变仅仅涉及一个桥臂的两个开关器件，即一个器件导通，另一个器件截止。

下面介绍三段式开关顺序的实现步骤。考虑两个采样周期的状态转变，第一个采样周期的开关顺序是S_a1，S_b1，S_c1]→[S_a2，S_b2，S_c2]→[S_a3，S_b3，S_c3]，第二个采样周期的开关顺序是 $[S_{a1}^{\′},S_{b1}^{\′},S_{c1}^{\′}]\→[S_{a2}^{\′},S_{b2}^{\′},S_{c2}^{\′}]\→[S_{a3}^{\′},S_{b3}^{\′},S_{c3}^{\′}]$ 。当第二个开关顺序的首发状态

与第一个开关顺序的末发状态[S_a3，S_b3，S_c3]不同时，将出现冗余开关状态。为了减小开关状态

和[S_a3，S_b3，S_c3]的差异，必须减少冗余开关状态。为此，可以基于[S_a3，S_b3，S_c3]灵活地选择下一个首发状态

。如果知道了前一个采样周期的末发状态[S_a3，S_b3，S_c3]，就可以设计灵活的三段式开关顺序，具体设计步骤如下：

步骤一、选择下一首发状态：

对于任意的开关状态，定义其开关状态值为：

$S=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{S}_i---\left(1\right)$

此外，定义两个参数来描述开关顺序的变化，开关状态变化总量ΔS和单相开关状态变化值δS：

$\mathrm{\ΔS}=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|---\left(2\right)$

$\mathrm{\δS}=\underset{i=a,b,c}{\max }|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|---\left(3\right)$

然后，第二个开关顺序的首发状态可以根据以下原则得出：

1)找出下一个三角形中具有最小开关状态变化总量ΔS的所有开关状态。此原则可以有效解决冗余开关状态。如果含有多于一个状态，那么进行下一步2)；

2)选择具有最小的单相开关状态变化值δS的开关状态。此原则可以限制大电压突变时的电平级数变化。通常，首发矢量可以由以上两步计算出来。如果还有多余状态，那么进行下一步3)；

3)选择具有最小开关状态值S的首发状态完成算法。

步骤二、设计开关顺序：

为了简便起见，一个三角形中的各个开关状态值根据降序依次标号为①至⑤。例如，在图5中的A、B和C三个矢量对应的开关状态中，标号①对应开关状态[2，1，-1]，标号⑤对应开关状态[1，-1，-2]。同一个三角形中的状态值为连续的整数，这样的标号有利于实现本发明的算法。

如图7所示，含有圆点和箭头的直线表示开关顺序，圆点位置则表示首发状态。开关顺序根据首发状态得出，含有箭头的直线经过3个开关状态，形成三段式开关顺序。第I扇区的三角形10中含有5种开关顺序。至于选择这5种开关顺序的哪一个需要根据首发状态而定。例如，如果首发状态标号为①，那么开关顺序对应的标号为①→②→③，如果首发状态标号为④，那么开关顺序对应的标号为④→③→②。

如图8所示，当参考矢量V_ref在第I扇区的三角形中旋转时，如果最外侧每个小三角形均有一个采样点，那么根据本发明设计出来的三段式开关顺序可以表示为：

Δ7：[2，-1，-1]→[2，-1，-2]→[2，-2，-2]

Δ6：[1，-2，-2]→[1，-1，-2]→[2，-1，-2]

Δ12：[2，-1，-2]→[2，0，-2]→[2，0，-1]

Δ11：[2，0，-1]→[2，0，-2]→[1，0，-2]

Δ15：[1，0，-2]→[2，0，-2]→[2，1，-2]

Δ14：[2，1，-2]→[2，1，-1]→[2，2，-1]

Δ16：[2，2，-1]→[2，2，-2]→[2，1，-2]

可以看出，当参考矢量在三角形边界旋转时没有出现冗余开关状态。此外，每个采用周期内的开关状态的改变仅有一个电平级数的变化，即每个桥臂的一个开关器件导通则另一个开关器件便截止。满足开关状态的约束条件。

步骤三、开关顺序解码：

如果将开关状态看作是数字编码，那么解调器可以看作是将数字编码转换成驱动信号的解码表。例如，如果A相编码为2，那么解码结果为：图1中的开关器件S_a13，S_a14，S_a21，S_a22导通，其余开关器件截止。

解码表为5种可能的数字编码-2，-1，0，1和2产生门极驱动信号。数字编码-1，0，1有不同的电路状态。不合适的解码设计可能会导致：1)不合理的电压突变，比如一个桥臂从1跳变到-1，包含两个电平级数的变化，导致换流失败以及过高的dv/dt；2)不平衡开关顺序模式将导致开关器件损耗和发热不平衡。

数字编码1和-1对应着两种不同的电路状态，数字编码0对应着三种不同的电路状态。五电平NPC/H逆变器的拓扑结构总共有12种解码方法。其中有2种方法可以满足本发明的约束条件。表1和表2分别表示A相的解码表A和解码表B。B相和C相的解码表与A相相同。V_no和V_xo表示直流侧电容电压E。对于如图1所示的五电平NPC/H逆变器，S_a＝V_xo-V_no。

表1  五电平NPC/H逆变器解码表A

表2  五电平NPC/H逆变器解码表B

可以指出，因为NPC型逆变器的开关器件的导通角不相同，导致不同的导通损耗。交替使用这两种解码方法可以有效地解决这些问题。仿真得到如图9所示的A相两个开关器件平衡模式下的驱动波形，每2个基波交替一次。此外，这样安排可以使开关器件的开关频率均相同。因此，开关损耗可以均匀分配到所有的开关器件。图10表示五电平中性点箝位/H桥高压变频器输出相电压和线电压波形图，直流侧电容电压为E，变频器输出相电压为五电平，幅值为2E；线电压为九电平，其幅值为4E。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特点在于，包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。

2.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述五电平NPC/H-桥单元包括直流侧电源和逆变电路，其中，所述直流侧电源由输入侧移相变压器、整流器和直流侧电容构成，所述逆变电路由两个NPC桥臂构成H桥，每个NPC桥臂由四个IGBT和两个二级管构成。

3.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述控制器包括FPGA和DSP。

4.根据权利要求3所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述DSP用于算法运算，所述FPGA用于产生脉冲触发所述五电平NPC/H-桥单元中的IGBT。

5.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，每个脉冲驱动板用于触发所述五电平NPC/H-桥单元中的两个IGBT。

6.一种基于权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择下一首发状态：

对于任意的开关状态[S_a，S_b，S_c]，定义其开关状态值S为：

$S=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{S}_i$

此外，定义两个参数来描述开关顺序的变化，开关状态变化总量ΔS和单相开关状态变化值δS：

$\mathrm{\ΔS}=\underset{i=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|$

$\mathrm{\δS}=\underset{i=a,b,c}{\max }|S_{i1}^{\′}-S_{i3}^{\′}|$

然后，根据以下原则得出第二个开关顺序的首发状态：

1)找出下一个三角形中具有最小开关状态变化总量ΔS的所有开关状态，如果含有多于一个状态，那么进行下一步；

2)选择具有最小的单相开关状态变化值δS的开关状态，如果还有多余状态，那么进行下一步；

3)选择具有最小开关状态值S的首发状态完成算法；

步骤二、设计开关顺序：

对于每个扇区中的16个三角形，将每个三角形中的各个开关状态值根据降序依次标号为①至⑤，同一个三角形中的状态值为连续的整数；根据开关顺序产生规律表，含有圆点和箭头的直线表示开关顺序，圆点位置则表示首发状态；开关顺序根据首发状态得出，含有箭头的直线经过3个开关状态，形成三段式开关顺序，每个扇区中的三角形含有5种开关顺序，并且根据首发状态选择其中的1种作为开关顺序；

步骤三、开关顺序解码：

利用解码表将数字编码转换成驱动信号，其中，解码表为5种可能的数字编码-2，-1，0，1和2，进而产生门极驱动信号；数字编码1和-1对应着两种不同的电路状态，数字编码0对应着三种不同的电路状态。

7.根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，步骤二中，开关顺序设计的约束条件为：开关状态的改变仅仅涉及一个桥臂的两个开关器件，即一个器件导通，另一个器件截止。

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