CN103944183A

CN103944183A - 一种混合pwm调制切换装置及方法

Info

Publication number: CN103944183A
Application number: CN201410143225.2A
Authority: CN
Inventors: 徐德鸿; 张扬帆; 严成; 邹莘剑; 何国锋
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN103944183B

Abstract

本发明公开了一种混合PWM调制切换装置及方法。它针对三电平并网逆变器，稳态时选择特定谐波消除法（SHEPWM）调制方式，在检测到电网低电压故障时，通过调制方式选择器选择空间矢量调制法（SVPWM）的驱动信号作为逆变器的驱动信号，从而切换到SVPWM调制方式，以满足低电压穿越对逆变器的动态性能的要求；而当电网低电压故障消失时，通过调制方式选择器选择特定谐波消除法（SHEPWM）的驱动信号作为逆变器的驱动信号，从而切换到SHEPWM调制方式，使逆变器具有更好的稳态性能。本发明提出的混合PWM调制切换方法，能结合SHEPWM和SVPWM两种调制方式的优点，使得并网逆变器具有很好的稳态和动态性能，而且切换平滑快速，结构简单，实现方便。

Description

一种混合PWM调制切换装置及方法

技术领域

本发明涉及逆变器及其调制技术，尤其涉及一种混合PWM调制切换装置及方法。

背景技术

PWM调制方式是逆变器的关键技术之一。目前广泛应用的调制方式主要包括正弦波PWM调制法（SPWM）、空间矢量PWM调制法（SVPWM）和特定谐波消除法（SHEPWM）。SVPWM调制法具有直流电压利用率高、转矩脉动小等优点，而相比SPWM和SVPWM调制法，SHEPWM调制法在相同的输出电能质量下具有更低的等效开关频率。

目前，SHEPWM调制法由于具有更低的等效开关频率，在电机驱动领域得到了很好的应用。更低的等效开关频率意味着更低的开关损耗，从而能够提高逆变器的效率，故可以将SHEPWM应用于并网逆变器，以获得更好的稳态性能。

然而，SHEPWM调制法通常基于查表法实现，其动态性能较差，无法适用于出现电网故障的场合。特别的，当SHEPWM调制法应用于光伏并网逆变器时，相关的光伏并网标准提出了低电压穿越的要求，这对逆变器的动态特性提出了较高的要求。可见，采用单一的特定谐波消除法无法满足并网逆变器的低电压穿越的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有应用于并网逆变器的调制技术的不足，提出一种适用于并网逆变器的混合PWM调制切换装置及方法。

本发明的技术方案如下：

混合PWM调制切换装置，其针对于三电平并网逆变器，包括：采样控制电路和调制方式切换电路；采样控制电路用于并网电流的采样调理、电网电压的采样调理、dq坐标变换、并网电流环路的调节和PLL锁相模块；调制方式切换电路用于特定谐波消除PWM调制法驱动信号的产生、空间矢量PWM调制法驱动信号的产生、电网电压低电压故障检测和根据当前电网电压状态选择不同PWM调制方法驱动信号作为逆变器开关管的驱动信号；

所述的采样控制电路包括并网电流采样调理电路、电网电压采样调理电路、dq坐标变换模块、电流调节器模块和PLL锁相模块；并网电流采样调理电路的输入端连接并网侧的霍尔电流传感器，并网电流采样调理电路的输出信号为采样调理后的A相并网电流i_a、B相并网电流i_b和C相并网电流i_c，并网电流采样调理电路的输出端连接dq坐标变换模块的输入端，dq坐标变换模块的输出信号为坐标变换后的d轴并网电流i_d和q轴并网电流i_q，dq坐标变换模块的两个输出端分别连接电流调节器的两个输入端，电流调节器的另外两个输入端分别输入电流环的d轴参考并网电流i_d ^*和q轴参考并网电流i_q ^*，电流调节器的输出是d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*；电网电压采样调理电路的输入端连接电网侧，电网电压采样调理电路的输出信号为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，电网电压采样调理电路的输出端连接PLL锁相模块的输入端，PLL锁相模块的输出是电网电压锁相角度θ_g；

所述的调制方式切换电路包括特定谐波消除PWM驱动信号发生器、空间矢量PWM驱动信号发生器、低电压故障检测器和选择器；特定谐波消除PWM驱动信号发生器的两个输入端分别连接电流调节器的输出端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器的输入信号为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，特定谐波消除PWM驱动信号发生器的输出端连接选择器的0脚输入端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器的输出信号为特定谐波消除PWM调制法的驱动信号；空间矢量PWM驱动信号发生器的两个输入端分别连接电流调节器的输出端，空间矢量PWM驱动信号发生器的输入信号分别为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，空间矢量PWM驱动信号发生器的输出端连接选择器的1脚输入端，空间矢量PWM驱动信号发生器的输出信号为空间矢量PWM调制法的驱动信号；低电压故障检测器的三个输入端分别连接电网电压采样调理电路的输出端，低电压故障检测器的输入信号分别为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，低电压故障检测器的输出端连接选择器的sel选择输入端，低电压故障检测器的输出信号为电网低电压故障信号；选择器的输出端信号为混合PWM调制方法的开关管驱动信号，用于驱动主电路的开关管。

混合PWM调制切换装置的切换方法是：

根据当前电网电压状态来选择不同PWM调制方式。在初始稳态时电网电压正常，低电压故障检测器输出的低电压故障信号为低电平，控制选择器选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，以获得更好的稳态性能；当电网出现低电压故障时，低电压故障检测器输出的低电压故障信号由低电平切换为高电平，控制选择器选择1脚输入端的信号作为输出信号，即选择空间矢量PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由特定谐波消除法（SHEPWM）到空间矢量调制法（SVPWM）的切换，以满足系统对低电压穿越的动态要求；当电网低电压故障消失时，低电压故障检测器输出的低电压故障信号由高电平切换为低电平，控制选择器选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由空间矢量调制法（SVPWM）到特定谐波消除法（SHEPWM）的切换，以获得更好的稳态性能，从而实现混合PWM调制切换。

所述的特定谐波消除PWM驱动信号为：将离线计算的开关角存入表中，根据所需输出的电压V_a，V_b，V_c得到幅值调制比m和相角θ，再根据当前的幅值调制比和相角θ进行查表后得到三电平SHEPWM的开关驱动信号。

所述的空间矢量PWM驱动信号为：根据根据所需输出的电压V_a，V_b，V_c合成参考矢量判断V_ref所在三电平空间矢量图的扇区和区域，确定基本开关矢量V₁，V₂，V₃（其中V₃为冗余矢量，设为V_{3_1}为V_{3_2}），计算三个基本矢量的作用时间T₁，T₂，T₃，并以7段式开关序列（V_{3_1}→V₁→V₂→V_{3_2}→V_{3_2}→V₂→V₁→V_{3_1}）计算各相桥臂开关管的作用时间T_a，T_b，T_c，最后得到SVPWM的开关驱动信号。

所述的低电压故障检测器为：在检测到输入端的A相电网电压u_ga或B相电网电压u_gb或C相电网电压u_gc小于设定值时，输出为高电平，表示出现电网低电压故障；当检测到输入端的A相电网电压u_ga或B相电网电压u_gb或C相电网电压u_gc均不小于设定值时，输出为低电压，表示未出现电网低电压故障。

本发明提出的混合PWM调制切换方法，能充分利用SHEPWM和SVPWM两种调制方式的优点，稳态时采用SHEPWM调制方式以获得更好的稳态性能；而当出现电网低电压故障时，快速的切换到SVPWM调制方式，以满足低电压穿越的动态性能要求，从而使得这种混合PWM调制法很好的适用于并网逆变器，且结构简单，实现方便。

附图说明

图1为本发明构成的混合PWM调制切换装置的电路图；

图2（a）为SVPWM空间矢量图，图2（b）为SVPWM开关序列图；

图3为SHEPWM输出相电压波形图；

图4为混合PWM调制切换装置的切换时序图。

图中，采样控制电路1，调制方式切换电路2，并网电流采样调理电路101，电网电压采样调理电路102，dq坐标变换模块103，电流调节器模块104，PLL锁相模块105，特定谐波消除PWM驱动信号发生器201，空间矢量PWM驱动信号发生器202，低电压故障检测器203，选择器204。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种混合PWM调制切换装置，其针对于三电平并网逆变器，包括：采样控制电路1和调制方式切换电路2；采样控制电路1用于并网电流的采样调理、电网电压的采样调理、dq坐标变换、并网电流环路的调节和PLL锁相模块；调制方式切换电路2用于特定谐波消除PWM调制法驱动信号的产生、空间矢量PWM调制法驱动信号的产生、电网电压低电压故障检测和根据当前电网电压状态选择不同PWM调制方法驱动信号作为逆变器开关管的驱动信号；

所述的采样控制电路1包括并网电流采样调理电路101、电网电压采样调理电路102、dq坐标变换模块103、电流调节器模块104和PLL锁相模块105；并网电流采样调理电路101的输入端连接并网侧的霍尔电流传感器，并网电流采样调理电路101的输出信号为采样调理后的A相并网电流i_a、B相并网电流i_b和C相并网电流i_c，并网电流采样调理电路101的输出端连接dq坐标变换模块103的输入端，dq坐标变换模块103的输出信号为坐标变换后的d轴并网电流i_d和q轴并网电流i_q，dq坐标变换模块103的两个输出端分别连接电流调节器104的两个输入端，电流调节器104的另外两个输入端分别输入电流环的d轴参考并网电流i_d ^*和q轴参考并网电流i_q ^*，电流调节器103的输出是d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*；电网电压采样调理电路102的输入端连接电网侧，电网电压采样调理电路102的输出信号为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，电网电压采样调理电路102的输出端连接PLL锁相模块105的输入端，PLL锁相模块105的输出是电网电压锁相角度θ_g；

所述的调制方式切换电路2包括特定谐波消除PWM驱动信号发生器201、空间矢量PWM驱动信号发生器202、低电压故障检测器203和选择器204，其特征在于：特定谐波消除PWM驱动信号发生器201的两个输入端分别连接电流调节器104的输出端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器201的输入信号为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，特定谐波消除PWM驱动信号发生器201的输出端连接选择器204的0脚输入端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器201的输出信号为特定谐波消除PWM调制法的驱动信号；空间矢量PWM驱动信号发生器202的两个输入端分别连接电流调节器104的输出端，空间矢量PWM驱动信号发生器202的输入信号分别为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，空间矢量PWM驱动信号发生器202的输出端连接选择器204的1脚输入端，空间矢量PWM驱动信号发生器202的输出信号为空间矢量PWM调制法的驱动信号；低电压故障检测器203的三个输入端分别连接电网电压采样调理电路102的输出端，低电压故障检测器203的输入信号分别为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，低电压故障检测器203的输出端连接选择器204的sel选择输入端，低电压故障检测器203的输出信号为电网低电压故障信号；选择器204的输出端信号为混合PWM调制方法的开关管驱动信号，用于驱动主电路的开关管。

本发明提出的应用于并网逆变器的混合PWM调制切换方法为：根据当前电网电压状态来选择不同PWM调制方式。在初始稳态时电网电压正常，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号为低电平，控制选择器（204）选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，以获得更好的稳态性能；当电网出现低电压故障时，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号由低电平切换为高电平，控制选择器（204）选择1脚输入端的信号作为输出信号，即选择空间矢量PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由特定谐波消除法（SHEPWM）到空间矢量调制法（SVPWM）的切换，以满足系统对低电压穿越的动态要求；当电网低电压故障消失时，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号由高电平切换为低电平，控制选择器（204）选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由空间矢量调制法（SVPWM）到特定谐波消除法（SHEPWM）的切换，以获得更好的稳态性能，从而实现混合PWM调制切换。

如图2所示，本发明所使用的SVPWM调制序列，根据所需输出的电压V_a，V_b，V_c合成参考矢量判断V_ref所在三电平空间矢量图的扇区和区域，确定基本开关矢量V₁，V₂，V₃（其中V₃为冗余矢量，设为V_{3_1}为V_{3_2}），计算三个基本矢量的作用时间T₁，T₂，T₃，如图2当合成参考矢量在I-3扇区中时，V₁为PNN，V₂为PON，V_{3_1}为ONN，V_{3_2}为POO，空间矢量PWM驱动信号开关序列为7段式V_{3_1}→V₁→V₂→V_{3_2}→V_{3_2}→V₂→V₁→V_{3_1}，即ONN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN，如图2（b）所示，其他扇区都以此类推；

如图3所示，本发明所使用的SHEPWM输出电压波形，是基于1/4周期对称，及关于π/2偶对称。选取合适的初值后，离线计算非线性方程组以得到开关角存入表中，根据所需输出的电压V_a，V_b，V_c得到幅值调制比m和相角θ，再根据当前的幅值调制比和相角进行查表后得到三电平SHEPWM的开关驱动信号，以进行调制。

工作原理：

图4为混合PWM调制切换装置的切换时序图。其中低电压故障判断对应图1中的低电压故障检测器203输出，调制方式判断对应选择器204的输出通道。初始稳态时电网电压正常，低电压故障检测器203输出的低电压故障信号为低电平，控制选择器204选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除法（SHEPWM）的驱动信号作为开关管的驱动信号，以获得更好的稳态性能；当电网出现低电压故障时，低电压故障检测器203输出的低电压故障信号由低电平切换为高电平，控制选择器204选择1脚输入端的信号作为输出信号，即选择空间矢量调制法（SVPWM）的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由特定谐波消除法（SHEPWM）到空间矢量调制法（SVPWM）的切换，以满足低电压穿越对逆变器的动态要求；当电网低电压故障消失时，低电压故障检测器203输出的低电压故障信号由高电平切换为低电平，控制选择器204选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除法（SHEPWM）的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由空间矢量调制法（SVPWM）到特定谐波消除法（SHEPWM）的切换，以获得更好的稳态性能，实现混合PWM调制切换。

Claims

1.一种混合PWM调制切换装置，其针对于三电平并网逆变器，包括：采样控制电路（1）和调制方式切换电路（2）；采样控制电路（1）用于并网电流的采样调理、电网电压的采样调理、dq坐标变换、并网电流环路的调节和PLL锁相模块；调制方式切换电路（2）用于特定谐波消除PWM调制法驱动信号的产生、空间矢量PWM调制法驱动信号的产生、电网电压低电压故障检测和根据当前电网电压状态选择不同PWM调制方法驱动信号作为逆变器开关管的驱动信号；

所述的采样控制电路（1）包括并网电流采样调理电路（101）、电网电压采样调理电路（102）、dq坐标变换模块（103）、电流调节器模块（104）和PLL锁相模块（105）；并网电流采样调理电路（101）的输入端连接并网侧的霍尔电流传感器，并网电流采样调理电路（101）的输出信号为采样调理后的A相并网电流i_a、B相并网电流i_b和C相并网电流i_c，并网电流采样调理电路（101）的输出端连接dq坐标变换模块（103）的输入端，dq坐标变换模块（103）的输出信号为坐标变换后的d轴并网电流i_d和q轴并网电流i_q，dq坐标变换模块（103）的两个输出端分别连接电流调节器（104）的两个输入端，电流调节器（104）的另外两个输入端分别输入电流环的d轴参考并网电流i_d ^*和q轴参考并网电流i_q ^*，电流调节器（103）的输出是d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*；电网电压采样调理电路（102）的输入端连接电网侧，电网电压采样调理电路（102）的输出信号为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，电网电压采样调理电路（102）的输出端连接PLL锁相模块（105）的输入端，PLL锁相模块（105）的输出是电网电压锁相角度θ_g；

所述的调制方式切换电路（2）包括特定谐波消除PWM驱动信号发生器（201）、空间矢量PWM驱动信号发生器（202）、低电压故障检测器（203）和选择器（204），其特征在于：特定谐波消除PWM驱动信号发生器（201）的两个输入端分别连接电流调节器（104）的输出端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器（201）的输入信号为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，特定谐波消除PWM驱动信号发生器（201）的输出端连接选择器（204）的0脚输入端，特定谐波消除PWM驱动信号发生器（201）的输出信号为特定谐波消除PWM调制法的驱动信号；空间矢量PWM驱动信号发生器（202）的两个输入端分别连接电流调节器（104）的输出端，空间矢量PWM驱动信号发生器（202）的输入信号分别为d轴参考调制信号u_d ^*和q轴参考调制信号u_q ^*，空间矢量PWM驱动信号发生器（202）的输出端连接选择器（204）的1脚输入端，空间矢量PWM驱动信号发生器（202）的输出信号为空间矢量PWM调制法的驱动信号；低电压故障检测器（203）的三个输入端分别连接电网电压采样调理电路（102）的输出端，低电压故障检测器（203）的输入信号分别为采样调理后的A相电网电压u_ga、B相电网电压u_gb和C相电网电压u_gc，低电压故障检测器（203）的输出端连接选择器（204）的sel选择输入端，低电压故障检测器（203）的输出信号为电网低电压故障信号；选择器（204）的输出端信号为混合PWM调制方法的开关管驱动信号，用于驱动主电路的开关管。

2.一种使用如权利要求1所述装置的混合PWM调制切换方法，其特征在于：

根据当前电网电压状态来选择不同PWM调制方式。在初始稳态时电网电压正常，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号为低电平，控制选择器（204）选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，以获得更好的稳态性能；当电网出现低电压故障时，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号由低电平切换为高电平，控制选择器（204）选择1脚输入端的信号作为输出信号，即选择空间矢量PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由特定谐波消除法（SHEPWM）到空间矢量调制法（SVPWM）的切换，以满足系统对低电压穿越的动态要求；当电网低电压故障消失时，低电压故障检测器（203）输出的低电压故障信号由高电平切换为低电平，控制选择器（204）选择0脚输入端的信号作为输出信号，即选择特定谐波消除PWM的驱动信号作为开关管的驱动信号，从而快速的完成由空间矢量调制法（SVPWM）到特定谐波消除法（SHEPWM）的切换，以获得更好的稳态性能，从而实现混合PWM调制切换。