CN104022671A

CN104022671A - 基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法

Info

Publication number: CN104022671A
Application number: CN201410141637.2A
Authority: CN
Inventors: 郑宏; 徐星亮; 吕诚阳; 黄�俊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: CN104022671B

Abstract

本发明属于电力电子运用领域，具体涉及一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法。该算法经Clark/Park坐标变换将虚拟空间矢量(VSVPWM)映射到60°坐标系下，使得基本矢量坐标均为简单的代数坐标，根据直线坐标方程逻辑判断进行大小扇区的判别，利用代数坐标和伏秒平衡原则计算最近三个基本矢量的作用时间，最后设计以正小矢量首发的九段式开关时序输出PWM信号，同时根据两电容差值通过闭环PI调节冗余小矢量的作用时间进行分别调整。该方法可省去传统虚拟空间矢量(VSVPWM)算法中大量的三角函数和无理数运算，具有计算简单，实时性好，容易实现的特点。

Description

基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法

技术领域

本发明属于电力电子运用领域，涉及一种逆变器，具体涉及一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法。

背景技术

与两电平结构相比，三电平逆变器由于其每个功率管承受电压应力小，输出谐波含量大幅降低，功率管开关损耗降低等优点，因此三电平拓扑已在中高压交流传动、电网无功补偿和吸收等多个领域得到了广泛的应用。

由于逆变器运行时负载电流通过各相桥臂在二极管钳位三电平逆变器中产生了一定的交流电流，此电流流入到直流电容中，从而导致直流母线各电容传输功率的不平衡，中性点电位产生交流波动。此外，开关器件和直流侧电容特性的不一致，也会导致电容电压偏移。电容电压偏移已成为制约二极管钳位型三电平拓扑应用的最不利因素。

尽管可以在两电容之间加装Boost和Buck平衡电路或功率补偿电路等硬件电路来抑制中点电位的偏移，但需要额外的硬件投资，在成本和经济效益上受到很大限制。因此有学者提出采用一种虚拟中矢量的空间矢量调制算法，即在一个采样周期内中点电流代数和为零，对中点电位无影响。且无论参考电压矢量位于哪个扇区均会有冗余小矢量有效控制逆变器中点电位，但却因为其扇区判别十分复杂，基本矢量作用时间计算涉及大量三角函数、无理数运算及开方计算，不利于系统实时控制。

发明内容

本发明的目的在于解决传统虚拟空间矢量调制算法过于繁琐，实时性不好的问题，提出了一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，用以简化原有算法，使计算简单，易于实现系统的实时控制。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，算法步骤如下：

（1）坐标系变换，将给定的三相静止坐标系由Clark/Park坐标变换映射到60°坐标系中；

（2）确定参考电压矢量大扇区位置，在60°坐标系下虚拟空间电压矢量图中对参考电压矢量进行大扇区判别；

（3）将Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ各扇区置换到Ⅰ扇区；

（4）Ⅰ扇区中的5个小扇区位置判别；

（5）计算最近三个基本矢量的作用时间；

（6）基本矢量作用时间分配；

（7）矢量开关状态选择；

（8）12路PWM信号输出。

进一步地，所述虚拟矢量调制算法是以合成中矢量为前提，即在一个采样周期内中性点电流平均值为零。

进一步地，上述步骤（4）中的参考矢量在扩大了3倍的60°坐标系下对V_rg+V_rh＝3、V_rg+V_rh/2＝3、V_rg/2+V_rh＝3这三个方程式逻辑判断完成对小扇区的判别。

进一步地，上述步骤（6）中的最近三个基本矢量的作用时序是以扇区Ⅰ、Ⅱ正小矢量VPPO,扇区Ⅲ、Ⅳ正小矢量VOPP，扇区Ⅴ、Ⅵ正小矢量VPOP为首发的九段式开关顺序，且九段式排序时从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅涉及逆变器的一相桥臂。

进一步地，上述步骤（5）和步骤（6）中通过PI调节器根据工作时采样的直流侧上，下电容差值作PI调节，产生时间调节因子k1、k2分别对小矢量V1、V2的作用时间进行重新分配，实现对中点电位的控制。

与传统虚拟空间矢量调制算法相比，本发明提出的一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法计算简单、容易实现，增强了系统的实时控制，同时实现了中点电位的平衡。

附图说明

图1本发明提出的三电平NPC型逆变器系统结构图。

图2本发明提出的三电平NPC型逆变器内部拓扑结构图。

图3本发明提出的算法实现的流程图。

图4本发明提出的60°坐标系下虚拟空间电压矢量图。

图5本发明提出的60°坐标系扩大3倍的矢量坐标图。

图6本发明提出的60°坐标系下第Ⅰ扇区虚拟空间电压矢量图。

图7本发明参考电压矢量在Ⅰ扇区C小扇区矢量作用顺序图。

图8本发明算法仿真输出线电压及电容中点电压效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

图1是发明提出的三电平NPC型逆变器系统结构图，实现基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法的系统包括坐标变换模块、扇区判别置换模块、作用时间次序模块、开关状态解码模块、电压偏差采集模块、PI偏差调节模块和三电平逆变器。

图2是本发明提出的三电平NPC型逆变器内部拓扑结构图，NPC型三电平逆变器共有12个IGBT开关管，分别组成三相桥臂，每相桥臂有两个二极管对电压进行钳位，直流侧两个直流电容给出了中性点N。

图3是本发明提出的一种实现基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法的流程图，具体实施步骤如下：

（1）坐标系变换。对于给定的三相静止坐标系由Clark/Park坐标变换公式映射到60°坐标系中，具体变换公式为：

\{\begin{matrix} V_{rg} = \sqrt{2 / 3} (V_{a} - V_{b}) \\ V_{rh} = \sqrt{2 / 3} (V_{b} - V_{c}) \end{matrix}

其中(Vrg,Vrh)为60°坐标系下坐标，(Va,Vb,Vc)为三相静止坐标。

（2）确定参考电压矢量大扇区位置。在60°坐标系下虚拟空间电压矢量图中对参考电压矢量进行大扇区判别，图4所示为本发明提出的60°坐标系下虚拟空间电压矢量图，判别规则为：

扇区

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

V_rg

>0

<0

>0

V_rh

>0

<0

V_rg+V_rh

—

>0

<0

—

<0

>0

（3）将Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ各扇区置换到Ⅰ扇区。具体置换规则如下表，其中(Vrg′,Vrh′)为置换到Ⅰ扇区的坐标。

扇区	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ
						V_rg′	V_rg+V_rh	V_rh	-V_rg	-V_rg-V_rh	-V_rh
V_rh′	-V_rg	-V_rg-V_rh	-V_rh	V_rg	V_rg+V_rh

（4）Ⅰ扇区中的5个小扇区位置判别。将60°坐标系进行3倍扩大，使得所有代数坐标均为整数，扩大3倍的矢量坐标图如图5所示，利用以下三个坐标方程的简单逻辑判断对参考矢量在Ⅰ扇区中的5个小扇区位置判别。坐标方程如下：

\{\begin{matrix} V_{rg} + V_{rh} = 3 \\ V_{rg} + V_{rh} / 2 = 3 \\ V_{rg} / 2 + V_{rh} = 3 \end{matrix}

具体逻辑判断规则为：

扇区	A	B	C	D	E
						V_rg+V_rh	<3	—	>3	—	—
V_rg+V_rh/2	<3	>3	<3	<3	>3
						V_rg/2+V_rh	<3	<3	<3	>3	>3

（5）计算三个基本矢量的作用时间。在确定了参考电压矢量所在扇区后，即选定了作用的三个基本矢量，图6为本发明提出的60°坐标系下第Ⅰ扇区虚拟空间电压矢量图，以图6所示参考矢量所在位置为例，根据伏秒平衡原则具体计算公式为：

\{\begin{matrix} V_{rg} T_{s} = V_{1 g} T_{a} + V_{2 g} T_{b} + V_{7 g}^{'} T_{c} \\ V_{rh} T_{s} = V_{1 h} T_{a} + V_{2 h} T_{b} + V_{7 h}^{'} T_{c} \\ T_{s} = T_{a} + T_{b} + T_{c} \end{matrix}

在60°坐标系下解得其作用时间为：

\{\begin{matrix} T_{a} = T_{s} (2 - V_{rg} - 2 V_{rh}) \\ T_{b} = T_{s} (2 - 2 V_{rg} - V_{rh}) \\ T_{c} = T_{s} - T_{a} - T_{b} \end{matrix}

式中：Ts为PWM采样周期；Ta、Tb、Tc为矢量V1、V2、V7′的作用时间。

（6）基本矢量作用时间分配。图7为本发明参考电压矢量在Ⅰ扇区C小扇区矢量作用顺序图，最近三个基本矢量的作用顺序是以扇区Ⅰ、Ⅱ正小矢量VPPO,扇区Ⅲ、Ⅳ正小矢量VOPP，扇区Ⅴ、Ⅵ正小矢量VPOP为首发的九段式开关顺序。下表中给出了Ⅰ扇区各小扇区中九段开关顺序。

(7)矢量开关状态选择。如图2所示，逆变器每相有4个开关器件，当输出电平Vdc/2时，记作P电平，此时开关器件S1和S2导通，对应S3和S4互补关断；当输出电平0时，记作O电平，此时开关器件S2和S3导通，S4和S1互补关断；当输出电平-Vdc/2时，记作N电平，此时开关器件S3和S4导通，对应S1和S2互补关断。

(8)12路PWM信号输出。如上述矢量开关状态选择，每相桥臂包含两对互补的PWM开关信号，即四路不同的PWM信号，而算法输出开关状态中包含了三相桥臂，所以算法可获得12路PWM信号输出。

如图1、7所示，对电容电压偏差经过PI调节器产生时间调节因子k1、k2分别对小矢量V1、V2的作用时间进行重新分配，参照图7在一个采样周期中均有相对的冗余小矢量作用时间的改变以补偿直流侧上、下电容电压的偏差，实现对中点电位的控制。

图8本发明算法仿真输出线电压及电容中点电压效果图。仿真中直流母线电压560V，直流侧电容C1=C2=2200μF，调制比m为0.86，采样频率为6KHz，系统输出频率为50Hz。可见本发明的基于60°坐标系的NPC型逆变器虚拟空间矢量调制算法输出线电压平滑，中点电压偏差波动小。

Claims

1.一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，其特征在于，算法步骤如下：

（3）将Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ各扇区置换到Ⅰ扇区；

（4）Ⅰ扇区中的5个小扇区位置判别；

（5）计算最近三个基本矢量的作用时间；

（6）基本矢量作用时间分配；

（7）矢量开关状态选择；

（8）12路PWM信号输出。

2.如权利要求1所述的基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，其特征在于：虚拟矢量调制算法是以合成中矢量为前提，即在一个采样周期内中性点电流平均值为零。

3.如权利要求1所述的一种基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，其特征在于：所述步骤（4）中的参考矢量在扩大了3倍的60°坐标系下对V_rg+V_rh＝3、V_rg+V_rh/2＝3、V_rg/2+V_rh＝3这三个方程式逻辑判断完成对小扇区的判别。

4.如权利要求1所述的基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，其特征在于：所述步骤（6）中的最近三个基本矢量的作用时序是以扇区Ⅰ、Ⅱ正小矢量VPPO,扇区Ⅲ、Ⅳ正小矢量VOPP，扇区Ⅴ、Ⅵ正小矢量VPOP为首发的九段式开关顺序，且九段式排序时从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅涉及逆变器的一相桥臂。

5.如权利要求1所述的基于60°坐标系的三电平逆变器虚拟矢量调制算法，其特征在于：所述步骤（5）和步骤（6）中通过PI调节器根据工作时采样的直流侧上，下电容差值作PI调节，产生时间调节因子k1、k2分别对小矢量V1、V2的作用时间进行重新分配，实现对中点电位的控制。