CN104253556A - 一种五电平逆变器七段式svpwm调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其主要步骤为：步骤一：判断大扇区；步骤二：通过坐标系变换实现扇区归一化；步骤三：确定参考电压矢量所在的小扇区及类型；步骤四：计算三个基本电压矢量的作用时间；步骤五：选择三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态；步骤六、根据选择的开关状态组成七段式开关序列；步骤七：把开关序列生成的PWM脉冲用于驱动五电平逆变器。本发明可以快速确定参考电压矢量的准确位置，基本电压矢量作用时间计算公式统一、简单；本发明设计的七段式开关序列降低了谐波畸变，减小了共模电压，使输出交流电压平衡和对称；本发明便于推广应用到更高电平。
Description
技术领域
本发明涉及一种五电平电力电子逆变器的调制技术，尤其涉及一种五电平逆变器七段式SVPWM控制方法，属于电力电子与电力传动领域。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，逆变器向着高压大功率方向发展。多电平逆变器由于输出电压波形正弦化，谐波含量低，开关损耗小等优点受到了广泛的关注。
电压空间矢量控制技术有着很高的电压利用率，是多电平逆变器应用最广泛的调制方法。但其随着电平数的增加，算法更加复杂，计算量更大，有较多的冗余开关状态。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种计算方法简单有效且适用性强的五电平逆变器七段式SVPWM调制方法。
本发明的技术解决方案是：一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，该方法包括步骤如下：
（1）、判断输入参考电压矢量所在的大扇区；
（2）、通过坐标系变换实现扇区归一化；
（3）、确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型；
（4）、计算三个基本电压矢量的作用时间；
（5）、选择三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态
（6）、根据选择的开关状态组成七段式开关序列；
（7）、将开关序列生成的PWM脉冲用于驱动五电平逆变器。
所述步骤（1）输入参考电压矢量所在的大扇区判断方法如下表所示：
所述步骤（2）通过坐标系变换实现扇区归一化，具体是指根据大扇区将参考电压矢量从直角坐标系变换到旋转的60°坐标系，实现扇区归一化，其变换公式为：
其中表示变换矩阵，表示大扇区号。
所述步骤(3)确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型的方法为：
取和的整数部分，
对于五电平逆变器，共有4种运行方式：欠调制的二电平、三电平和四电平及正常的五电平，相应的取值为0，1，2，3；其计算公式为：
确定小扇区的序号：
确定小扇区的类型：当为奇数，则小扇区的类型；否则。
所述步骤(4) 三个基本电压矢量取自参考电压矢量所在小扇区的三个顶点，三个基本电压矢量的作用时间计算公式为：
式中，即和的小数部分。
所述步骤(5)三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态的选择方法为：基本电压矢量的开关状态的个数为奇数，选择处于最中间的开关状态；基本电压矢量的开关状态的个数为偶数，选择处于最中间的两个开关状态。
所述步骤（6）组成七段式开关序列方法为：当小扇区的三个顶点总共有四个状态时，直接组成七段式；当小扇区的三个顶点总共有五个状态时，有两个顶点各自含有两个开关状态，参考电压矢量靠近的顶点选择两个开关状态。
与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：本发明可以快速确定参考电压矢量的准确位置，并且通过根据大扇区将参考电压矢量从直角坐标系变换到旋转的60°坐标系，有效的简化了扇区归一化及小扇区的判断方法，同时基本电压矢量作用时间计算公式统一、简单；本发明所设计的七段式开关序列降低了谐波畸变，减小了共模电压，使输出交流电压平衡和对称；本发明便于推广应用到更高电平。
附图说明
图1是二极管钳位型五电平逆变器主电路拓扑结构图；
图2是本发明调制方法的控制原理框图；
图3是第一大扇区内小扇区的序号和类型；
图4是五电平空间矢量图的开关状态图；
图5是五电平空间矢量图选择产生共模电压小的开关状态图；
图6是第一大扇区空间矢量图；
图7是调制度为0.9时，逆变器输出的a相电流ia和线电压Uab仿真波形；
图8是调制度为0.4时，逆变器输出的a相电流ia和线电压Uab仿真波形。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1、图2所示，图1是二极管钳位型五电平逆变器主电路拓扑结构图，图2是本发明调制方法的控制原理框图。
本实施例的五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其步骤包括：（1）判断输入参考电压矢量所在的大扇区；（2）通过坐标系变换实现扇区归一化；（3）确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型；（4）计算三个基本电压矢量的作用时间；（5）选择三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态；（6）根据选择的开关状态组成七段式开关序列；（7）将开关序列生成的PWM脉冲用于驱动五电平逆变器。
表示大扇区号，大扇区判断方法如下表所示：
根据大扇区将参考电压矢量从直角坐标系变换到旋转的60°坐标系，实现扇区归一化，变换公式为：
各大扇区的变换矩阵为：
确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型。以第一大扇区为例，如图3所示，确定小扇区的序号和类型方法为：
取和的整数部分：
对于五电平逆变器，共有4种运行方式：欠调制的二电平、三电平和四电平及正常的五电平，相应的取值为0，1，2，3；其计算公式为：
确定小扇区的序号：
确定小扇区的类型：如果为奇数，则小扇区的类型；否则。
时，小扇区序号有1，2，4，5，7，9，10，12，14，16；
时，小扇区序号有3，6，8，11，13，15。
取和的小数部分，，选择参考电压矢量所在小扇区的三个顶点作为三个基本电压矢量，计算出三个基本电压矢量的作用时间为：
各小扇区三个顶点的基本电压矢量作用时间与之间的对应关系如下表所示：
五电平空间矢量图的开关状态图，如图4所示。选择三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态，其具体选择方法为：基本电压矢量的开关状态的个数为奇数，选择处于最中间的开关状态；基本电压矢量的开关状态的个数为偶数，选择处于最中间的两个开关状态。选择结果如图5所示。
结合图3和图6，当小扇区的三个顶点总共有四个状态时，则直接组成七段式。如小扇区的序号为8，则七段式开关序列为：
320-321-331-431-331-321-320
当小扇区的三个顶点总共有五个状态时，有两个顶点各自含有两个开关状态，参考电压矢量靠近的顶点选择两个开关状态，另外两个顶点各取一个状态组成七段式。
如小扇区的序号为7，根据伏秒平衡原理，参考电压矢量的落点可以依照基本电压矢量的作用时间判断。
当，对于两个各自含有两个开关状态的顶点（421,310）和（431,320），参考电压矢量的落点要靠近点（431,320），则顶点（431,320）选择两个开关状态，七段式开关序列为：
320-321-421-431-421-321-320
当，参考电压矢量的落点要靠近点（421,310），则顶点（421,310）选择两个开关状态，七段式开关序列为：
310-320-321-421-321-320-310
此处设计的七段式开关序列，降低了谐波畸变，减小了共模电压，使输出交流电压平衡和对称。
在Matlab/Simulink仿真环境下，对所发明的五电平逆变器七段式SVPWM调制方法进行仿真验证。仿真参数为：直流侧电压，三相对称阻感负载，开关频率f=5kHz。图7和图8分别是调制度为0.9和0.4时，五电平逆变器输出的a相电流ia和线电压 Uab仿真波形。仿真结果证明了该五电平逆变器七段式SVPWM调制方法的正确性和有效性。
Claims (7)
1.一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，该方法的实现步骤是：
（1）、判断输入参考电压矢量所在的大扇区；
（2）、通过坐标系变换实现扇区归一化；
（3）、确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型；
（4）、计算三个基本电压矢量的作用时间；
（5）、选择三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态；
（6）、根据选择的开关状态组成七段式开关序列；
（7）、将开关序列生成的PWM脉冲用于驱动五电平逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤（1）大扇区判断方法如下表所示：
。
3.根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤（2）通过坐标系变换实现扇区归一化，具体是指根据大扇区将参考电压矢量从直角坐标系变换到旋转的60°坐标系，实现扇区归一化，其变换公式为：
其中表示变换矩阵，表示大扇区号。
4. 根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤(3)确定参考电压矢量所在的小扇区，并判断小扇区的类型的方法为：
取和的整数部分，
对于五电平逆变器，共有4种运行方式：欠调制的二电平、三电平和四电平及正常的五电平，相应的取值为0，1，2，3；其计算公式为：
确定小扇区的序号：
确定小扇区的类型：当为奇数，则小扇区的类型；否则。
5. 根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤(4) 三个基本电压矢量取自参考电压矢量所在小扇区的三个顶点，三个基本电压矢量的作用时间计算公式为：
式中，即和的小数部分。
6.根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤(5)三个基本电压矢量产生共模电压小的开关状态的选择方法为：基本电压矢量的开关状态的个数为奇数，选择处于最中间的开关状态；基本电压矢量的开关状态的个数为偶数，选择处于最中间的两个开关状态。
7.根据权利要求1所述的一种五电平逆变器七段式SVPWM调制方法，其特征在于，所述步骤（6）组成七段式开关序列方法为：当小扇区的三个顶点总共有四个状态时，直接组成七段式；当小扇区的三个顶点总共有五个状态时，有两个顶点各自含有两个开关状态，参考电压矢量靠近的顶点选择两个开关状态。
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