CN104506064A - 一种三电平变流器的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及为一种三电平变流器的空间矢量调制方法。此调制方法采用非正交的60°坐标系进行参考电压矢量的合成及基本矢量作用时间的计算。采用的60°坐标系定义为g-h坐标系，取g轴与α-β坐标系中α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴。在60°坐标系下三电平变流器的所有基本矢量坐标均为整数；因此对于任意的空间参考电压矢量，距离最近的4个基本矢量，可通过其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到；本发明所述的方法与传统的三电平调制算法相比大大减少了计算量，更利于调制算法的硬件实现。

Description

一种三电平变流器的空间矢量调制方法

技术领域

本发明SPWM技术领域，特别一种新颖的三电平变流器调制方法。

背景技术

三电平变换器的PWM控制技术的研究，早期主要是集中在优化PWM技术上，典型的如特定谐波消除法该方法可以在有限开关频率下消除特定频次的谐波，但实时计算困难,通常是用查表方式完成，数据存储量大，随着载波调制技术在两电平变换器上的成熟，载波调制技术也从两电平逐渐移植到三电平上，并发展出多种调制方法，上个世纪九十年代研究的重点转向了空间矢量调制PWM技术，它不仅改善载波调制中电压利用率低的问题，而且降低了输出谐波含量，更具有算法灵活，实时性好等优点，得到了广泛的应用。

三电平SVPWM控制算法，核心问题是空间电压矢量的选择，也就是当等效矢量运行到哪个区间时采用哪几个空间电压矢量来合成的问题。仿照两电平SVPWM的做法，可以以六个大矢量为边界将空间矢量图划分为六个正三角形区域，以大矢量(1-1-1)为起始按照逆时针每60°依次定义为扇区I、II、…、VI。这六个扇区除了其所包含的电压矢量不同外，其形状及组成等均具有一定的对称性，只需研究其中一个扇区，所得到的结论具有一定的普遍性，稍作修改就可推广到其它三角形中，下面所有的研究均以I扇区为例展开。为了减少谐波和开关次数，原则上，参考矢量在哪个扇区，就用哪个扇区的矢量来合成，例如当参考矢量位于I扇区内部时，则采用I扇区的几个空间矢量来合成。至于利用扇区内的哪几个矢量及各矢量的作用时间的计算，则各有各的算法。一般来说，三电平逆变器的SVPWM算法主要包括参考矢量所在扇区号的判断及工作模式判断，开关矢量的选择优化，开关矢量作用时间计算，以及所选矢量作用顺序的确定。

传统的三电平SVPWM控制算法思路清晰、简单易懂，易于接受，但是开关矢量作用时间的计算、作用次序的选取比较复杂，需要预先存储大量的数据表格，甚至可能包含大量的三角函数，DSP处理起来比较复杂且速度慢，同事也没有考虑三电平逆变器直流侧中点电位的平衡问题。本发明中介绍的60°坐标系的SVPWM算法，可省去传统SVPWM算法大量的三角函数运算，相较于传统算法更易于DSP的控制实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种三电平变流器的空间矢量调制方法，用以实现三电平变流器的空间矢量调制。

一种三电平变流器的空间矢量调制方法，采用非正交的60°坐标系进行参考电压矢量的合成及基本矢量作用时间的计算：以60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α-β坐标系中α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴；在60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，对于任意的空间参考电压矢量，距离最近的4个基本矢量由其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到；得到基本矢量后根据伏秒平衡原理计算参考矢量作用时间，采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列。

设参考电压矢量U_ref在α-β坐标系中的坐标为(U_refα，U_refβ)，在g-h坐标系下的坐标为(U_rg，U_rh)，两坐标系间的变换为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rg}}\\ U_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{1}{\sqrt{3}}\\ 0& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ref\α}}\\ U_{\mathrm{ref\β}}\end{array}\right].$

参考电压矢量U_ref对应的4个基本矢量为：

式中： U _rg分别为U_rg向上和向下取整， U _rh分别为U_rh向上和向下取整；U_BL、U_LB、U_BB、U_LL分别为U_ref在60°坐标系中坐标向上取整和向下取整得到的基本矢量；U_BL、U_LB为参考矢量U_ref最近的2个基本矢量；根据表达式U_rg+U_rh-(U_BLg-U_BLh)的符号，确定第3个距离参考矢量U_ref最近的基本矢量：当表达式的值大于0时，U_BB为第3个最近的基本矢量，当表达式的值小于0时，U_LL为第3个最近的基本矢量。

根据伏秒平衡原理列出

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}}\·T_s=d_1\·U_1+d_2\·U_2+d_3\·U_3\\ d_1+d_2+d_3=T_s\end{array}\right.$

式中：U₁＝U_BL；U₂＝U_LB；U₃＝U_BB或U_LL；T_s为PWM周期；d₁、d₂、d₃为电压U₁、U₂、U₃的作用时间；

当U₃＝U_BB时，将方程组在g-h坐标下展开，解得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBh}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBg}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{BB}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right.$

当U₃＝U_LL时，可得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLg}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLh}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{LL}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right..$

采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列，保证两个相邻的开关状态只有两个互补的开关信号变化，且一个开关周期中开关状态对称，首尾保持一致避免了不同扇区间切换或不同子区域切换时相邻两个电压矢量发生突变。

本发明采用非正交的60°坐标系进行参考电压矢量的合成及基本矢量作用时间的计算。采用的60°坐标系定义为g-h坐标系，取g轴与α-β坐标系中α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴。在60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，故对于任意的空间参考电压矢量U_ref，距离最近的4个基本矢量，可由其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到，进而根据伏秒平衡原理计算参考矢量作用时间；采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列，可以保证两个相邻的开关状态只有两个互补的开关信号变化，且一个开关周期中开关状态对称，首尾保持一致避免了不同扇区间切换或不同子区域切换时相邻两个电压矢量发生突变。

附图说明

图1是本发明60°坐标系下三电平变流器的空间矢量图；

图2是本发明60°坐标系下三电平变流器的参考空间矢量示意图；

图3是本发明60°坐标系下三电平变流器的大扇区分布示意图；

图4是本发明60°坐标系下三电平变流器的以第一个大扇区为例的小区域分布示意图；

图5是开关序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种新颖的三电平海上风电变流器调制方法：采用非正交的60°坐标系进行参考电压矢量的合成及基本矢量作用时间的计算。采用的60°坐标系定义为g-h坐标系，取g轴与α-β坐标系中α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴。在60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，故对于任意的空间参考电压矢量U_ref，距离最近的4个基本矢量，可由其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到，根据伏秒平衡原理计算参考矢量作用时间，采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列。

图1所示为本发明采用60°坐标系的参考电压矢量图，在60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，因此对于任意的空间电压参考矢量，距离其最近的4个基本矢量，可以通过其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到。

图2所示为本发明在g-h坐标系下电压参考矢量U_ref；设参考电压矢量U_ref在α-β坐标系中的坐标为(U_refα，U_refβ)，在g-h坐标系下的坐标为(U_rg，U_rh)，可知，两坐标系间的变换公示为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rg}}\\ U_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{1}{\sqrt{3}}\\ 0& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ref\α}}\\ U_{\mathrm{ref\β}}\end{array}\right].$

因60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，故对于任意的空间参考电压矢量U_ref，距离最近的4个基本矢量，可由其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到。在图4中，参考电压矢量U_ref对应的4个基本矢量为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{BL}}={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{rg}}& U_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]}^T\\ U_{\mathrm{LB}}={\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{U}}_{\mathrm{rg}}& {\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]}^T\\ U_{\mathrm{BB}}={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{rg}}& {\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]}^T\\ U_{\mathrm{LL}}={\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{U}}_{\mathrm{rg}}& {\underset{\‾}{U}}_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]}^T\end{array}\right.$

式中： U _rg分别为U_rg向上和向下取整，其它同理；U_BL、U_LB、U_BB、U_LL分别为U_ref在60°坐标系中坐标向上取整和向下取整得到的基本矢量。

U_BL、U_LB必为参考矢量U_ref最近的2个基本矢量，第3个最近的矢量与参考电压矢量U_ref位于对角线U_BL—U_LB(矢量U_BL与U_LB端点的连线)的同一侧，该对角线在60°坐标系下的方程为：

g+h＝U_BLg+U_BLh

式中U_BLg、U_BLh分别为U_BL在g、h轴上的投影。

根据表达式U_rg+U_rh-(U_BLg-U_BLh)的符号，可确定第3个距离参考矢量U_ref最近的基本矢量。当表达式的值大于0时，U_BB为第3个最近的基本矢量，当表达式的值小于0时，U_LL为第3个最近的基本矢量。

确定了参考电压矢量的3个最近的基本矢量后，根据伏秒平衡原理可列出

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}}\·T_s=d_1\·U_1+d_2\·U_2+d_3\·U_3\\ d_1+d_2+d_3=T_s\end{array}\right.$

式中：U₁＝U_BL；U₂＝U_LB；U₃＝U_BB或U_LL；T_s为PWM周期；d₁、d₂、d₃为电压U₁、U₂、U₃的作用时间。所有开关状态的坐标均为整数，方程组的解可基于参考电压矢量的小数部分获得。

当U₃＝U_BB时，将方程组在g-h坐标下展开，解得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBh}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBg}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{BB}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right.$

同理，当U₃＝U_LL时，可得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLg}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLh}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{LL}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right.$

在得到了每个矢量的作用时间之后，需要确定矢量序列，并根据序列的选择分配开关管的开关时间。空间矢量的发送顺序应遵循如下准则：

a.两个相邻的开关状态只有两个互补的开关信号变化；

b.一个开关周期中，开关状态要对称；

c.为避免不同扇区间切换或不同子区域切换时，相邻两个电压矢量发生突

变，首尾应保持一致；

确定矢量序列之前需要确认参考矢量所在的扇区，图3所示为本发明的大扇区划分示意图，得到大扇区的判断标准为：

大扇区号	Urg	Urh	Urg+Urh
				1	＞0	≥0
2	≤0	＞0	＞0
				3	<0	＞0	≤0
4	<0	≤0
				5	≥0	<0	<0
6	＞0	<0	≥0

图4所示为本发明的以第一大扇区划分小区域示例；得到小区域判断标准为：

在获取到矢量所在区域的扇区号和小区域号后，采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列，遵循此空间矢量的发送顺序，得到开关序列为：

Claims (5)

1.一种三电平变流器的空间矢量调制方法，其特征在于，采用非正交的60°坐标系进行参考电压矢量的合成及基本矢量作用时间的计算：以60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α-β坐标系中α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴；在60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，对于任意的空间参考电压矢量，距离最近的4个基本矢量由其在60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到；得到基本矢量后根据伏秒平衡原理计算参考矢量作用时间，采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列。

2.根据权利要求1所述的一种三电平变流器的空间矢量调制方法，其特征在于，设参考电压矢量U_ref在α-β坐标系中的坐标为(U_refα，U_refβ)，在g-h坐标系下的坐标为(U_rg，U_rh)，两坐标系间的变换为： $\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rg}}\\ U_{\mathrm{rh}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{1}{\sqrt{3}}\\ 0& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ref\α}}\\ U_{\mathrm{ref\β}}\end{array}\right].$

3.根据权利要求2所述的一种三电平变流器的空间矢量调制方法，其特征在于，参考电压矢量U_ref对应的4个基本矢量为：

式中： U _rg分别为U_rg向上和向下取整， U _rh分别为U_rh向上和向下取整；U_BL、U_LB、U_BB、U_LL分别为U_ref在60°坐标系中坐标向上取整和向下取整得到的基本矢量；U_BL、U_LB为参考矢量U_ref最近的2个基本矢量；根据表达式U_rg+U_rh-(U_BLg-U_BLh)的符号，确定第3个距离参考矢量U_ref最近的基本矢量：当表达式的值大于0时，U_BB为第3个最近的基本矢量，当表达式的值小于0时，U_LL为第3个最近的基本矢量。

4.根据权利要求3所述的一种三电平变流器的空间矢量调制方法，其特征在于，根据伏秒平衡原理列出

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{ref}}\·T_s=d_1\·U_1+d_2\·U_2+d_3\·U_3\\ d_1+d_2+d_3=T_s\end{array}\right.$

式中：U₁＝U_BL；U₂＝U_LB；U₃＝U_BB或U_LL；T_s为PWM周期；d₁、d₂、d₃为电压U₁、U₂、U₃的作用时间；

当U₃＝U_BB时，将方程组在g-h坐标下展开，解得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBh}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{BBg}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{BB}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right.$

当U₃＝U_LL时，可得

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=d_{\mathrm{BL}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLg}})\·T_s\\ d_2=d_{\mathrm{LB}}=-(U_{\mathrm{rg}}-U_{\mathrm{LLh}})\·T_s\\ d_3=d_{\mathrm{LL}}=T_s-d_1-d_2\end{array}\right..$

5.根据权利要求4所述的一种三电平变流器的空间矢量调制方法，其特征在于，采用每个矢量序列以负小矢量开头，正小矢量居中的7段式空间矢量序列，保证两个相邻的开关状态只有两个互补的开关信号变化，且一个开关周期中开关状态对称，首尾保持一致避免了不同扇区间切换或不同子区域切换时相邻两个电压矢量发生突变。