CN104578866A - 中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法，包括以下步骤：(1)利用电压传感器采集直流侧上电容电压u_C1和下电容电压u_C2；(2)给定电压u_d、u_q，通过Park反变换和Clark反变换，将两相电压u_d、u_q从两相旋转坐标系下变换至三相静止坐标系下，得到三相调制电压u_a、u_b、u_c，如下式： (3)将由电压传感器采集的上电容电压u_C1和下电容电压u_C2作为载波调制中载波信号的峰值，u_C1为上载波的高度，u_C2为下载波的高度；(4)将由坐标变换得到的u_x(x＝a，b，c)作为载波调制中的调制信号；(5)将上载波和下载波与调制波相比较，输出三电平逆变器的三相开关序列

Description

中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法

技术领域

本发明涉及三电平逆变器的调制方法，尤其涉及一种中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，三电平拓扑在电力电子中的应用越来越广泛，技术日趋成熟。三电平拓扑结构主要具有如下优点：(1)每个功率管承受的电压为直流侧的一半，更适合大容量高电压的场合；(2)可产生多层阶梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近标准正弦波形，可以有效地降低逆变器输出电压的谐波含量；(3)电磁干扰(EMI)问题大大减轻；(4)效率高，因为三电平逆变器可用较低频率进行开关动作，损耗小、效率提高。但三电平逆变器也有缺点，主要有：功率管数量增多，控制算法复杂，存在中点电位偏移的问题。

三电平控制系统的调制方法与两电平的调制方法有很多类似之处，有载波调制方法和空间矢量调制方法。载波调制方法是采用调制波与载波比较，输出逆变器的三相开关序列；空间矢量调制方法是计算每一个基本空间电压矢量作用时间，再按照规定顺序输出逆变器的三相开关序列。但在中点电位偏移的情况下，按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法就不再适用，若要对中点电位进行控制，会使空间矢量调制算法变得更加复杂，不易实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法，包括以下步骤：

(1)利用电压传感器采集直流侧上电容电压u_C1和下电容电压u_C2；

(2)给定电压u_d、u_q，通过Park反变换和Clark反变换，将两相电压u_d、u_q从两相旋转坐标系下变换至三相静止坐标系下，得到三相调制电压u_a、u_b、u_c，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

(3)将由电压传感器采集的上电容电压u_C1和下电容电压u_C2作为载波调制中载波信号的峰值，u_C1为上载波的高度，u_C2为下载波的高度；

(4)将由坐标变换得到的u_x(x＝a，b，c)作为载波调制中的调制信号；

(5)将上载波和下载波与调制波相比较，输出三电平逆变器的三相开关序列。

在以上步骤中，将上电容电压u_C1和下电容电压u_C2参与调制，不会增加逆变器输出电压的谐波含量，尤其是逆变器输出电压的低频偶次谐波含量。

本发明的有益效果是：

与按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法相比，本发明所述调制方法将由电压传感器采集的上电容电压u_C1和下电容电压u_C2参与调制，可有效减少逆变器输出电压的谐波含量，尤其是抑制逆变器输出电压的低频偶次谐波含量，调制方法简单，易于实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的调制原理图和一个正弦周期内调制形成的PWM序列图。

图2(a)～图2(e)分别为采用按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法的相电压、相电压频谱、线电压、线电压频谱、相电流波形图。

图3(a)～图3(e)分别为本发明实施例的相电压、相电压频谱、线电压、线电压频谱、相电流波形图。

具体实施方式

一种中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法，具体包括以下步骤：

(1)利用电压传感器采集直流侧上电容电压u_C1和下电容电压u_C2；

(2)控制器的外部环节给定电压u_d、u_q，通过Park反变换和Clark反变换，将两相电压u_d、u_q从两相旋转坐标系下变换至三相静止坐标系下，得到三相调制电压u_a、u_b、u_c，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

(3)将由电压传感器采集的上电容电压u_C1和下电容电压u_C2作为载波调制中载波信号的峰值，u_C1为上载波的高度，u_C2为下载波的高度；

(4)将由坐标变换得到的u_x(x＝a，b，c)作为载波调制中的调制信号；

(5)将上载波和下载波与调制波相比较，输出三电平逆变器的三相开关序列。

图1是中点电位偏移情况下的载波调制原理和一个正弦周期内调制形成的PWM序列。图中u_U为上载波，高度为u_C1；u_L为下载波，高度为u_C2。将上载波u_C和下载波u_L与调制波u_x比较，可以得到逆变器的三相开关序列。当u_x＞u_U时，输出1电平；当u_x＜u_U且u_x＞u_L，输出0电平；当u_x＜u_L，输出-1电平。

当u_x＞0时，输出0电平的占空比和1电平的占空比分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=\frac{u_x}{u_{C1}}\\ d_0=1-d_1\end{array}\right.$

当u_x＜0时，输出0电平的占空比和-1电平的占空比分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{-1}=\frac{{-u}_x}{u_{C2}}\\ d_0=1-d_{-1}\end{array}\right.$

从逆变器输出电平的占空比可以看出，即使在中点电位偏移的情况下，逆变器也能输出正确的PWM序列，不会增加逆变器输出电压的谐波含量。

为了验证本实施例所述调制方法的谐波特性，将本实施例所述的调制方法与按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法分别用于三电平逆变器系统中，在中点电位偏移程度相同的情况下，运行三电平逆变器系统，得到以下实验结果：

(1)比较图2(a)、图2(c)和图3(a)、图3(c)可以看出，两种调制方法得到的逆变器输出相电压波形和线电压波形基本相同；

(2)比较图2(b)、图2(d)和图3(b)、图3(d)可以看出，采用按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法时，逆变器输出的相电压和线电压均含有低频偶次谐波，而采用本发明所述调制方法时，逆变器输出的相电压和线电压基本不含有低频偶次谐波，也不会增加逆变器输出电压的谐波含量；

(3)比较图2(e)和图3(e)可以看出，采用按传统方式进行矢量合成的空间矢量调制方法时，逆变器输出电流存在畸变，而本发明所述调制方法的逆变器输出电流无畸变。

显然，在中点电位偏移程度相同的情况下，本实施例的谐波特性要优于按传统方式矢量合成的空间矢量调制方法的谐波特性。本实施例证明电容电压偏移时，本方法可以降低逆变器输出电压的谐波含量，尤其是逆变器输出电压的低频偶次谐波含量。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.中点电位偏移情况下的三电平逆变器载波调制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用电压传感器采集直流侧上电容电压u_C1和下电容电压u_C2；

(2)给定电压u_d、u_q，通过Park反变换和Clark反变换，将两相电压u_d、u_q从两相旋转坐标系下变换至三相静止坐标系下，得到三相调制电压u_a、u_b、u_c，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& -\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

(3)将由电压传感器采集的上电容电压u_C1和下电容电压u_C2作为载波调制中载波信号的峰值，u_C1为上载波的高度，u_C2为下载波的高度；

(4)将由坐标变换得到的u_x(x＝a，b，c)作为载波调制中的调制信号；

(5)将上载波和下载波与调制波相比较，输出三电平逆变器的三相开关序列。