CN104753370A - 一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，包括以下步骤：(1)定义单相三电平整流器模块的开关状态矢量；(2)结合移相载波控制策略，利用带反向矢量的单相三电平空间矢量调制方法生成PWM波形；(3)使用均压算法对上述PWM波形进行更新；(4)将该PWM信号作为功率器件的驱动信号。本发明则利用正负小矢量对不同电容的作用，选择冗余正负小矢量对单相三电平整流器的上下电容进行均压。同时，矢量切换时必须满足一定的规则，从而维持系统的开关频率不变。增大了级联整流器的均压范围和均压能力，能够实现当某一个负载出现空载情况，整个系统也可以保持电压平衡。

Description

一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种单相三电平多模块级联整流器空间矢量调制方法。

背景技术

对于级联型整流器，常见的是由H桥结构组成的，其控制目标是各级联模块的直流电压均衡和交流侧输入电压电流工作在单位功率因数。在负载不平衡的情况下，直流侧电容电压可能会出现不平衡状况，这将会导致作用在开关器件和电容的电压超过其耐压值。因此，级联整流器的直流侧电容的均压控制是非常必要的。

针对级联整流器的均压控制，当前的研究主要有以下几类：

1、使用PI调节器电压平衡控制方法。将各级整流模块的直流电压与给定值做差，经PI调节器后作为各模块的功率器件的信号。

2、基于非线性控制的电压平衡控制算法，例如无源性控制算法。

3、采用滞环比较器实现直流侧的均压控制。

类似的，二极管钳位型整流模块同样可以构成级联型整流器。但其面临着比H桥结构更为复杂的直流侧均压问题：各整流模块内部直流侧上下电容的电压均衡与各整流模块之间的直流侧电容电压的均衡。如果直流侧电容均压不成功，可能会严重影响输出电压的质量，并对功率器件造成损害。在单个模块中，大矢量和零矢量不会导致直流侧电容电压不平衡，但小矢量将引起直流侧电容电压不均衡，并且成对小矢量对电容电压的作用相反。同时，对电容作用效果不同的矢量可以称为冗余矢量，可以通过将其分配到同一个开关周期内，并希望通过对冗余状态作用时间不相等时，中点电位状态的计算来控制电压平衡。在模块之间，通过载波相位的不同保证所有级联模块IGBT开关状态轮流作用相等时间并加入均压算法，使得各模块直流侧电容电压保持均衡。

发明内容

技术问题：为了克服现有多模块级联整流器中的均压问题，本发明提供了一种不会影响控制效果、在完成模块内部与模块之间均压功能的同时不会导致开关频率升高的单相三电平空间矢量调制方法。

技术方案：本发明所涉及的一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，包括以下步骤：

(1)将一个单相三电平整流器模块的A相桥臂和B相桥臂的九种开关状态所产生电压矢量分别表示为V₁…V₉。可以将其分为五类，V₁，V₅与V₉为零矢量，V₂与V₃为正小矢量，V₆与V₇为负小矢量，V₄与V₈为正大矢量与负大矢量。在两个电容电压相等时，同类矢量参与合成矢量等效，互为冗余矢量；

(2)对整流器控制系统输出的调制波信号运用移相载波控制策略，根据带反向矢量的单相三电平空间矢量调制方法生成PWM波形，从而形成该级联整流器的PWM波形；

(3)对各整流模块的直流电压的大小进行排序，并根据排序结果为各模块选择合适的步骤(2)中所生成的PWM信号，形成新的PWM波形。

(4)将步骤(3)中生成的PWM波形作为功率器件的驱动信号。

本发明用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，能够有效提高级联整流器的均压能力，并可以通过理论计算找到该调制方法的均压范围。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所提供的一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法。在单个三电平整流模块中，现有电容均压控制方法的基本思想是检测上下电容的电压差，并根据当前整流器系统的工作状态来重新分配导致电容电压不平衡的开关状态的作用时间，改变上下电容的充放电过程从而实现上下电容均压。本发明则利用正负小矢量对不同电容的作用，选择冗余正负小矢量对单相三电平整流器的上下电容进行均压。同时，矢量切换时必须满足一定的规则，从而维持系统的开关频率不变。

本发明方法增大了级联整流器的均压范围和均压能力。使用移相载波调制策略时，在一个载波周期内，各载波将高低电平作用时间分为n份并分配给每个模块轮流作用。当出现负载不平衡现象时，将作用于输出直流电压较高模块的PWM波的高电平作用时间分配给输出直流电压较低模块(若电流反向，则将作用于直流电压较高模块的PWM波的低电平作用时间分配给输出直流电压较低模块)；同时，当某个模块输出直流电压升高，则均压算法将为该模块交换低电平矢量，直到电压恢复正常为止。交换矢量后，由于直流输出较高模块长期占用低电平，直流输出较低模块长期占用高电平，因此将导致模块间矢量切换次数减少。通过上述均压算法，本发明能够实现当某一个负载出现空载情况，整个系统也可以保持电压平衡。

附图说明

图1为本发明所应用的单相三电平级联整流器

图2为单相三电平脉冲整流器开关等效电路图

图3为级联整流器调制策略的系统框图

图4为级联整流器的均压策略控制框图

图5为级联整流器均压时的电压相量图

图6为带反向矢量的电压空间矢量调制图

图7为带反向矢量的电压空间矢量调制的均压范围

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。本发明所提供的一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，与现有的三电平调制方法重新分配开关状态的作用时间不同，本发明则利用模块内部反向矢量对不同电容的充放电作用，选择冗余矢量对三电平整流模块的上下电容进行均压，再通过均压算法完成各整流模块之间的电容均压。

相对于传统的调整各开关状态的作用时间来解决各模块电容均压问题，本发明利用反向矢量对不同电容的充放电作用，选择冗余矢量对各整流模块的上下电容进行均压，再通过均压算法完成各模块之间的电容均压。通过上述调制方法，可以在保持系统开关频率不变的同时，增大单相三电平级联整流器的均压能力和均压范围。该方法主要包括以下步骤：

(1)如图2所示，把一个单相三电平整流器的A相桥臂和B相桥臂的九种开关状态所产生电压矢量分别表示为V₁…V₉。可以将其分为五类，V₁，V₅与V₉为零矢量，V₂与V₃为正小矢量，V₆与V₇为负小矢量，V₄与V₈为正大矢量与负大矢量。在两个电容电压相等时，同类矢量参与合成矢量等效，互为冗余矢量。如表1所示。

表1

当整流器输入电流为负时，充电状态将成为放电状态，放电状态将变成充电状态。

(2)对整流器控制系统输出的调制波信号运用移相载波控制策略，根据带反向矢量的单相三电平空间矢量调制方法生成PWM波形，从而形成该级联整流器的PWM波形。

如图3所示，利用瞬态电流控制，可生成变换器端口电压指令U_n表达式如式(1)所示。根据整流器电压给定信号为每个模块电压期望之和，与给定信号作差经过PI控制器后得到指令电流I_s ^*作为控制外环，其中K_p为比例系数。为保证网侧电流功率因数为单位1，在U_n指令当中加入电流有功指令与网侧电流之差ΔI作为控制内环。

$\left\{\begin{array}{c}{I_s}^{*}=K_p(n\·{V_{\mathrm{dc}}}^{*}-\mathrm{\Σ}{v}_{\mathrm{dcn}})+1/T_i\∫(n\·{V_{\mathrm{dc}}}^{*}-\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{dcn}})\mathrm{dt}\\ U_n\left(t\right)=u_s\left(t\right)-\mathrm{\ω}{{\mathrm{LI}}_s}^{*}\·\cos \mathrm{\ωt}-\mathrm{\ΔI}\\ \mathrm{\ΔI}=K_p({I_s}^{*}\·\sin \mathrm{\ωt}-i_s\left(t\right))\end{array}\right.---\left(\mathrm{dt}\right)$

如图6所示，在生成调制波M_n之后，各三电平整流器模块将通过带反向矢量的空间矢量调制方法计算出开关状态作用时间以及其所对应的开关状态。矢量合成过程如下：

在II与III区内通过正小矢量与负小矢量合成参考矢量，在I区内通过正大矢量与负小矢量合成，在第IV区内通过负大矢量与正小矢量合成。

合成矢量再通过移相载波调制策略生成级联整流器PWM信号。

(3)对各整流模块的直流电压的大小进行排序，并根据排序结果为各模块选择合适的步骤(2)中所生成的PWM信号，生成新的PWM波形。

将由移相载波空间矢量调制策略生成的信号送入均压控制器中。该控制器将根据当前各三电平整流器模块直流电压大小进行排序，并根据排序为各模块选择合适的PWM信号，如表2所示。对表2说明如下，每个模块在一个PWM周期内存在两种PWM电平，表2将合成电压较高电平的PWM输出定义为1，合成电压较低电平的PWM输出定义为0。对整流器控制系统输出的调制波信号运用移相载波控制策略，根据带反向矢量的单相三电平空间矢量调制方法生成每个模块的PWM波形。均压模块将会把这些PWM输出信号重新分配，当整流器输出大于0时，直流电压较高模块将会被尽可能的分配到0信号，直流电压较高模块将会被尽可能的分配到1信号；当整流器输出小于0时，直流电压较高模块将会被尽可能的分配到1信号，直流电压较高模块将会被尽可能的分配到0信号。特别地，当调制波处于波峰，波谷以及0附近时，级联整流器PWM输出信号将出现同时为1或者0的时刻，此时均压策略将会失效。因此，该控制策略也存在限制。

表2均压策略

注：V_dc1>V_dc2>V_dc3

(4)将步骤(3)中生成的PWM波形作为功率器件的驱动信号。

本发明单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，能够有效提高级联整流器的均压能力，并可以通过理论计算找到该调制方法的均压范围。

在级联整流器各模块电压均等时，其电压向量关系图如图4。由于整流器正常工作时网侧功率因素为1，因此各模块端口电压可按网侧电压方向分解为有功电压分量与无功电压分量，其表达式如式(2)与式(3)所示，其中U_{NA_n}与U_{NP_n}分别为各模块端口电压的有功分量与无功分量，V_dc为各模块的直流侧电压，Y_n为各模块负载的导纳，I_s为交流侧电流，n为整流模块数目，ω为交流侧频率，L为交流侧电感。若各模块负载不同情况下输出直流电压依然保持均等，各模块端口电压将会均分无功分量；由于每个模块输入电流相同，因此模块电压有功分量与负载导纳成正比。

$U_{\mathrm{NA}\_n}=V_{\mathrm{dcn}}^2\·Y_n/I_s---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{NP}\_n}=\frac{1}{n}\mathrm{\ω}{\mathrm{LI}}_s---\left(3\right)$

当级联各模块负载不均衡时，各模块端口的电压有功以及无功分量都将发生改变。在载波移相调制策略中，级联整流器各模块调制波相同，根据公式(4)，各模块负载不均衡将会导致其输出电压出现漂移，U_Nn为各模块端口电压，m_n为调制度。

$\sqrt{2}{U}_{\mathrm{Nn}}=m_n\·V_{\mathrm{dcn}}---\left(4\right)$

在PWM调制控制策略下，每个载波周期都需要满足伏秒平衡原理。那么，在一个调制波周期内亦同样成立。在系统稳定时，调制波周期以及整流器电平具有对称性，因此可以得到式(5)，并可以通过式(5)得到各模块在矢量交换后所得到的等效调制度。

$\left\{\begin{array}{c}4\·{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}(V_1\left(t\right)\·m_n+V_2\left(t\right)\·(1-m_n))\mathrm{dt}=4\·{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{V}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}\\ T_1\left(t\right)+T_2\left(t\right)=T_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

结合式(2)-(4)即可得到各模块调制度与输出直流电压以及导纳之间的关系。利用上述计算可以在假设某一模块得到该模块可得最多低电平矢量后的等效调制度，并通过与负载平衡时模块等效调制度比较得到均压范围，在此定义负载不平衡度如式(6)，其中Δy'为负载不平衡度，其大小为不均衡模块导纳与各模块导纳的平均值之比。若不能均压则Δy'为1。若Δy'为零则该模块可做到空载。

${\mathrm{\Δy}}^{\′}=\frac{n{Y}_i}{\mathrm{\ΣY}}---\left(6\right)$

if(0.5<m<(n-1)/n)

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{result}0\_\mathrm{neg}=0.5{\&Integral;}_{(\arcsin ((n-1)/2\mathrm{nm})/2\mathrm{\&pi;\&omega;}}^{\arcsin (1/\left(2m\right))/2\mathrm{\&pi;\&omega;}}n(2m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&omega;t}\right)-(n-1)/n)\mathrm{dt}\\ \mathrm{result}1\_\mathrm{neg}=0.5(2/\mathrm{\&pi;}-\arcsin (1/\left(2m\right))/2\mathrm{\&pi;\&omega;}\end{array}\right.$

$Y_{\&prime;}^{\mathrm{\&Delta;}}=\mathrm{\&Sigma;result}0\_\mathrm{neg}/{\&Integral;}_0^{(1/4\mathrm{\&omega;})}m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&piv;t}\right)\mathrm{dt}$

if((n-1)/n<m<1)

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{result}0\_{\mathrm{neg}}^{\&prime;}=0.5{\&Integral;}_{(\arcsin ((n-1)/2\mathrm{nm})/2\mathrm{\&pi;\&omega;}}^{\arcsin (1/\left(2m\right))/2\mathrm{\&pi;\&omega;}}n(2m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&omega;t}\right)-(n-1)/n)\mathrm{dt}\\ \mathrm{result}1\_{\mathrm{neg}}^{\&prime;}=0.5(\arcsin ((n-1)/\left(2\mathrm{nm}\right)+1/2)-\arcsin (1/\left(2m\right)))/2\mathrm{\&pi;\&omega;}\\ \mathrm{result}2\_{\mathrm{neg}}^{\&prime;}={\&Integral;}_{\arcsin ((n-1)/\left(2\mathrm{nm}\right)+1/2}^{(1/4\mathrm{\&omega;})}n(2m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&omega;t}\right)-(n-1)/n-1)\mathrm{dt}\\ \mathrm{result}3\_{\mathrm{neg}}^{\&prime;}={\&Integral;}_{\arcsin ((n-1)/\left(2\mathrm{nm}\right)+1/2}^{(1/4\mathrm{\&omega;})}n(2-2m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&omega;t}\right))\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$Y_{\&prime;}^{\mathrm{\&Delta;}}=\mathrm{\&Sigma;result}\_\mathrm{ne}{g}^{\&prime;}{/\&Integral;}_0^{1/4\mathrm{\&omega;}}m\&CenterDot;\sin \left(2\mathrm{\&pi;\&omega;t}\right)\mathrm{dt}$

由如图5所示带反向矢量的电压空间矢量调制方案，根据式(7)做出的带反向矢量的调制策略均压范围，如图6所示。当均压范围小于等于0时表示在该种条件下某一个负载即使空载整个系统也可以保持电压平衡，小于0部分理论可作为电流源。由图6可以得出，该算法在加入反向矢量后，当级联模块数大于2时，在多数情况下调制策略的均压范围可以允许不平衡负载为空载。因此，相比于传统的用于级联整流器的调制策略，带反向矢量的调制策略均压能力最强。

Claims (1)

1.一种用于单相三电平级联整流器的具有均压功能的带反向矢量的空间矢量调制方法，用以实现级联整流器的直流侧电容的均压控制，其特征在于，包括以下步骤：

(1)一个单相三电平整流器模块的A相桥臂和B相桥臂的九种开关状态所产生电压矢量分别表示为V₁…V₉；将其分为五类，V₁，V₅与V₉为零矢量，V₂与V₃为正小矢量，V₆与V₇为负小矢量，V₄与V₈为正大矢量与负大矢量；在两个电容电压相等时，同类矢量参与合成矢量等效，互为冗余矢量；

(2)对整流器控制系统输出的调制波信号运用移相载波控制策略，根据带反向矢量的单相三电平空间矢量调制方法合成参考矢量，过程如下：

在II与III区内通过正小矢量与负小矢量合成参考矢量，在I区内通过正大矢量与负小矢量合成，在第IV区内通过负大矢量与正小矢量合成；

最后形成该级联整流器的PWM波形；

(3)对各整流模块的直流电压的大小进行排序，并根据排序结果为各模块选择对应的PWM电平序列，从而形成新的PWM波形；

(4)将步骤(3)中生成的PWM波形作为功率器件的驱动信号。