CN104753376A - 一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，采用120°平面坐标系，通过坐标变换关系、三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性以及三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系式，能够直接计算出三相三电平逆变换器电路的开关状态组合的有效时间，从而用于控制开关器件的动作。本发明提供的调制方法的计算量相对于现有技术大大减小、算法结构简单、运算效率较传统三电平SVPWM有很大提高，并能够有效避免现有技术的算法复杂引起的错误率。

Description

一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，具体涉及一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法。

背景技术

多电平逆变器适合大容量、高压的场合，得到了越来越多的应用。在多电平逆变器的多种控制策略中，空间矢量调制算法具有调制比大、能够优化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为人们关注的热点。

由于三电平逆变器与传统两电平逆变器具有：更适应大功率、高电压的场合；降低了输出波形的谐波含量；降低了开关损耗等优点，因此其控制手段也成为了一个热门课题。各种PWM方法中，由于SVPWM以瞬时空间矢量为控制量，最适合用于高动态性能的控制方法如矢量控制、直接转矩控制等。

传统的SVPWM(space vector pulse width modulation三相逆变器不同开关模式)方法将逆变器的基本电压矢量组合成空间矢量，基本电压矢量之间的面积划分为不同的扇区，通过计算参考电压矢量所在扇区的基本矢量获得最终的逆变器开关器件的驱动波形。在两电平的逆变器中，SVPWM可以分为6个扇区，8个基本电压矢量。然而在三电平逆变器中，SVPWM的电压矢量为27种，扇区划分不仅包括6个大扇区，每个扇区还将划分为4个小扇区。这样的划分造成实时控制计算量的增加和公式复杂且难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，采用120°平面坐标系，通过坐标变换关系、三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性以及三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系式，能够直接计算出开关状态组合的有效时间用于控制开关器件的动作。本发明提供的调制方法的计算量相对于现有技术大大减小、算法结构简单、运算效率较传统三电平SVPWM有很大提高，并能够有效避免现有技术的算法复杂引起的错误率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特点是，该方法包含：

S1，构建120°平面坐标系；

S2，对三相三电平逆变换器电路的输入电压在所述步骤S1中建立的120°平面坐标系进行计算；

S3，根据三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性、所述步骤S1中建立的120°平面坐标系，计算在传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系；

S4，根据三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系、所述步骤S3计算的传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系，计算三相三电平逆变器的三相桥臂的作用时间。

优选地，所述步骤S1包含如下步骤：

S1.1，建立m轴及与m轴呈120°夹角的n轴，使得m轴与n轴在第一象限、第三象限的夹角均为120°，m轴与n轴在第二象限、第四象限的夹角均为60°；

S1.2，对应传统平面三相坐标系中的A，B，C坐标轴，m轴与A轴重合，n轴与B轴重合，也即将传统平面三相坐标系变为两相坐标系。

优选地，所述步骤S2包含如下步骤：

将在传统平面三相坐标系中三相三电平逆变换器电路的输入电压关系转换在120°平面坐标系中进行计算：

$\left[\begin{array}{c}{V}_m\\ V_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_A-V_C\\ V_B-V_C\end{array}\right]$     式(1)；

其中，V_m，V_n分别为输入电压在新建立的坐标系m轴与n轴上的坐标分量，V_A，V_B，V_C为输入电压在传统平面三相坐标系中A，B，C坐标轴分量。

优选地，所述步骤S3包含：

S3.1，三相三电平逆变换器电路输出的参考值在一个脉宽调制周期内的变化范围为[-Vdc,Vdc]，则在上述范围之内对输入电压V_A，V_B，V_C的求解均符合逆变器的控制要求，也即：

min(V_A，V_B，V_C)＝-V_dc    式(2)

其中，V_dc为三电平逆变器直流侧电压数值；

S3.2，根据所述步骤S2的式(1)、步骤S3.1中的式(2)，能够计算的到V_A，V_B，V_C的具体值。

优选地，所述步骤S3.2具体如下：

根据式(1)能够推导出V_A，V_B，V_C的关系，根据Vm，Vn的如下情况能够最终计算V_A，V_B，V_C的具体值：

    式(3)

将式(3)计算结果带入式(1)，最终计算得V_A，V_B，V_C的具体值。

优选地，所述步骤S4包含如下步骤：

S4.1，三相三电平逆变换器电路的电压矢量满足如下关系式：

    式(4)

其中，为当前的输入参考电压矢量，为逆变器三相桥臂的电压矢量。T_PWM是脉宽调制周期，T_A，T_B，T_C分别为三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间，桥臂的控制时间对应开关管的控制时间；

S4.2，根据所述步骤S4.1得到脉宽调制周期T_PWM与三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间T_A，T_B，T_C的关系，及所述步骤S3计算获取的V_A，V_B，V_C的具体值，可以根据如下公式计算出三相三电平逆变器的三相桥臂作用时间：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_A=\frac{V_A}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_B=\frac{V_B}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_C=\frac{V_C}{V_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$     式(5)；

S4.3，根据所述步骤S4.2中的式(5)计算获取的三相桥臂作用时间通过调制算法转换为实际器件的驱动波形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，利用三相系统及三电平系统中特有的电压关系，采用120°平面坐标系，通过坐标变换关系、三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性以及三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系式，能够直接计算出开关状态组合的有效时间用于控制开关器件的动作。本发明提供的调制方法的算法结构简单、计算量大大降低、运算效率较传统三电平SVPWM有很大提高。

附图说明

图1为本发明一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法的整体流程图。

图2为本发明一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法的实施例示意图之一。

图3为本发明一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法的实施例示意图之二。

图4为本发明一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法的实施例示意图之三。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明公开的一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法适用于类似如图2所示的三相三电平逆变换器电路系统中的SVPWM调制方法。

如图1所示，一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，该方法包含：

S1，构建120°平面坐标系。该步骤S1包含如下步骤：

S1.1，如图3所示，建立m轴及与m轴呈120°夹角的n轴，使得m轴与n轴在第一象限、第三象限的夹角均为120°，m轴与n轴在第二象限、第四象限的夹角均为60°。

S1.2，对应传统平面三相坐标系中，m轴与A轴重合，n轴与B轴重合，也即将传统平面三相坐标系变为两相坐标系。

采用上述方法构建的120°平面坐标系使得三相变两相后坐标变换具备可行性。本发明利用了上述特性，可以将下述步骤S2中的V_C用m，n轴两相来表示。

S2，对三相三电平逆变换器电路的输入电压在步骤S1中建立的120°平面坐标系进行计算。该步骤S2包含如下步骤：

将在传统平面三相坐标系中三相三电平逆变换器电路的输入电压关系转换在120°平面坐标系中进行计算：

$\left[\begin{array}{c}{V}_m\\ V_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_A-V_C\\ V_B-V_C\end{array}\right]$     式(1)；

其中，V_m，V_n分别为输入电压在新建立的坐标系m轴与n轴上的坐标分量，V_A，V_B，V_C为输入电压在传统平面三相坐标系中A，B，C坐标轴分量。

如图3所示，本实施例中将输入电压V在新建的120°坐标系中分解为V_m，V_n两个电压分量。

S3，根据三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性、步骤S1中建立的120°平面坐标系，计算在传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系。该步骤S3包含如下步骤：

本发明构建的120°平面坐标系与传统平面三相坐标系之间的坐标变换不具有唯一性，则仍可以根据逆变器的特性得知，逆变器三相输出的参考值在一个PWM周期范围内为[-Vdc，Vdc]，也即在这个范围内的求解结果都符合逆变器的控制要求，同样的结论与传统三电平SVPWM的正负矢量可以任意选择也是完全对应的。因此，上述结论仍适用于本发明构建的120°平面坐标系中。

S3.1，三相三电平逆变换器电路输出的参考值在一个脉宽调制周期内的变化范围为[-Vdc，Vdc]，则在上述范围之内对输入电压V_A，V_B，V_C的求解均符合逆变器的控制要求，也即：

min(V_A，V_B，V_C)＝-V_dc    式(2)

其中，V_dc为三电平逆变器直流侧电压数值。

S3.2，根据步骤S2的式(1)、步骤S3.1中的式(2)，能够计算的到V_A，V_B，V_C的具体值。该步骤S3.2具体如下：

根据式(1)能够推导出V_A，V_B，V_C的关系，根据Vm，Vn的如下情况能够最终计算V_A，V_B，V_C的具体值：

    式(3)

将式(3)计算结果带入式(1)，最终计算得V_A，V_B，V_C的具体值。

S4，根据三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系、步骤S3计算的传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系，计算三相三电平逆变器的三相桥臂的作用时间。该步骤S4包含如下步骤：

S4.1，三相三电平逆变换器电路的电压矢量满足如下关系式：

    式(4)

其中，为当前的输入参考电压矢量，为逆变器三相桥臂的电压矢量。T_PWM是脉宽调制周期，T_A，T_B，T_C分别为三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间，桥臂的控制时间对应开关管的控制时间；

S4.2，根据步骤S4.1得到脉宽调制周期T_PWM与三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间T_A，T_B，T_C的关系，及步骤S3计算获取的V_A，V_B，V_C的具体值，可以根据如下公式计算出三相三电平逆变器的三相桥臂作用时间：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_A=\frac{V_A}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_B=\frac{V_B}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_C=\frac{V_C}{V_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$     式(5)；

S4.3，根据步骤S4.2中的式(5)计算获取的三相桥臂作用时间通过调制算法转换为实际器件的驱动波形。

如图4所示，采用本发明提供的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法进行PWM波形调制，将载波分为正序pos和负序neg。调制波在载波交点上为正，如图4中对应的T_A、T_B大于0，调制波在载波交点下为负，对应T_C小于0。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，该方法包含：

S1，构建120°平面坐标系；

S2，对三相三电平逆变换器电路的输入电压在所述步骤S1中建立的120°平面坐标系进行计算；

S3，根据三相三电平逆变换器电路的输出参考值特性、所述步骤S1中建立的120°平面坐标系，计算在传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系；

S4，根据三相三电平逆变换器电路的电压矢量关系、所述步骤S3计算的传统三电平SVPWM中输入电压的基本电压分量关系，计算三相三电平逆变器的三相桥臂的作用时间。

2.如权利要求1所述的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤S1包含如下步骤：

S1.1，建立m轴及与m轴呈120°夹角的n轴，使得m轴与n轴在第一象限、第三象限的夹角均为120°，m轴与n轴在第二象限、第四象限的夹角均为60°；

S1.2，对应传统平面三相坐标系中的A，B，C坐标轴，m轴与A轴重合，n轴与B轴重合，也即将传统平面三相坐标系变为两相坐标系。

3.如权利要求2所述的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤S2包含如下步骤：

将在传统平面三相坐标系中三相三电平逆变换器电路的输入电压关系转换在120°平面坐标系中进行计算：

$\left[\begin{array}{c}{V}_m\\ V_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_A-V_C\\ V_B-V_C\end{array}\right]$    式(1)；

其中，V_m，V_n分别为输入电压在新建立的坐标系m轴与n轴上的坐标分量，V_A，V_B，V_C为输入电压在传统平面三相坐标系中A，B，C坐标轴分量。

4.如权利要求3所述的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤S3包含如下步骤：

S3.1，三相三电平逆变换器电路输出的参考值在一个脉宽调制周期内的变化范围为[-Vdc，Vdc]，则在上述范围之内对输入电压V_A，V_B，V_C的求解均符合逆变器的控制要求，也即：

min(V_A，V_B，V_C)＝-V_dc   式(2)

其中，V_dc为三电平逆变器直流侧电压数值；

S3.2，根据所述步骤S2的式(1)、步骤S3.1中的式(2)，能够计算得到V_A，V_B，V_C的具体值。

5.如权利要求4所述的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤S3.2具体如下：

根据式(1)、式(2)能够推导出V_A，V_B，V_C的关系，根据Vm，Vn的如下情况能够最终计算V_A，V_B，V_C的具体值：

   式(3)

将式(3)计算结果带入式(1)，最终计算得V_A，V_B，V_C的具体值。

6.如权利要求1所述的用于三相三电平逆变换器电路的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤S4包含如下步骤：

S4.1，三相三电平逆变换器电路的电压矢量满足如下关系式：

   式(4)

其中，为当前的输入参考电压矢量，为逆变器三相桥臂的电压矢量。T_PWM是脉宽调制周期，T_A，T_B，T_C分别为三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间，桥臂的控制时间对应开关管的控制时间；

S4.2，根据所述步骤S4.1得到脉宽调制周期T_PWM与三相三电平逆变器三个电压桥臂的控制时间T_A，T_B，T_C的关系，及所述步骤S3计算获取的V_A，V_B，V_C的具体值，可以根据如下公式计算出三相三电平逆变器的三相桥臂作用时间：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_A=\frac{V_A}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_B=\frac{V_B}{V_{\mathrm{dc}}}\\ T_C=\frac{V_C}{V_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$    式(5)；

S4.3，根据所述步骤S4.2中的式(5)计算获取的三相桥臂作用时间通过调制算法转换为实际器件的驱动波形。