CN104779821A - 一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法，包括以下步骤：(1)定义二极管钳位型三电平脉冲整流器的电压矢量，划分参考电压矢量的运动区间；(2)判断所述参考电压矢量的区间，在各区间选择合成参考电压的基本矢量；(3)计算所选择的矢量的作用时间生成调制波；(4)通过调制波与三角载波得到PWM信号实现对二极管钳位电路的电容进行均压。相比于现有调制方法中通过调整矢量作用时间来达到均压效果，本发明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二极管钳位电路的电容进行均压。特别是在参与组成多电平变换器时能够完成在不平衡负载情况下的直流输出电压均衡。

Description

一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器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，涉及一种二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法。

背景技术

对于单相整流器，常用的调制方法主要有正弦脉宽调制技术SPWM和空间矢量脉宽调制技术SVPWM。SPWM方法是将正弦参考信号与三角载波信号进行比较形成等效的PWM控制波形以确定整流电路中的各开关状态的转换方式，简单有效；SVPWM方法是根据整流器中不同开关状态形成的空间矢量在切换时形成PWM控制波形，从而逼近所需要的电压输出。因此，在不提高开关频率的情况下，使整流器提高了电压利用率，获得了更好的动态响应。根据空间矢量脉宽调制的实施方案，任意参考矢量都可以由基本空间矢量进行合成。为了降低开关频率和开关损耗，同时减少输出电压矢量的谐波含量，一般采用与参考矢量相邻最近的基本空间矢量来合成，并且在一个脉冲中，每次工作状态切换时，尽量保证一个开关器件进行切换。

单相二极管钳位型三电平脉冲整流器模块中，根据开关器件的导通顺序，可得到九种不同的开关状态，这九种开关状态量在电压空间矢量调制策略中将成为合成指令电压信号的矢量。为方便描述，在此将矢量分为五类：

零矢量、正小矢量、负小矢量、正大矢量、负大矢量。零矢量长度为0，共计3个；正小矢量长度为1/2Vdc，共计2个；负小矢量长度为1/2Vdc，共计2个；正大矢量长度为Vdc，共计1个；负大矢量长度为Vdc，共计1个。

在二极管钳位型三电平脉冲整流器中存在一个比较常见的问题：中点电位平衡。若中点电位不平衡，会严重影响输出电压的波形质量，上下电容分压严重不均时可能会对功率器件造成损害。研究分析表明：在单个模块中，大矢量和零矢量不会导致中点电位漂移，但小矢量出现时，直流侧电容中点会被注入或抽取电流，并且成对的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，并希望通过改变冗余开关状态作用时间，来控制中点电位状态达到电容电压平衡。

发明内容

为了克服现有二极管钳位型三电平脉冲整流器的中点电位问题，本发明提供了一种不会影响控制效果，在完成中点电位均衡功能的同时不会导致开关频率升高的三电平空间矢量调制方法。

具体实现的技术方案为：一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法，将二极管钳位型三电平脉冲整流器的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，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；采用包含如下的步骤得到PWM信号实现对二极管钳位电路的电容进行均压：

(1)根据整流器控制系统的输出信号作为参考电压合成矢量V_ref，将参考信号的运动轨迹均分为Ⅰ-Ⅳ四个区间；

(2)判断所述参考电压矢量所在区间；

(3)在每个区间内选择两个基本矢量；计算所选择的两个基本矢量的作用时间生成调制波；

(4)通过调制波与三角载波调制得到PWM信号。

所述步骤(2)中的四个区间是按照如下方法划分得到的：参考电压合成矢量V_ref的运动轨迹为一条直线，取该直线的一点为参考零点，根据五类矢量的大小和方向，正矢量置于正向，负矢量置于负向，由此将其总负向到正向分为Ⅰ-Ⅳ四个区间。

所述步骤(3)中的选择两个矢量是按照如下方法得到的：选择参与合成V_ref的矢量时，在II与III区内通过正小矢量与负小矢量合成V_ref，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。

整流器工作时，不同的正小矢量作用时，将会对不同的电容进行充电，不同的负小矢量作用时，将会对不同电容进行放电。零矢量作用时不会对电容进行充放电，正大矢量作用时将同时对两个电容进行充电，负大矢量作用时将会同时对两个电容进行放电。

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带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法。现有控制方法的基本思想是检测不平衡电容的电压差，并根据系统运行状态来补偿控制，重新分配导致中点电位不平衡的开关状态的作用时间，从而解决电容电压的平衡问题。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二极管钳位电路的电容电压进行均压。同时，矢量切换时必须在当前矢量不为将被切换矢量，因此该算法可以维持系统的开关频率保持不变。

2、本发明所提供的调制方法能够保证，当在一个载波周期内出现与电流同相和反相的两种不同电压时依然可以合成参考电压矢量，特别地，该整流器作为子单元级联时能够快速地调整输出电压并完成均压效果。

附图说明

图1为本发明所应用的二极管钳位型三电平脉冲整流器

图2为二极管钳位型三电平脉冲整流器开关等效电路图

图3为带反向矢量的电压空间矢量调制各区间矢量图

图4为本发明所涉及调制流程的框图

图5为本发明所涉及的一个载波周期内的调制波形图

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带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器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，本发明则利用正负小矢量对不同电容的作用，选择冗余正负小矢量对二极管钳位电路的电容进行均压。相对于传统的重新分配开关状态的作用时间的调制方法来解决中点电位的漂移问题，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二极管钳位电路的电容进行均压。通过上述调制方法，可以保持系统开关频率不变的同时，维持中点电位的平衡。该方法主要包括以下步骤：

(1)把一个二极管钳位型三电平脉冲整流器的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)根据整流器控制系统的输出信号作为参考电压合成矢量Vref，将参考信号的运动轨迹均分为Ⅰ-Ⅳ四个区间。

(3)判断所述参考电压矢量所在区间。

(4)在每个区间内选择两个基本矢量

(5)计算所选择的两个基本矢量的作用时间生成调制波；

(6)通过调制波与三角载波调制得到PWM信号。

上述调制方法过程步骤如图4所示。

所述步骤(2)中的四个区间是按照如下方法划分得到的：

(A)参考电压合成矢量V_ref的运动轨迹为一条直线；

(B)取上述直线的一点为参考零点，根据五类矢量的大小和方向，正矢量置于正向，负矢量置于负向，由此将其总负向到正向分为Ⅰ-Ⅳ四个区间。

矢量区间的划分结果如图3所示，取i_s>0的方向为正，水平轴上从左至右的点依次为负大矢量V₈,，负小矢量V₆和V₇，零矢量V₁、V₅和V₉，正小矢量V₂和V₃，以及正大矢量V₄。

所述步骤(4)中的选择两个矢量是按照如下方法得到的：

(a)在整流器工作时，不同的正小矢量作用时，将会对不同的电容进行充电，不同的负小矢量作用时，将会对不同电容进行放电。零矢量作用时不会对电容进行充放电，正大矢量作用时将同时对两个电容进行充电，负大矢量作用时将会同时对两个电容进行放电。(若电流方向相反，上述原理同样成立)

(b)选择参与合成V_ref的矢量时，在II与III区内通过正小矢量与负小矢量合成V_ref，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，如图5所示。

为了防止均压算法导致开关频率升高，矢量切换时必须在当前矢量不为将被切换矢量，因此其必须满足如表2所示的均压规则。

表2均压规则判断

步骤(3)判断参考电压矢量所在区间的具体流程为：

当V_ref＞1/2时，N为1；

当0<V_ref<1/2时，N为2；

当-1/2<V_ref<0时，N为3；

当V_ref<-1/2时，N为4。

根据下列区间S和N的对应关系表确定参考电压矢量所在区间：

表3区间S与N的对应关系

步骤(5)中，计算空间矢量的作用时间：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_a\&CenterDot;T_a+V_b\&CenterDot;T_b=V_{\mathrm{ref}}\\ T_a+T_b=T_s\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，T_a为空间矢量V_a的作用时间，T_b为空间矢量V_b的作用时间，T_s为开关周期。

Ⅰ区和Ⅳ区的两矢量作用时间

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=\left|V_{\mathrm{ref}}\right|+T_s/2\\ T_b=T_s/2-\left|V_{\mathrm{ref}}\right|/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

Ⅱ区和Ⅲ区的两矢量作用时间

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=2\&CenterDot;\left|V_{\mathrm{ref}}\right|/3+T_s/3\\ T_b=2\&CenterDot;T_s/3-\left|V_{\mathrm{ref}}\right|/3\end{array}\right.---\left(3\right)$

以Ⅰ区为例进行说明，如图3所示，当V_c1>V_c2时，选择V₄和V₇矢量合成参考矢量，满足(1)式，即：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_4\&CenterDot;T_a+V_7\&CenterDot;T_b=V_{\mathrm{ref}}\\ T_a+T_b=T_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

如图4所示，利用瞬态电流控制，可生成变换器端口电压指令U_s表达式如式(5)所示。根据整流器电压给定信号为整流器的期望电压，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_s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。在生成调制波M_n之后，二极管钳位型三电平整流器将通过空间矢量调制计算出开关状态作用时间以及其所对应的开关状态，再生成整流器的调制波。

$\left\{\begin{array}{c}{I_s}^{*}=K_p({V_{\mathrm{dc}}}^{*}-\mathrm{\&Sigma;}{V}_{\mathrm{dc}})+1/T_i\&Integral;({V_{\mathrm{dc}}}^{*}-\mathrm{\&Sigma;}{V}_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}\\ U_n\left(t\right)=u_s\left(t\right)-\mathrm{\&omega;L}{I_s}^{*}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&Delta;I}\\ \mathrm{\&Delta;I}=K_p({I_s}^{*}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&omega;t}-i_s\left(t\right))\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤(6)，通过调制波与三角载波调制得到PWM信号。

Claims (3)

1.一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法，将二极管钳位型三电平脉冲整流器的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，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；采用包含如下的步骤得到PWM信号实现对二极管钳位电路的电容进行均压：

(1)根据整流器控制系统的输出信号作为参考电压合成矢量V_ref，将参考信号的运动轨迹均分为Ⅰ-Ⅳ四个区间；

(2)判断所述参考电压矢量所在区间；

(3)在每个区间内选择两个基本矢量；计算所选择的两个基本矢量的作用时间生成调制波；

(4)通过调制波与三角载波调制得到PWM信号。

2.根据权利要求1所述的一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的四个区间是按照如下方法划分得到的：参考电压合成矢量V_ref的运动轨迹为一条直线，取该直线的一点为参考零点，根据五类矢量的大小和方向，正矢量置于正向，负矢量置于负向，由此将其总负向到正向分为Ⅰ-Ⅳ四个区间。

3.根据权利要求1所述的一种带反向矢量的二极管钳位型三电平脉冲整流器的空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤(3)中的选择两个矢量是按照如下方法得到的：选择参与合成V_ref的矢量时，在II与III区内通过正小矢量与负小矢量合成V_ref，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。