CN104779827B

CN104779827B - 一种增强型虚拟矢量pwm调制方法

Info

Publication number: CN104779827B
Application number: CN201510166673.9A
Authority: CN
Inventors: 陈阿莲; 王伟胜; 张承慧; 柴锦
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: CN104779827A

Abstract

本发明公开了一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，包括：将空间矢量PWM转化为虚拟矢量，计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比；根据虚拟矢量与实际空间矢量的对应关系，求出三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值；将上述三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值分别作为调制波，得到三相开关状态；根据两直流电容电压的差值或者中点电位的波动大小对小矢量作用时间进行调整，得到逆变器的PWM输出。本发明方法解决了虚拟矢量PWM中点电位累积偏移问题，可以在任意调制度内实现中点电位平衡控制，并且可以完全消除中点电位的低频波动，增加了系统抗干扰能力，减小了直流电容体积，提高输出波形质量。

Description

一种增强型虚拟矢量PWM调制方法

技术领域

本发明涉及一种增强型虚拟矢量PWM调制方法。

背景技术

三电平逆变器凭借其开关器件所受电压低、输出波形质量高等优势，在高压、大功率场合应用日益广泛。然而，中点电位不平衡这一固有问题对三电平逆变器应用的推广有着明显限制。近年来，国内外众多学者针对这一问题做了大量工作。在拓扑结构上，提出了混合箝位三电平拓扑实现了中点电位的自动平衡；从调制方法上，提出了零序分量注入、改变小矢量作用时间等方法也达到了良好效果。

在中点电位不平衡问题中，中点电位三倍基波频率的波动被称为低频波动。中点电位的低频波动对直流电容体积和输出波形质量都有影响。Sergio Busquets-Monge等学者提出的虚拟矢量PWM(Virtual Space Vector PWM,VSVPWM)调制方法通过将传统三电平空间矢量PWM转化为虚拟矢量PWM，实现对中线电流为零的控制，从而消除了中点电位的低频波动。双调制波载波PWM(double-modulation-wave carrier-based PWM,DMWPWM)调制策略本质上与VSVPWM相同，都可以解决低频波动问题。但是这两种方法都属于开环控制，抗干扰能力较差，而且无法消除中点电位的累积直流偏移问题。因此，研究一种既能实现中点电位平衡，又可以完全消除低频波动，且抗干扰能力强的调制方法，对于三电平逆变器的应用推广至关重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明针对二极管箝位(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器，提出了一种增强型虚拟矢量PWM调制方法。该方法在虚拟矢量PWM的基础上，加入闭环控制以增强系统抗干扰能力，消除中点电位低频波动，实现中点平衡控制。

为实现上述目的，本发明采用采用如下技术方案：

一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，包括：

(1)将空间矢量PWM转化为虚拟矢量，计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比；

(2)根据虚拟矢量与实际空间矢量的对应关系，求出三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值；

当{S_i1,S_i2,S_i3,S_i4}＝{1,1,0,0}时，用状态P表示；当{S_i1,S_i2,S_i3,S_i4}＝{0,0,1,1}时，用状态N表示；i表示A相、B相或C相；

(3)将上述三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值分别作为调制波，得到三相开关状态；

(4)根据两直流电容电压的差值或者中点电位的波动大小对小矢量作用时间进行调整，得到逆变器的PWM输出。

所述步骤(1)中将空间矢量PWM转化为虚拟矢量的具体方法为：

其中,V_VS1、V_VS2为虚拟小矢量，V_VL1、V_VL2为虚拟大矢量，V_VM1为虚拟中矢量，V_POO、V_ONN、V_PPO、V_OON分别为小矢量，V_PON为中矢量，V_PPN、V_PNN为大矢量。

所述步骤(1)中计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比的方法具体为：

其中，为参考电压矢量，分别为合成参考电压的最近三电压矢量，d₁、d₂、d₃依次为最近三电压矢量的作用时间占空比。

所述步骤(2)中求出三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值的具体方法为：

其中，i表示A相、B相或C相，d_ip表示三相输出电压在状态P的持续时间标幺值；d_in表示三相输出电压在状态N的持续时间标幺值；d_PPN、d_POO、d_PON、d_PNN、d_PPO依次为矢量V_PPN、V_POO、V_PON、V_PNN、V_PPO的作用时间标幺值。

所述步骤(3)的具体方法为：

A相开关状态变化由d_ap与上载波比较得到，B相开关状态变化由d_bp、d_bn两个调制波与两个同向载波分别比较得到，C相开关状态变化由d_cp与下载波比较得到；

其中，d_ap、d_bp、d_cp分别为A相、B相和C相输出电压在状态P的持续时间标幺值；d_bn为B相输出电压在状态N的持续时间标幺值。

所述步骤(4)中，小矢量V_POO的作用时间具体为：

其中，d_cn为C相输出电压在状态N的持续时间标幺值；d_bp为B相输出电压在状态P的持续时间标幺值；T_S1为虚拟小矢量V_VS1作用时间、T_s为采样周期。

所述步骤(4)的具体方法为：

当U_C1-U_C2＞ε时，增加上电容放电时间，即增加小矢量V_POO作用时间，进行如式(5)变换：

其中，k定义为调节因子，k∈(0,0.5)；d_ap、d_bp分别为A相、B相输出电压在状态P的持续时间标幺值；d_bn、d_cn分别为B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值；U_C1、U_C2分别为两直流母线电容的电压值，ε为中点电位波动控制精度参数，d'_ap为调整后A相输出电压在状态P的持续时间标幺值，d′_bn、d′_cn分别为调整后B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值。

所述步骤(4)的具体方法为：

当U_C1-U_C2＜ε时，增加下电容放电时间，即增加小矢量V_ONN作用时间，进行如式(6)变换；

其中，k定义为调节因子，k∈(0,0.5)；d_ap、d_bp分别为A相、B相输出电压在状态P的持续时间标幺值；d_bn、d_cn分别为B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值；U_C1、U_C2分别为两直流母线电容的电压值，ε为中点电位波动控制精度参数，d'_ap为调整后A相输出电压在状态P的持续时间标幺值，d′_bn、d'_cn分别为调整后B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值。

所述两直流电容电压的差值或者中点电位的波动大小只有在大于允许波动范围ε时，才对小矢量作用时间进行调节，否则不予处理。

本发明的有益效果是：

1、在任意调制度下，解决了NPC三电平逆变器中点电位不平衡问题，同时消除了中点电位低频波动，减少直流侧电容体积，提高输出波形质量；

2、虚拟矢量PWM调制方法无需计算矢量作用时间，调制策略简单，电压利用率高，增强型虚拟矢量PWM调制方法结合其优点，增加了闭环控制，抗干扰能力更强，而且解决了中点电位的累积偏移问题；

3、只需对两个直流电容电压检测，无需检测交流信号，节省了硬件成本，同时提高了控制准确度；

4、对于扩大三电平逆变器在光伏发电系统、风力发电系统等新能源领域应用有重要意义。

附图说明

图1为NPC三电平逆变器结构图；

图2为三电平空间矢量PWM原理图；

图3为空间矢量PWM调节小矢量作用时间控制中点电位结果的波形图；

图4a为NPC三电平虚拟矢量PWM原理图；

图4b为三电平虚拟矢量PWM第一扇区原理图；

图5为采用虚拟矢量PWM方法得到的a相在360°范围内对应的调制波波形；

图6a为采用虚拟矢量PWM调制方法后的中点平衡输出结果图，调制比M＝0.8；

图6b为采用虚拟矢量PWM调制方法后的中点平衡输出结果图，调制比M＝0.95；

图7为虚拟矢量PWM原理图中，第一扇区第三小区开关序列图以及各实际矢量的作用时间；

图8为第一扇区第四小区开关序列图以及各实际矢量的作用时间；

图9a为小矢量V_PPO状态下NPC三电平逆变器的等效电路图；

图9b为小矢量V_OON状态下NPC三电平逆变器的等效电路图；

图10为a相修正后在360°范围内调制波波形图；

图11a为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的中点电位波形，调制比M＝0.8；

图11b为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的中点电位波形，调制比M＝0.95；

图12a为采用虚拟矢量PWM调制方法得到的输出电流电压波形；

图12b为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的输出电流电压波形；

图13为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法的NPC三电平逆变器控制系统图。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。

传统的NPC三电平逆变器，采用LC滤波，纯阻性负载。

基于上述NPC三电平逆变器的调制方法，具体为：

虚拟矢量PWM调制方法得到的三相桥臂各开关器件的开通时间通过d_xp,d_xn(x∈{a,b,c})三组六个调制波得以反应。根据检测到的直流电容电压差值或中点电位波动大小，对相应的调制波进行修正，从而改变小矢量的作用时间，消除中点电位的累积直流偏移，得到的修正后的PWM信号通过驱动电路对三电平逆变器进行控制。

图1为NPC三电平逆变器结构图，采用单电源与两直流电容并联结构作为直流侧供电电源，输入电压U_dc＝200V，O为中点，i_np为中线电流，i_a、i_b、i_c为三相输出电流，其方向如图1箭头方向所示。输出侧采用LC滤波，纯阻性负载，其中L_a、L_b、L_c为滤波电感，电感值为2mH，C_a、C_b、C_c为滤波电容，电容值为47μF，R_a、R_b、R_c为电阻负载，阻值为2Ω。

图2为NPC三电平逆变器空间矢量PWM原理图。用1表示IGBT开通，0表示关断。以A相为例，当{S_A1,S_A2,S_A3,S_A4}＝{1,1,0,0}时，用状态P表示；当{S_A1,S_A2,S_A3,S_A4}＝{0,1,1,0}时，用状态O表示；当{S_A1,S_A2,S_A3,S_A4}＝{0,0,1,1}时，用状态N表示。用复合矢量(式(1))可以得到矢量原理图如图2所示，其中零矢量3个，小矢量12个，中矢量6个，大矢量6个。

表1小矢量和中矢量与中线电流对应关系

正小矢量	i_np	负小矢量	i_np	中矢量	i_np
						V_OON	i_a	V_POO	-i_a	V_PON	i_b
V_PPO	i_c	V_OON	-i_c	V_OPN	i_a
						V_NON	i_b	V_OPO	-i_b	V_NPO	i_c
V_OPP	i_a	V_NOO	-i_a	V_NOP	i_b
						V_NNO	i_c	V_OOP	-i_c	V_ONP	i_a
V_POP	i_b	V_ONO	-i_b	V_PNO	i_c

不同矢量对中点电位的影响可以通过中线电流i_np来体现。零矢量和大矢量不产生中线电流，因此不影响中点平衡。小矢量和中矢量对应的中线电流见表1。在一个开关周期内，两个冗余小矢量对产生相反的中线电流，可以通过改变冗余小矢量作用时间实现中点电位平衡；中矢量对中点电位产生的影响无法确定，这也是中点电位低频波动产生的原因。

图3为空间矢量PWM调节小矢量作用时间控制中点电位结果的波形图，调制比M＝0.8，用U_C1-U_C2的大小及波动来反应中点电位的大小及波动情况。可以看出，即使在中点电位平衡的情况下，低频波动问题依然存在。

图4a为NPC三电平虚拟矢量PWM原理图。未解决上述问题，将空间矢量PWM进行如下变换，见式(1)(以第一扇区为例)：

其中V_VS1、V_VS2为虚拟小矢量，V_VL1、V_VL2为虚拟大矢量，V_VM1为虚拟中矢量，其余扇区类似，不再赘述。经过上述变换后，各虚拟矢量对应的中线电流i_np见表2.可以看出，虚拟中矢量将不影响中线电流i_np，即不产生低频波动问题。

表2第一扇区虚拟矢量与中线电流对应关系

图4b为虚拟矢量PWM第一扇区各个小区划分示意图。

图5为采用虚拟矢量PWM方法得到的a相在360°范围内对应的调制波波形。采用最近三虚拟矢量方法，根据伏秒平衡原理，见式(2)，可以计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比。

以第一扇区为例，根据虚拟矢量与实际矢量的对应关系，见式(3)，可以计算出a相输出电压在P状态、N状态的持续时间(标幺值)d_ap和d_an，见式(4)。

图6a为采用虚拟矢量PWM调制方法后的中点平衡输出结果图，调制比M＝0.8。

图6b为采用虚拟矢量PWM调制方法后的中点平衡输出结果图，调制比M＝0.95。由图6可以看出中点电位低频波动问题已经消除，但是由于系统为开环控制，并且没有考虑中点电位电压累积影响，导致中点电位偏移问题解决不彻底，甚至当调制度很高时，中点电位开始发散。

图7为虚拟矢量PWM原理图中，第一扇区第三小区开关序列图以及由式(3)所得到的各实际矢量的作用时间。a相开关状态变化是由d_ap与上载波比较得到的，b相开关状态变化是由d_bp、d_bn两个调制波与两个同向载波分别比较得到的，c相开关状态变化是由d_cp与下载波比较得到的。

为消除中点电位低频波动，则应保证虚拟中矢量作用时间T_M1＝d_VM1T_s不变。通过改变小矢量V_POO/V_ONN作用时间来消除中点电位电压累积影响，在图7中V_POO的作用时间当U_C1-U_C2＞ε时，增加上电容放电时间，即增加小矢量V_POO作用时间，进行如式(5)变换：

其中k定义为调节因子，k∈(0,0.5)。当U_C1-U_C2＜ε时，增加下电容放电时间，即增加小矢量V_ONN作用时间，进行如式(6)变换。

图8为第一扇区第四小区开关序列图以及由式(3)所得到的各实际矢量的作用时间。由最近三虚拟矢量方法得到的开关序列可得，在该小区中不存在矢量来调节中点电位，因此在该小区无需调节矢量作用时间。其余区域的调节方法与这两种情况类似，在此不再赘述。

图9a为小矢量V_PPO状态下NPC三电平逆变器的等效电路图，此时直流电容C1放电，中点电位升高。

图9b为小矢量V_OON状态下NPC三电平逆变器的等效电路图，此时直流电容C2放电，中点电位下降。其余小矢量对应的等效电路于此类似，在此不再赘述。

图10为a相修正后在360°范围内调制波波形图。由上述分析可知，修正后的调制波相比于修正前并不会增加器件的开关损耗。

图11a为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的中点电位波形，调制比M＝0.8。

图11b为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的中点电位波形，调制比M＝0.95。相比于调节小矢量作用时间和开环虚拟矢量PWM调制方法对中点电位平衡的控制，显然增强型虚拟矢量PWM调制方法对中点平衡控制以及消除低频波动控制效果更加明显，而且在高调制度下，仍然适用。

图12a为采用虚拟矢量PWM调制方法得到的输出电流电压波形，调制比M＝0.8，对滤波前线电压U_ab进行FFT分析，得到THD＝50.22％。

图12b为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法得到的输出电流电压波形，调制比M＝0.95，对滤波前线电压U_ab进行FFT分析，得到THD＝49.10％。

图13为采用增强型虚拟矢量PWM调制方法的NPC三电平逆变器控制系统图；控制电路包括：信号调理电路、A/D采样电路、主控板和驱动电路依次连接，保护电路与主控板连接，驱动电路产生PWM信号控制NPC逆变器，主电路中直流电源、NPC逆变器、LC滤波器和三相负载依次连接。其中保护电路主要是对过压、欠压、过流进行保护。

综上所述，采用增强型虚拟矢量PWM调制方法对NPC三电平逆变器进行中点平衡控制能有效解决中点平衡问题，消除低频波动。该方法对于NPC三电平逆变器在光伏发电、风力发电等新能源发电领域应用有重要意义。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，包括：

步骤(1)将空间矢量PWM转化为虚拟矢量，计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比；

步骤(2)根据虚拟矢量与实际空间矢量的对应关系，求出三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值；

步骤(3)将上述三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值分别作为调制波，得到三相开关状态；

步骤(4)根据两直流电容电压的差值或者中点电位的波动大小对小矢量作用时间进行调整，得到二极管箝位三电平逆变器的PWM输出。

2.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(1)中将空间矢量PWM转化为虚拟矢量的具体方法为：

3.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(1)中计算出各个虚拟矢量的作用时间占空比的方法具体为：

4.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(2)中求出三相输出电压在状态P和状态N的持续时间标幺值的具体方法为：

5.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(3)的具体方法为：

6.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(4)中，小矢量V_POO的作用时间具体为：

7.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(4)的具体方法为：

当U_C1-U_C2＞ε时，增加上电容放电时间，即增加小矢量V_POO作用时间，进行如下变换：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，k定义为调节因子，k∈(0,0.5)；d_ap、d_bp分别为A相、B相输出电压在状态P的持续时间标幺值；d_bn、d_cn分别为B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值；U_C1、U_C2分别为两直流母线电容的电压值，ε为中点电位波动控制精度参数，d'_ap为调整后A相输出电压在状态P的持续时间标幺值，d'_bn、d'_cn分别为调整后B相、C相输出电压在状态N的持续时间标幺值。

8.如权利要求1所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述步骤(4)的具体方法为：

当U_C1-U_C2＜ε时，增加下电容放电时间，即增加小矢量V_ONN作用时间，进行如下变换；

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

9.如权利要求7或8所述的一种增强型虚拟矢量PWM调制方法，其特征是，所述两直流电容电压的差值或者中点电位的波动大小只有在大于允许波动范围ε时，才对小矢量作用时间进行调节，否则不予处理。