CN104883087B - 一种多电平逆变器通用脉宽调制方法 - Google Patents
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Abstract
一种多电平逆变器通用脉宽调制方法，包括以下步骤：a.参考输入电压标幺化；b.两电平空间矢量脉宽调制占空比计算；c.参考电压矢量所在层数计算；d.矢量反向映射；e.共模电压抑制；f.产生脉宽调制波；本发明通过简单的两电平空间电压矢量调制算法，计算出逆变器电压矢量切换时间占空比，再对占空比进行矢量压缩，建立起基于电压矢量和电平的映射关系，通过这一系列转换能够有效实现多电平电压的转换。通过电平转换，从而简单快速地输出具有共模电压抑制能力的电压矢量，通过选用特定的脉宽调制输出状态避免了共模电压的产生，这样有效抑制了多电平逆变器输出电压中包含的共模分量。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种多电平逆变器通用脉宽调制方法。
背景技术
近年来，逆变器供电技术广泛应用于交流电机传动领域，通过逆变器可以有效实现电动机变频和调幅电压控制。对于中大功率传动装置，如电机机车和船舶推进等，相对传统的两电平电压源型逆变器，多电平逆变器的应用具有很多优势：较低的功率开关应力、较低的逆变器输出电压谐波失真、较低的输出电压脉动和较少的电磁干扰。多电平逆变器的研究较多关注三种拓扑结构：串联的H桥多电平逆变器、中性点钳位的多电平逆变器和基于开相交流电机的双逆变器。同时，针对多电平逆变器的脉宽调制技术主要有：正弦波脉宽调制技术、谐波可选择抑制的脉宽调制技术和空间矢量脉宽调制技术。
其中，空间矢量脉宽调制技术具有稳定的逆变器开关频率，应用较为广泛。但是，多电平逆变器的应用也存在一些问题需要进一步解决：脉宽调制技术实现算法复杂、较大的调制技术计算负荷、逆变器直流侧的电容电压不平衡和存在共模电压和共模电流干扰问题等。
在现有的多电平逆变器供电技术中，共模电压问题会造成电机轴电压，轴承电流和感应的电磁干扰，目前已经有相关研究人员针对该问题进行了大量的研究，但是目前的解决技术都较为复杂或者计算量较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种实现简单，扩展性和移植性较好，能够有效抑制奇数次多电平逆变器的共模信号，从而提高多电平逆变器安全和工作性能的通用脉宽调制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，包括以下步骤：
a.参考输入电压标幺化：对于N次电平逆变器，单一的多电平逆变器基值选取为Vnmax/2，其中Vnmax为最大电平数所对应的的电压矢量幅值；开相电机的双逆变器基值选取为3Vnmax/4，线性调制范围为[-1,1]；
b.两电平空间矢量脉宽调制占空比计算：首先将三相静止坐标系下的参考输入电压转换为两相静止坐标系下的参考输入电压，转换公式如下：
式中，Vα和Vβ为两相静止坐标系下的参考输入电压，Va,pu、Vb,pu和Vc,pu分别为三相静止坐标系下的参考输入电压标幺值；
在一个采样周期Ts内，由零电压矢量和相邻的两个基本电压矢量Vk、Vk+1合成参考电压矢量Vsref，计算公式如下：
上式中，k为扇区参考电压矢量所在的扇区号，Tk、Tk+1为两个基本电压矢量的作用时间，Dk、Dk+1为基本电压矢量对应时间的占空比，Dk＝Tk/Ts，Dk+1＝Tk+1/Ts；T0为零电压矢量的作用时间，D0为零电压矢量对应时间的占空比，参考电压矢量Vsref也能够表示为Vα和Vβ的复数形式：Vsref＝Vα+jVβ；
所有非零电压矢量幅值为：
根据上面公式推导出零电压矢量和两个基本电压矢量的占空比：
其次，根据上式计算出三个时间占空比，并由如下公式计算出三相占空比：
c.参考电压矢量所在层数计算：通过以上步骤得到的标幺化占空比，即调制波，三相参考电压的最大幅值被约束到[-1,1]的线性区间内，当前参考电压矢量所在电压平面内的层数为：i＝a,b,c；式中，int代表取整运算；N为逆变器的总电平数；Di为前述步骤计算出的占空比；
根据以上公式计算得到的层数和调制波，对调制波在不同的层进行矢量压缩，压缩后的调制波按照两电平脉宽调制进行斩波，完成斩波操作后获得脉宽调制波；压缩后的占空比计算公式如下：D′i＝N·Di+2Lvi-N-1,i＝a,b,c；
d.矢量反向映射：根据计算得到的参考电压矢量所在层数和斩波后的两电平脉宽调制波，确定选择的多电平逆变器对应电压矢量；
e.共模电压抑制：根据上述步骤所得电平，确定具有共模电压抑制的电平；
f.产生脉宽调制波：根据上述步骤确定出的具有共模电压抑制的电平，利用电平与逆变器生成的电压矢量映射关系，得到具有共模电压抑制的电压矢量；通过该电压矢量控制逆变器输出电压谐波，提高多电平逆变器的输出电压品质。
所述的步骤a中N大于2且为奇数。
所述的步骤d中矢量反向映射关系为：当参考电压矢量位于第k层时，若PWM输出为1，则输出最低电平为k，若PWM输出为0，则输出最低电平为k+1；1≤k<N。
所述的步骤e结合以下公式，确定具有共模电压抑制的电平：
当参考电压顺时针旋转，
或
当参考电压逆时针旋转，
上式中，(La，Lb，Lc)表示任意一个电压矢量，其中，La、Lb和Lc分别代表多电平逆变器三相桥臂输出的不同电平，(L’a，L’b，L’c)表示具有共模电压抑制能力的电压矢量。
所述的步骤e中具有电压抑制的电平大于2且为奇数。
与现有技术相比，本发明多电平脉宽调制方法通过简单的两电平空间电压矢量调制算法，计算出逆变器电压矢量切换时间占空比，再对占空比进行矢量压缩，建立起基于电压矢量和电平的映射关系，通过这一系列转换能够有效实现多电平电压的转换。通过电平转换，从而简单快速地输出具有共模电压抑制能力的电压矢量，通过选用特定的脉宽调制输出状态避免了共模电压的产生，这样有效抑制了多电平逆变器的共模信号。本发明能够提高齐次多电平逆变器的安全和工作性能，另外，该方法建立在标幺系统下，具有较好的扩展性和移植性，能够方便的在基于数字信号处理器的硬件平台中实现，同时能够应用于单独的多电平逆变器和基于开绕组交流电机的双逆变器拓扑结构，实验仿真结果表明，本发明方法具有较强的可行性和有效性。
附图说明
图1三电平电压源型逆变器拓扑结构示意图；
图2五电平电压源型逆变器拓扑结构示意图；
图3五电平电压源型逆变器空间电压矢量分布示意图；
图4五电平电压源型逆变器可抑制共模电压的空间矢量分布示意图；
图5(a)五电平电压源型逆变器A相电压仿真响应结果图；
图5(b)五电平电压源型逆变器共模电压仿真响应结果图；
图5(c)五电平电压源型逆变器三相电流仿真响应结果图；
图5(d)五电平电压源型逆变器共模电流仿真响应结果图；
图6本发明方法实现流程图；
图7本发明方法实现原理框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，2，对于奇数次多电平逆变器，例如三电平逆变器、五电平逆变器、七电平逆变器等，如果采用传统的空间矢量调制方法实现参考电压矢量的合成，实现的算法较为复杂，同时常规算法会导致逆变器输出电压包含着共模电压分量，极大的影响了逆变器输出性能。本发明提出的一种可有效抑制共模电压分量的脉宽调制技术，以传统的五电平逆变器拓扑结构为例，逆变器由三个功率开关桥臂、直流母线供电电源和四个分压电容构成，每个桥臂由八个功率开关组成和六个钳位二极管组成。任意单相逆变器桥臂输出电压矢量如下表：
表1.五电平逆变器单相开关桥臂电压矢量
| 电平L | 电压矢量VL | 电压矢量幅值|VL| |
| 0 | (00001111) | 0 |
| 1 | (00011110) | Vdc/4 |
| 2 | (00111100) | Vdc/2 |
| 3 | (01111000) | 3Vdc/4 |
| 4 | (11110000) | Vdc |
根据表1，可以进一步推导得到五电平逆变器所能实现的电压矢量在电压矢量平面的比较常见的一种矢量分布图，如图3所示。其中Lv为当前电压矢量在电压矢量平面中所处的层数。
对于任意电平逆变器，共模电压由下面公式计算得到：
VCM＝Van+Vbn+Vcn (1)
对于齐次多电平逆变器，所有电压矢量计算得到的共模电压取中间值时，这时所合成的电压矢量的范围最宽。参见图4，图中的两个等边六边形为不同层数下的具有共模电压抑制效果最大的两组电压矢量。在分布图中，任意一个电压矢量可以用(La，Lb，Lc)来表示，其中，La、Lb和Lc分布代表五电平逆变器三相桥臂输出的不同电平。例如(0，0，0)在图3和图4中都表示位于圆点出的零电压矢量，三个逆变器桥臂都分别输出0电平电压矢量，具体定义如表1所示。为了获得具有共模电压抑制能力的电压矢量(L’a，L’b，L’c)，本发明仅仅通过常规的两电平空间矢量调制输出的脉宽调制信号进行简单数学计算的空间矢量调制算法。具体的计算方法如下：
当参考电压顺时针旋转，
或
当参考电压逆时针旋转，
通过以上电平转换，在齐次多电平逆变器脉宽调制算法中，利用常规的两电平空间矢量调制算法和以上电平转换方法能够简单快速输出具有共模电压抑制能力的电压矢量。这种通过选用特定的脉宽调制输出状态就能够不产生共模电压，这样能够有效抑制多电平逆变器的共模信号。该方法能够提高齐次多电平逆变器安全性和工作性能。利用五电平逆变器为例，参见图5(a)，图5(b)，图5(c)和图5(d)，控制系统在0.81秒之前采用常规的PWM控制技术，在0.81秒之后系统切换到本发明提出的PWM技术。逆变器输出的A相电压持续稳定输出，如图5(a)所示；输出的三相电压的共模分量在控制策略切换后由最大幅值为100伏的脉动共模电压快速减小趋近为零值，如图5(b)所示；同时，电机三相电流在控制策略切换前后由轻微动荡变化为稳定输出状态，如图5(c)所示；三相电流的共模分量在控制策略切换后由最大幅值为1安的共模电压快速减小趋近为零值，如图5(d)所示。综上，提出的脉宽调制技术能够抑制逆变器输出的共模电压和共模电流，提出的技术是可行的和有效的。
参见图6，对于一个N次电平逆变器，N大于2且为奇数，可以通过以下步骤实现具有共模电压抑制的多电平逆变器空间矢量调制算法，整个算法的原理框图如图7所示：
1.参考输入电压标幺化：对于一个常规的多电平逆变器，最大幅值所生成空间电压矢量最大幅值为2Vnmax/3；而对于一个开相电机双逆变器，空间矢量最大幅值为4Vnmax/3。其中Vnmax为最大电压矢量幅值。在线性调制区内，单一多电平逆变器参考电压最大幅值为Vnmax/sqrt(3)，对于开相式电机双逆变器参考电压最大幅值为sqrt(3)Vnmax/2。
Vi,pu＝Vi/Vbase,i＝a,b,c (4)
具有共模电压抑制模式下的参考电压最大幅值一般是常规的参考电压幅值的sqrt(3)/2倍。因此对于单一的多电平逆变器基值选取为Vnmax/2，而对于开相电机的双逆变器基值选取为3Vnmax/4。它们的线性调制范围都为[-1,1]。
2.两电平空间矢量脉宽调制占空比计算：利用传统的两电平空间矢量调制算法，根据输入的参考电压计算调制波。
首先对输入的标幺化三相参考电压进行坐标转换，将三相静止坐标系下的参考输入电压转换为两相静止坐标系下，转换公式如下：
式中，Vα和Vβ为两相静止坐标系下的参考输入电压，Va,pu、Vb,pu和Vc,pu分别为三相静止坐标系下的参考输入电压标幺值。
参考电压矢量Vsref也可以表示为Vα和Vβ的复数形式：
Vsref＝Vα+jVβ
在两电平空间矢量调制算法中，在一个采样周期Ts内，参考电压矢量可以由零电压矢量和相邻的两个基本电压矢量Vk、Vk+1合成。两个基本矢量的作用时间Tk、Tk+1和它们对应的时间占空比Dk、Dk+1，其中Dk＝Tk/Ts，Dk+1＝Tk+1/Ts。零电压矢量的作用时间为T0和对应的时间占空比D0。相关的计算公式如下：
然后，考虑到所有的非零电压矢量幅值为：
根据上面公式可以推导出零电压矢量和两个基本矢量的占空比：
根据上式计算出三个时间占空比，按照不同的六个扇区具体情况可以计算出三相占空比，基本计算公式如下：
3.参考电压矢量所在层数计算：得到标幺化的占空比后，三相参考电压最大幅值被约束到[-1,1]的线性区间内。当前参考电压矢量所在电压平面内的层数为：
式中，int代表取整运算；N为逆变器的总电平数；Di为前面步骤计算出的占空比。
根据以前公式计算得到的层数和三个调制波，对调制波按照不同的层进行矢量压缩，压缩后的调制波可以按照传统的两电平脉宽调制技术进行斩波，完成斩波操作后就可以获得脉宽调制波。计算公式如下：
D′i＝N·Di+2Lvi-N-1,i＝a,b,c (9)
4.矢量反向映射：根据前面计算得到的参考电压矢量所在层数和斩波后的两电平脉宽调制波，按如下关系进行反向映射：当参考电压矢量位于第k层时，1≤k<N，若PWM输出为1，则输出最低电平为k，若PWM输出为0，则输出最低电平为k+1。
根据下表可以进一步确定选择的多电平逆变器对应电压矢量。
| 层数 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | *** | k-2 | k-1 | k-1 | k | k |
| PWM | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | *** | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 电平 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | *** | k-2 | k-1 | k | k | K+1 |
5.共模电压抑制：根据前面计算得到的电平和公式(2)和(3)，可以进一步确定具有共模电压抑制的电平。对于齐次多电平逆变器，具有电压抑制的电平数为：2i+1，i＝1,2,3,….N
6.产生脉宽调制波：根据上面最终确定的具有共模电压抑制的电平，利用电平与逆变器生成的电压矢量之间的映射关系，得到最终具有共模电压抑制的电压矢量。对于五电平逆变器，电平与电压矢量的映射关系可参考表1。通过该电压矢量能够有效控制逆变器输出电压谐波，提高多电平逆变器的输出电压品质。
Claims (5)
1.一种多电平逆变器通用脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.参考输入电压标幺化：对于N次电平逆变器，单一的多电平逆变器基值选取为Vnmax/2，其中Vnmax为最大电平数所对应的的电压矢量幅值；开相电机的双逆变器基值选取为3Vnmax/4，线性调制范围为[-1,1]；
b.两电平空间矢量脉宽调制占空比计算：首先将三相静止坐标系下的参考输入电压转换为两相静止坐标系下的参考输入电压，转换公式如下：
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式中，Vα和Vβ为两相静止坐标系下的参考输入电压，Va,pu、Vb,pu和Vc,pu分别为三相静止坐标系下的参考输入电压标幺值；
在一个采样周期Ts内，由零电压矢量和相邻的两个基本电压矢量Vk、Vk+1合成参考电压矢量Vsref，计算公式如下：
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上式中，k为扇区参考电压矢量所在的扇区号，Tk、Tk+1为两个基本电压矢量的作用时间，Dk、Dk+1为基本电压矢量对应时间的占空比，Dk＝Tk/Ts，Dk+1＝Tk+1/Ts；T0为零电压矢量的作用时间，D0为零电压矢量对应时间的占空比，参考电压矢量Vsref也能够表示为Vα和Vβ的复数形式：Vsref＝Vα+jVβ；
所有非零电压矢量幅值为：
根据上面公式推导出零电压矢量和两个基本电压矢量的占空比：
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c.参考电压矢量所在层数计算：通过以上步骤得到的标幺化占空比，即调制波，三相参考电压的最大幅值被约束到[-1,1]的线性区间内，当前参考电压矢量所在电压平面内的层数为：i＝a,b,c；式中，int代表取整运算；N为逆变器的总电平数；Di为前述步骤计算出的占空比；
根据以上公式计算得到的层数和调制波，对调制波在不同的层进行矢量压缩，压缩后的调制波按照两电平脉宽调制进行斩波，完成斩波操作后获得脉宽调制波；压缩后的占空比计算公式如下：Di'＝N·Di+2Lvi-N-1,i＝a,b,c；
d.矢量反向映射：根据计算得到的参考电压矢量所在层数和斩波后的两电平脉宽调制波，确定选择的多电平逆变器对应电压矢量；
e.共模电压抑制：根据上述步骤所得电平，确定具有共模电压抑制的电平；
f.产生脉宽调制波：根据上述步骤确定出的具有共模电压抑制的电平，利用电平与逆变器生成的电压矢量映射关系，得到具有共模电压抑制的电压矢量；通过该电压矢量控制逆变器输出电压谐波，提高多电平逆变器的输出电压品质。
2.根据权利要求1所述的多电平逆变器通用脉宽调制方法，其特征在于：所述的步骤a中N大于2且为奇数。
3.根据权利要求1所述的多电平逆变器通用脉宽调制方法，其特征在于，所述的步骤d中矢量反向映射关系为：当参考电压矢量位于第k层时，若PWM输出为1，则输出最低电平为k，若PWM输出为0，则输出最低电平为k+1；1≤k<N。
4.根据权利要求1所述的多电平逆变器通用脉宽调制方法，其特征在于，所述的步骤e结合以下公式，确定具有共模电压抑制的电平：
当参考电压顺时针旋转，
或
当参考电压逆时针旋转，
上式中，(La，Lb，Lc)表示任意一个电压矢量，其中，La、Lb和Lc分别代表多电平逆变器三相桥臂输出的不同电平，(L’a，L’b，L’c)表示具有共模电压抑制能力的电压矢量。
5.根据权利要求1所述的多电平逆变器通用脉宽调制方法，其特征在于，所述的步骤e中具有电压抑制的电平大于2且为奇数。
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