CN105305791B - 一种抑制共模电压的三电平shepwm方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制共模电压的三电平SHEPWM方法，包括以下步骤：求得开关角，绘制三相输出波形图；将SHEPWM三相输出视为与SVPWM一致的空间矢量集，分别计算大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量以及零矢量对应的共模电压；根据三相电压输出波形通过计算得到一个周期360°内的输出矢量变化和作用区间；判断当前时间段三相输出矢量类型；当三相输出矢量的类型为正小矢量时，将其三相开关状态切换为该正小矢量同位置与之成对的负小矢量；当三相输出矢量的类型为其他4种矢量类型时，三相SHEPWM开关状态照常输出。本发明能够在不影响消除线电压特定谐波的前提下，保持中点电压自平衡特性并有效降低逆变器输出的共模电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种三电平变换器调制方法，特别是一种抑制共模电压的三电平特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)方法。
背景技术
随着科技的进步与生活水平的提高，人们对电能质量的要求也在不断提升，三电平变换器等多电平变换器越来越多被使用与工业与社会生活等领域以提供更优质的电能。
SHEPWM通过在输出电压波形特定位置处设置“缺口”，使输出电压中不存在某些特定低次谐波。由于相电压波形满足奇对称和π/2对称。其基本原理是将逆变器输出电压波形展开成傅里叶级数的形式，令低次谐波的傅里叶系数为零，得到一组非线性方程组，通过求解方程组得到一组开关角。在开关角对应的时刻选择开通或关断特定的功率器件，使逆变器输出相应的电平，从而达到消除特定谐波的目的。与其他PWM方法相比，SHEPWM方法具有输出线电压波形质量高、功率器件开关损耗小、直流电压利用率高、直流侧电流纹波小，利于滤波器设计、有效消除低次谐波等优点，在多电平逆变器控制方面受到广泛关注。
现有的三电平SHEPWM方法不能有效抑制共模电压。
发明内容
本发明的目的是在不影响消除线电压特定谐波的前提下，保持中点电压自平衡特性的同时，有效降低逆变器输出的共模电压，具体技术方案如下：
一种抑制共模电压的三电平SHEPWM方法，包括以下步骤：
S1、根据控制系统性能要求确定开关角个数和调制度；
S2、建立三电平SHEPWM模型，根据步骤S1中的开关角个数和调制度通过优化算法求得相应调制度时的开关角，并绘制三相输出波形图；
S3、将SHEPWM三相输出视为与SVPWM一致的空间矢量集，并将矢量类型分为：大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量以及零矢量，并计算这5种矢量类型对应的共模电压；每相输出状态有3种：﹢Ud/2，0，-Ud/2，将这三种分别记为p，o，n，每一时刻三相SHEPWM都有对应的输出状态，由于SHEPWM三相波形的相位关系，零矢量ppp和nnn在SHEPWM调制中不会出现，因此，步骤S3中的零矢量为ooo；空间矢量对应共模电压如下表所示：
| 分类 | 矢量 | |UCMV| |
| 大矢量 | pnn,ppn,npn,npp,nnp,pnp | Udc/6 |
| 中矢量 | pon,opn,npo,nop,onp,pno | 0 |
| 小矢量I | onn,ppo,non,opp,nno,pop | Udc/3 |
| 小矢量II | poo,oon,opo,noo,oop,ono | Udc/6 |
| 零矢量 | ooo | 0 |
表1空间矢量对应共模电压表
表中Udc为当前直流侧母线电压。
S4、根据三相电压输出波形通过计算得到一个周期360°内的输出矢量变化和作用区间；如下表所示：
表2 SHEPWM三相输出矢量及其作用时间
S5、确定当前时间段SHEPWM三相输出矢量；
S6、判断步骤S5中三相输出矢量的类型及其输出共模电压；
S7、当步骤S6判断得出三相输出矢量的类型为正小矢量时，将其三相开关状态切换为该正小矢量同位置与之成对的负小矢量；当步骤S6判断得到三相输出矢量的类型为其他4种矢量类型时，三相开关状态照常输出；
S8、等待进入下一时间段，进入下一时间段时返回步骤S5。
采用上述方法后,三电平逆变器输出共模电压最大幅值不超过直流母线电压的1/6；
进一步的，所述步骤S2中建立的三电平SHEPWM模型为：
式中Ud为直流侧电源电压，基波调制度N为1/4周期内所取开关角个数，开关角应满足条件：
能够根据调制度和开关角个数计算出满足条件的开关角，并应用于三相输出波形图的绘制中；
进一步的，例如取调制度m＝1，1/4周期内所取开关角个数N＝4，求得此时的开关角度。
进一步的，本发明描述的调制方法可以应用于变频器、光伏逆变器、储能变流器、有源电力滤波器和电力电子变压器等变流器场合。
本发明的有益效果在于：
(1)、将其SHEPWM三相输出状态中共模电压较大的小矢量变换为与之对应的共模电压较小的小矢量，变换前和变换后的两个小矢量状态在空间矢量图中处于同一位置。因此在抑制共模电压输出的同时，不改变SHEPWM输出的线电压波形，即不会改变SHEPWM的线电压谐波消除效果。
(2)、由于变换是以π轴为中心对称发生的，因此变换后的SHEPWM三相输出波形具有原对称性，仍然存在中点电压自平衡特性。
(3)、三电平输出共模电压最大幅值不超过直流母线电压的1/6，能够有效抑制共模电压。
附图说明
图1、本发明的方法流程示意图；
图2、三电平空间矢量图；
图3、开关角为α1＝14°，α2＝63°，α3＝67°，α4＝83°时三电平SHEPWM三相输出波形图；
图中，ia、ib、ic为三相电流。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种抑制共模电压的三电平特定谐波消除脉宽调制方法，包括以下步骤：
S1、根据控制系统性能要求确定开关角个数和调制度；本实施例中，取开关角为4个，调制度为1.0；
S2、建立三电平SHEPWM模型，
式中Ud为直流侧电源电压，基波调制度N为1/4周期内所取开关角个数，开关角应满足条件：
以其中一个可消除5，7，11次谐波的三电平逆变器，SHEPWM解集为例进行叙述，该解集为α1＝14°，α2＝63°，α3＝67°，α4＝83°。并绘制三相输出波形图，如图3示。
S3、将SHEPWM三相输出视为与SVPWM一致的空间矢量集，在SHEPWM算法控制下，每一时刻三相SHEPWM都有对应的输出状态。令a相相位为θ时的三相输出分别为a(θ)，b(θ)，c(θ)，若已知a相某一相位的SHEPWM输出状态，则可根据式(1)得到该相位延迟60°之后c相的输出状态。
同理，通过b、c相上电压输出波形的奇偶对称及a、b、c三相间的波形关系可推得式(2)、(3)，即若已知b相与c相在某一相位的输出状态，则可分别得到该相位延迟60°之后a相与b相的输出状态。
a(θ+60°)＝-b(θ) (2)
b(θ+60°)＝-c(θ) (3)
结合式(1)、(2)、(3)可知，若已知某一相位时的SHEPWM三相输出状态，则可得到该相位延迟60°后的新的三相输出状态。
由三电平空间矢量图以及对空间矢量位置的分析可知，若将某一相位的SHEPWM三相输出状态对应到SVPWM矢量图中，该矢量与其在空间矢量图上逆时针旋转60°得到的新矢量也同样满足式(1)、(2)、(3)，则四分之一周期对称的SHEPWM在某60°范围内的三相输出状态与SVPWM的空间矢量分布保持一致。若将SHEPWM在60°范围内的三相输出状态看成多个空间矢量，则其在全周期的输出可视为与SVPWM一致的逆时针旋转一周的空间矢量集。
将矢量类型分为：大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量以及零矢量，并计算这5种矢量类型对应的共模电压；每相输出状态有3种：﹢Ud/2，0，-Ud/2，将这三种分别记为p，o，n，每一时刻三相SHEPWM都有对应的输出状态，由于SHEPWM三相波形的相位关系，零矢量ppp和nnn在SHEPWM调制中不会出现，因此，步骤S3中的零矢量为ooo；空间矢量对应共模电压如下表所示：
| 分类 | 矢量 | |UCMV| |
| 大矢量 | pnn,ppn,npn,npp,nnp,pnp | Udc/6 |
| 中矢量 | pon,opn,npo,nop,onp,pno | 0 |
| 小矢量I | onn,ppo,non,opp,nno,pop | Udc/3 |
| 小矢量II | poo,oon,opo,noo,oop,ono | Udc/6 |
| 零矢量 | ooo | 0 |
表1空间矢量对应共模电压表
表中Udc为当前直流侧母线电压。
S4、根据三相电压输出波形通过计算得到一个周期360°内的输出矢量变化
和作用区间；如下表所示：
表2 SHEPWM三相输出矢量及其作用时间
S5、确定当前时间段SHEPWM三相输出矢量；
S6、判断步骤S5中三相输出矢量的类型及其输出共模电压；
S7、当步骤S6判断得出三相输出矢量的类型为正小矢量时，将其三相开关状态切换为该正小矢量同位置与之成对的负小矢量；当步骤S5判断得到三相输出矢量的类型为其他4种矢量类型时，三相开关状态照常输出；
S8、等待进入下一时间段，进入下一时间段时返回步骤S5。
采用上述方法后,三电平逆变器输出共模电压最大幅值不超过直流母线电压的1/6。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由权利要求书限定。
Claims (3)
1.一种抑制共模电压的三电平SHEPWM方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据控制系统性能要求确定开关角个数和调制度；
S2、建立三电平SHEPWM模型，根据步骤S1中的开关角个数和调制度通过优化算法求得相应调制度时的开关角，并绘制三相输出波形图；
S3、将SHEPWM三相输出视为与SVPWM一致的空间矢量集，并将矢量类型分为：大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量以及零矢量，并计算这5种矢量类型对应的共模电压；
S4、根据三相电压输出波形通过计算得到一个周期360°内的输出矢量变化和作用区间；
S5、确定当前时间段SHEPWM三相输出矢量；
S6、判断步骤S5中三相输出矢量的类型及其输出共模电压；
S7、当步骤S6判断得出三相输出矢量的类型为正小矢量时，将其三相开关状态切换为该正小矢量同位置与之成对的负小矢量；当步骤S6判断得到三相输出矢量的类型为其他4种矢量类型时，三相开关状态照常输出；S8、等待进入下一时间段，进入下一时间段时返回步骤S5。
2.如权利要求1所述的一种抑制共模电压的三电平SHEPWM方法，其特征在于：所述步骤S2中建立的三电平SHEPWM模型为：
式中Ud为直流侧电源电压，基波调制度N为1/4周期内所取开关角个数，开关角应满足条件：
3.采用如权利要求1所述的一种抑制共模电压的三电平SHEPWM方法的变频器、光伏逆变器、储能变流器、有源电力滤波器或电力电子变压器。
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| CN105305791A CN105305791A (zh) | 2016-02-03 |
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| US7495938B2 (en) * | 2005-04-15 | 2009-02-24 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | DC voltage balance control for three-level NPC power converters with even-order harmonic elimination scheme |
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| CN105048847A (zh) * | 2015-08-13 | 2015-11-11 | 安徽大学 | 一种基于shepwm的变流器中点电压平衡控制方法 |
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| Title |
|---|
| 基于空间矢量切换的三电平逆变器中性点电位平衡策略;石新春等;《高压电器》;20091216;第45卷(第6期);第65-68页 * |
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