CN105429498A - 基于npc三电平svpwm逆变器相电流重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法，以解决NPC三电平逆变器运行，通过中点电流采样的方式进行重构相电流时，SVPWM调制方式在扇区边界位置的非观测区域内无法完成相电流重构的不足。本方法在非观测区域，将传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量分解为两个互补的矢量，以此满足最小采样时间，并构建新的基本空间矢量，在新建的空间矢量作用过程中，采用中点电流采样方式重构相电流。本发明通过在扇区边界位置的非观测区域构建新的基本空间矢量，将非观测区域转变为可观测区域，可有效地通过中点电流采样的方式在非观测区域重构相电流，且具有容易实现、控制效果较好的优点。

Description

基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法。

背景技术

工业领域对交流传动控制日益增长的需求促进了电力电子器件容量耐压等级及微电子控制技术的提高，中点钳位式(NPC)三电平是其中的典型拓扑，相较于传统的两电平逆变器，由于电平数目增多，使得输出电压谐波成分减少，开关管的电压开关应力降低，从而使系统损耗减少，在低压开关器件的应用更加广泛。

为了使逆变器输出达到较好的效果，需要对相电流进行采样反馈。电流采样技术可分为直接采样和间接采样。直接采样中，将至少两个电流传感器放置在输出负载侧，以提供三相电流的反馈信号；间接采样中，使用一个电流传感器，通过采集中点电位上的电流用以构建三相电流。间接采样法相比于直接采样法，减少了电流传感器个数，节省生产成本，同时降低了系统的重量和体积，并且能够消除由于传感器间参数的差异导致的测量误差。基于上述的优势，基于中点电位的电流采样技术广泛应用于多种场合。

然而，NPC三电平逆变器空间矢量调制(SVPWM)运行，进行中点电流采样时，载波周期内非零基本空间矢量的作用时间只有在满足最小采样时间T_min的前提下，才能对相电流进行有效重构。空间参考矢量在扇区边界切换时，会出现在一个载波周期内非零基本空间矢量的作用时间不满足T_min，导致电流采样失效，这些区域称为非观测区。针对非观测区的处理方法，主要是通过改变调制矢量时序以及状态，如增减调制矢量作用，增大载波周期，保证非零基本空间矢量最小作用时间。

申请号为201010039771.3的专利《基于直流母线电流的电动机相电流检测方法》，通过在一个多倍于载波周期的算法周期内，保持该时间段内多个载波周期非零矢量总作用时间不变，将其中一个PWM载波周期内非零基本空间矢量的作用时间，增大到满足最小采样时间。该方法算法周期较长，不利于精准检测电流；专利号为201110331123.X的《基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法》，将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量，并加入零基本空间矢量。该方法基于两电平拓扑结构，不能拓展至NPC三电平逆变器。

发明内容

本发明为了解决NPC三电平逆变器运行时，通过中点电流采样的方式进行重构相电流，SVPWM调制在扇区边界位置的非观测区域无法完成相电流重构的不足，提供一种算法容易实现、控制效果较好的相电流重构方法，并采用以下技术方案来实现：

一种基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法，

NPC三电平逆变器运行时，在可观测区域，采用传统SVPWM方式进行调制；在扇区边界位置的非观测区域，将传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量，分解为两个互补的矢量，并构建新的基本空间矢量，在新建的空间矢量作用过程中，采用中点电流采样方式重构相电流。

分解传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量时，选取与调制矢量相近的矢量进行分解，以相邻的原基本空间矢量为参考量，分解为与参考量同向和反向的两个互补矢量，并以此作为新的基本空间矢量进行调制。

分解后两个互补矢量的作用时间是分解前的原基本空间矢量作用时间的一半，以互补矢量及原基本空间矢量为基础，构建新的基本空间矢量，同时调整重构后的基本空间矢量调制时序与作用时间。

本发明针对NPC三电平逆变器运行时，在扇区边界位置的非观测区域，将传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量，分解为两个互补的矢量，并构建新的空间作用矢量，对相电流进行重构；在可观测区域，采用传统SVPWM方式进行调制，以保证在全周期内相电流的有效检测。

附图说明

图1为NPC三电平逆变器中点电流采样结构图；

图2为空间矢量调制示意图；

图3为第一扇区区域划分示意图；

图4为划分后的小区域矢量调制时序图；

图5为空间矢量调制时的非观测区域示意图；

图6为第一扇区的非观测区域划分及空间矢量分解方式示意图；

图7为与非观测区域Z₁对应的分解重构后的空间矢量调制时序与作用时间示意图；

图8为与非观测区域Z₂对应的分解重构后的空间矢量调制时序与作用时间示意图；

图9为与非观测区域Z₃对应的分解重构后的空间矢量调制时序与作用时间示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细描述。但是下文所揭示的内容为本发明的原理，并不局限于仅此一例。

为了克服使用传感器检测三相电流时成本高、体积大的问题，在精度要求不高且需要降低成本的情况下，通常采用检测中点电流的方法重构三相电流。NPC三电平逆变器在钳位二极管与直流电容中点之间进行电流采样，利用中点电流和开关管开关状态重构三相电流。

NPC三电平逆变器的结构原理图如图1所示，通过在不同的开关状态下检测中点电流i_dc便可以重新构建相电流。下面分析SVPWM调制时的开关状态，以A相桥臂为例，三电平的每相桥臂有三种状态[P,O,N]，对应的开关管状态为：

$P:S_{a1}=1,S_{a2}=1,S_{a3}=0,S_{a4}=0,V=\frac{U_{dc}}{2}$

O:S_a1＝0,S_a2＝1,S_a3＝1,S_a4＝0,V＝0

$N:S_{a1}=0,S_{a2}=0,S_{a3}=1,S_{a4}=1,V=-\frac{U_{dc}}{2}$

三电平的SVPWM调制空间矢量有27种类型，每个基本空间矢量都对应一种开关状态，基本空间矢量的施加是通过改变12个开关管(IGBT)的导通状态来实现的，通过控制开关管导通时间，即控制基本空间矢量的作用时间，由基本空间矢量作用时间的长短，即可合成任意方向、大小的调制矢量，图2为空间矢量调制示意图。

不同的开关管通断状态对应着不同的相电流流向。因此，可利用空间矢量调制时，同一PWM载波周期内开关管两次不同状态时刻，通过采集中点电流来重构三相电流，图2中标示出当基本空间矢量为短矢量以及中矢量时，中点电流传感器采样值i_dc对应的三相电流。

传统SVPWM调制算法将整个矢量空间先分成6个大扇区，再将每个大扇区分成6个小区域。以第一扇区为例，如图3空间矢量示意图所示，阐述如何进行中点电流采样并重构相电流。根据传统SVPWM调制算法，选取三个基本空间矢量V₀、V₁和V₂，分别作用后再进行合成而获得调制矢量，图4为第一扇区内6个小区域的开关时序图。

以区间1的相电流状态为例，如图4中的区间1所示。在开关管的状态为ONN时，此时流进中点的电流为A相正电流，即i_dc＝i_a；开关管的状态为PON时，此时流进中点的电流为B相正电流，即i_dc＝i_b；开关管的状态为POO时，此时流进中点的电流为A相负电流，即i_dc＝-i_a，而根据平衡负载下，三相电流之和i_a+i_b+i_c＝0，至此可以得到一个载波周期内的三相电流。所以通过在不同开关状态时刻，对中点电流进行采样，可以重构三相电流，同时由于传统SVPWM为七段式调制，所以可以选择在调制前端或者后端进行采样，不会影响电流的检测值。

图4中给出了在第一扇区所有6个区间的开关导通序列以及相电流重构方式。调制矢量处于其他扇区时，中点电流采样以及相电流的重构方式是相似的，本领域的技术人员应了解其中原理，在此就不对其他扇区的情形进行一一推导了。

要使中点电流采样值可以有效重构相电流，在SVPWM调制时，基本空间矢量的作用时间不能过短，必须满足最小采样时间T_min，否则电流采样时间过短，逆变电路无法完成中点电流的采样。若要满足最小采样时间，基本空间矢量在一个PWM载波周期内作用时间的1/2必须大于最小采样时间。

参见图5空间矢量调制时的非观测区域的示意图，NPC三电平逆变器在采用空间矢量调制(SVPWM)方式进行驱动时，调制矢量在扇区边界(图中阴影部分)切换时，存在基本空间矢量在一个PWM载波周期内的作用时间过短，而无法满足最小采样时间的问题，这样便不能完成中点电流的采样。同理，对于其他的扇区的边界区域亦存在同样问题，由于基本原理是相同的，在此不逐一进行分析了。

为解决上述问题，提出了本文所述相电流重构方法。NPC三电平逆变器在运行时，在可观测区域，采用传统SVPWM方式进行调制，对相电流进行重构；在扇区边界位置的非观测区域时，将传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量，分解为两个互补的矢量，并构建新的空间作用矢量。下面以图6第一扇区的非观测区域划分及空间矢量分解方式为例进行分析，如图中所示，在第一扇区靠近短矢量ONN的区域，非观测区分成三部分Z₁、Z₂和Z₃。调制矢量在空间旋转时不可避免会落入其中的区域，下面逐一分析调制过程和作用时间。

调制矢量位于非观测区间Z₁时，采用传统SVPWM调制时的开关导通时序为ONN-OON-OOO-POO-OOO-OON-ONN，其中基本空间矢量POO/ONN的作用时间满足最小采样时间，而基本空间矢量OON的作用时间不满足最小采样时间，不能有效检测C相电流。为了增加OON的延续时间，将原基本空间矢量中的零矢量OOO分解，以相邻基本空间矢量OON为参考量，分解成反向互补的两个矢量OON和NNO，如图6所示。设原基本空间矢量ONN的作用时间为t₀，OON的作用时间为t₁，OOO的作用时间设为t₂。分解之后，得到的互补矢量OON、NNO为原基本矢量OOO的作用时间的一半，为t₂/2。由两个互补矢量OON、NNO与原矢量ONN构成新的基本空间矢量，此时基本空间矢量OON的作用时间增加为(t₁+t₂/2)，由此增加了OON的导通时间，使其满足最小采样时间，PWM载波调制时序为NNO-ONN-OON-OON-ONN-NNO，相应的导通时间在传统SVPWM导通时间基础上简单变化，新基本矢量ONN的作用时间仍为t₀，新基本矢量NNO是原矢量OOO作用时间的一半，作用时间为t₂/2，新基本矢量OON作用时间为(t₁+t₂/2)，基本空间矢量调制时序与作用时间如图7所示。

调制矢量位于非观测区间Z₂时，采用传统SVPWM调制时的开关导通时序为ONN-OON-PON-POO-PON-OON-ONN，其中基本空间矢量PON的作用时间满足最小矢量作用时间，而基本空间矢量OON的作用时间不满足最小矢量作用时间，不能有效检测电流。为了增加OON的延续时间，将原基本空间矢量中的短矢量POO/ONN分解，以相邻基本空间矢量PON为参考量，分解成反向互补的两个矢量PON和ONO，如图6所示。将原基本空间矢量OON的作用时间设为t₁，基本矢量POO/ONN的作用时间设为t₀。分解之后，基本空间矢量OON的作用时间为(t₁+t₀/2)，由此增加了OON的延续时间，使其满足最小采样时间，同时两个互补矢量PON、ONO与原矢量OON构成新的基本空间矢量，PWM载波调制时序ONO-OON-PON-PON-OON-ONO，相应基本空间矢量调制时序与作用时间如图8所示。

调制矢量位于非观测区间Z₃时，采用传统SVPWM调制时的开关导通时序为ONN-PNN-PON-POO-PON-PNN-ONN，其中基本空间矢量POO/ONN的作用时间不满足最小矢量作用时间，不能有效检测电流。将原基本空间矢量中的短矢量POO/ONN分解，以相邻基本空间矢量PON为参考量，分解成两个反向互补的矢量PON和ONO，如图6中所示。以分解之后的两个互补矢量PON、ONO与原矢量PNN为基础，构成新的基本空间矢量。此时PWM载波调制时序为ONO-PNN-PON-PON-PNN-ONO，相应基本空间矢量调制时序与作用时间如图9所示。其余扇区中区间内(如图6中第六扇区阴影部分)非观测区域的相电流重构方式，与上述方法原理一致，在此不赘述。

通过本发明，对于NPC三电平逆变器运行时，使得在扇区边界区域的非观测区域同样可以采样，可有效地通过中点电流采样的方式在非观测区域重构相电流。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法，其特征在于：

NPC三电平逆变器运行时，在可观测区域，采用传统SVPWM方式进行调制；在扇区边界位置的非观测区域，将传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量，分解为两个互补的矢量，并构建新的基本空间矢量，在新建的空间矢量作用过程中，采用中点电流采样方式重构相电流。

2.根据权利要求1所述的基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法，其特征在于：

分解传统SVPWM基本空间矢量中的零或短矢量时，选取与调制矢量相近的矢量进行分解，以相邻的原基本空间矢量为参考量，分解为与参考量同向和反向的两个互补矢量，并以此作为新的基本空间矢量进行调制。

3.根据权利要求2所述的基于NPC三电平SVPWM逆变器相电流重构方法，其特征在于：

分解后两个互补矢量的作用时间是分解前的原基本空间矢量作用时间的一半，以互补矢量及原基本空间矢量为基础，构建新的基本空间矢量，同时调整重构后的基本空间矢量调制时序与作用时间。