CN105610339B

CN105610339B - 一种虚拟空间矢量的三电平调制方法

Info

Publication number: CN105610339B
Application number: CN201510973451.8A
Authority: CN
Inventors: 胡振斌; 凌晓斌; 庄海峰; 李小省; 吴哲; 许家益; 李敏; 王文林; 叶云; 汪宏华; 王承玉; 凌云志; 耿浩; 迟屹楠
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Huanshang Power Supply Co of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd; Shenzhen Tieon Energy Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Huanshang Power Supply Co of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd; Shenzhen Tieon Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: CN105610339A

Abstract

本发明提供了一种虚拟空间矢量的三电平调制方法，包括以下步骤：(1)将传统虚拟空间矢量转化为改进的虚拟矢量。判断参考矢量所处的大扇区，小扇区。与传统虚拟空间矢量的划分不同，小扇区重新进行了划分；确定小扇区的具体合成矢量。(2)计算参与合成的矢量的作用时间，同时引入冗余因子f。本方法可以显著简化传统虚拟矢量算法复杂的计算。处理原来系统难以处理的外部打破中点电位平衡因素，处理外部变化引起的中点电位偏移，比如并网逆变系统在电网跳变或不平衡跌落产生的中点电位偏移。

Description

一种虚拟空间矢量的三电平调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种虚拟空间矢量的三电平调制方法。

背景技术

Sergio Busquets-Monge等学者提出的虚拟矢量PWM(Virtual Space VectorPWM,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。但是这个方法本质上属于开环控制。就是控制不了中点电压原本就有偏移的情况，或者外部变化引起的中点偏移，如并网逆变系统在电网跳变和不平衡跌落产生的中点电位偏移。后来有很多人采用了闭环方法，但基本上是沿用Sergio Busquets-Monge等学者的思路，方法变为更加复杂，但中点电位偏移的效果并不理想。因此需要跳出Sergio Busquets-Monge等学者的思路，提供一种新的改进方法，才能满足闭环抑制母线中点电压偏移的需求。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种虚拟空间矢量的三电平调制方法，

第一步：将传统空间矢量转化为改进的虚拟矢量，判断参考矢量所处的大扇区、小扇区；传统空间矢量图，划分为6个等边三角形大扇区SECTORⅠ、SECTORⅡ、SECTORⅢ、SECTORⅣ、SECTORⅤ、SECTORⅥ，每个大扇区又划分为6个小三角形扇区，得到27个基本矢量，其中基本零矢量3个，基本小矢量12个，基本中矢量6个，基本大矢量6个；与传统虚拟空间矢量的划分不同，小扇区重新进行了划分；确定小扇区的具体合成矢量，方法如下：

将基本矢量中的部分矢量合成形成虚拟矢量，以第I扇区SECTORⅠ为例，将基本空间矢量PWM转化为虚拟矢量，

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为基本小矢量，V_PON为基本中矢量，V_PPN、V_PNN为基本大矢量，

其中，虚拟大矢量就是基本大矢量，虚拟中矢量和虚拟小矢量需要用基本中矢量和基本小矢量合成；

第二步：

计算作用时间：根据公式(1)，计算T1、T2和T3，

电压Vref用三个矢量V1和V2和V3以及作用时间T1、T2和T3的乘积来等效，其中Vref矢量作用时间Ts；

根据公式(1)解方程可以得到T1,T2和T3。然后通过例如图6(或者图7)的方式来分配矢量以及作用时间，进而得到VVM1，VVS1，VVL1，VVS1，VVL1的作用时间TVM1，TVS1，TVL1，TVS1，TVL1，

引入冗余因子f：

引入冗余因子f后，正小矢量作用时间为tp＝(1+f)t1/2，负小矢量作用时间tn＝(1-f)t1/2，正负小矢量的和还是没有变，仍为t1，f为0时，正、负小矢量的作用时间都是t1/2，相当于没有平衡能力，通过控制冗余因子来实现控制中点电压原本就有偏移的情况。

作为本发明的进一步改进，所述冗余因子f的选取范围为0到1。

作为本发明的进一步改进，大扇区方式一样，小扇区划分方式为，分为8个小三角形区域，标示为11区、12区、21区、22区、3区、5区、41区、42区，

原来的1区被分解为两个等面积区域11和12，

原来的2区被分解为两个等面积区域21和22，

原来的4区被分解为两个等面积区域41和42，

原来的3区和5区保持不变，

其中11区、21区、41区和3区都采用3区的矢量和时序图，矢量为原来3区的三角形顶点V_VM1，V_VS1，V_VL1，

其中21区、22区、42区和5区都采用5区的矢量和时序图，矢量为原来5区的三角形顶点V_VM1，V_VS2，V_VL2。

本发明的有益效果是：

本方法可以显著简化传统虚拟矢量算法复杂的计算。

处理原来系统难以处理的外部打破中点电位平衡因素，处理外部变化引起的点偏移，比如并网逆变系统在电网跳变或不平衡跌落产生的中点偏移。

附图说明

图1是传统空间矢量图，划分为6个等边三角形大扇区SECTORI-SECTORVI每个大扇区又划分为6个小三角形扇区；

图2Sergio Busquets-Monge虚拟矢量图。其中6个大扇区和传统方式一样，每个大扇区按照图示三角形划分为5个小扇区；

图3是系统拓扑图；

图4是I号大扇区的Sergio虚拟矢量小扇区分布，分为5个三角形区域；

图5是I号大扇区的Sergio虚拟矢量小扇区分布，分为8个小三角形区域，标示为11、12、21、22、3、5、41、42；

图6是输出电压矢量时序图-小扇区3；

图7是输出电压矢量时序图-小扇区5

图8是输出电压矢量时序图-小扇区4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

原理说明：

三相系统改进的虚拟空间矢量的三电平调制方法，包括以下步骤：

(1)将传统空间矢量转化为改进的虚拟矢量。判断参考矢量所处的大扇区，小扇区。与传统虚拟空间矢量的划分不同，小扇区重新进行了划分；确定小扇区的具体合成矢量。

(2)计算参与合成的矢量的作用时间，同时引入冗余因子f；

采用虚拟中矢量的控制算法，较好地控制中点电压平衡，但无法控制中点电压原本就有偏移时的情况；

这个问题的解决：在调制步骤(2)实现，引入冗余因子f。

根据对中点电压的作用，分为正负小矢量。原来正、负小矢量的作用时间都是t1/2。引入冗余因子f后，正小矢量作用时间为tp＝(1+f)t1/2，负小矢量作用时间tn＝(1-f)t1/2，正负小矢量的和还是没有变，仍为t1。f为0的时候，正、负小矢量的作用时间都是t1/2，相当于没有平衡能力，通过控制冗余因子来实现控制中点电压原本就有偏移的情况。

矢量合成的法则，最近三个矢量合成法则

电压Vref,可以用三个矢量V1和V2和V3以及作用时间T1,T2和T3的乘积来等效，其中Vref矢量作用时间Ts。本文提到的所有的矢量均遵从这个合成法则，不管是虚拟矢量还是基本矢量。

第一步：

将传统空间矢量转化为改进的虚拟矢量。判断参考矢量所处的大扇区，小扇区。与传统虚拟空间矢量的划分不同，小扇区重新进行了划分；确定小扇区的具体合成矢量。

图3中三相系统拓扑中，开关闭合用1表示，断开用0表示。则当{Si1,Si2,Si3,Si4}＝{1,1,0,0}时，用状态P表示；当{Si1,Si2,Si3,Si4}＝{0,0,1,1}时，用状态N表示；当{Si1,Si2,Si3,Si4}＝{0,1,1,0}时，用状态O表示；i表示A相、B相和C相中的任意一相；根据图1得到27个基本矢量，其中零矢量3个，小矢量12个，中矢量6个，大矢量6个。

第一步的具体方法：

虚拟矢量就是将图1中的27个基本矢量中的部分矢量合成形成新的矢量。以第I扇区为例，将基本空间矢量PWM转化为虚拟矢量。

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分别为基本小矢量，V_PON为基本中矢量，V_PPN、V_PNN为基本大矢量。

公式(4)虚拟大矢量就是基本大矢量。虚拟中矢量和虚拟小矢量需要用基本中矢量和基本小矢量合成。以基本中矢量V_PON为例，因其对应的中点电流ib(t)通常不为零，且随时间变化，会对中点电压造成不可控影响。在一个采样周期内，在原本的基本中矢量上加入相邻的两个基本小矢量V_OON，V_PPO(对应中点电流分别为i_a和i_c)，令三者作用时间相同，用此虚拟矢量代替原来的基本中矢量则可消除中矢量对中点电压的影响。虚拟中矢量V_VM1＝(V_ONN+V_PON+V_PPO)/3。采用虚拟中矢量代替原来的基本中矢量后，一个扇区被分成了5个小区域。

图4中的三角形4区域为第I大扇区第4小扇区。图8为4区域的开关时序，由最近三虚拟矢量方法得到的开关序列可知，在该小区中不存在矢量来调节中点电位，因此三角形4不具备中点电位调节能力。

图5改进的虚拟矢量调制方法划分扇区方式：

大扇区方式一样。图5为新的小扇区划分方式，分为8个小三角形区域，标示为11区,12区,21区,22区,3区，5区,41区,42区。

原来的1区被分解为两个等面积区域11和12。

原来的2区被分解为两个等面积区域21和22。

原来的4区被分解为两个等面积区域41和42。

原来的3区和5区保持不变。

其中11区,21区,41区和3区都采用3区的矢量和时序图。矢量为原来3区的三角形顶点V_VM1，V_VS1，V_VL1。

其中21区,22区，42区和5区都采用5区的矢量和时序图。矢量为原来5区的三角形顶点V_VM1，V_VS2，V_VL2。

改进的虚拟矢量方法中，I扇区的所有的矢量和时序图均只用到2个。原来要用5个，所以大大简化了运算。

改进的虚拟矢量方法中，原来的4区被分解为两个等面积三角形区域41和42。其他大扇区中的小扇区的处理方法同第一扇区中的小扇区处理方法。

第二步：

计算参与合成的矢量的作用时间，同时引入冗余因子f；

计算作用时间：根据公式(1)，可以计算T1、T2和T3。

根据公式(1)可得V_VM1，V_VS1，V_VL1，V_VS1，V_VL1的作用时间T_VM1，T_VS1，T_VL1，T_VS1，T_VL1。

然后可以得到图6和图7的开关序列和作用时间。

引入冗余因子f：

根据对中点电压的作用，分为正负小矢量。原来正、负小矢量的作用时间都是t1/2。引入冗余因子f后，正小矢量作用时间为tp＝(1+f)t1/2，负小矢量作用时间tn＝(1-f)t1/2，正负小矢量的和还是没有变，仍为t1。f为0的时候，正，负小矢量的作用时间都是t1/2，相当于没有平衡能力，通过控制冗余因子来实现控制中点电压原本就有偏移的情况。

参考电压矢量Vref在图5的3区为例，可计算出相邻3个基本矢量的作用时间。设虚拟小矢量的作用时间为t1，虚拟中矢量的作用时间为t2，虚拟大矢量的作用时间为t3。

造成中点电压偏离零点的原因是一个周期内流入中点的电荷不为零，故直流侧中点电位平衡问题可通过控制流入中点的电荷来实现。

三相负载平衡时，参考矢量所在小区域中，中矢量对应中点电流为ia+ib+ic＝0，设正负小矢量作用时间分别为tp＝(1+f)t1/2，tn＝(1-f)t1/2，通过调节tp，tn即可控制中点电压而不改变输出电压。其中冗余因子f的选取范围为0到1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种虚拟空间矢量的三电平调制方法，其特征在于：

第一步：将传统空间矢量转化为改进的虚拟矢量，判断参考矢量所处的大扇区、小扇区；传统空间矢量图，划分为6个等边三角形大扇区SECTORⅠ、SECTORⅡ、SECTORⅢ、SECTORⅣ、SECTORⅤ、SECTORⅥ，每个大扇区又划分为8个小三角形扇区，标示为11区、12区、21区、22区、3区、5区、41区、42区，其中，原来的1区被分解为两个等面积区域11和12，原来的2区被分解为两个等面积区域21和22，原来的4区被分解为两个等面积区域41和42，原来的3区和5区保持不变；其中11区、21区、41区和3区都采用3区的矢量和时序图，矢量为3区的三角形顶点V_VM1，V_VS1，V_VL1，

其中21区、22区、42区和5区都采用5区的矢量和时序图，矢量为5区的三角形顶点V_VM1，V_VS2，V_VL2；确定小扇区的具体合成矢量，方法如下：

第二步：

计算作用时间：根据公式(1)，计算T1、T2和T3，

根据公式(1)解方程得到T1,T2和T3，然后分配矢量以及作用时间，进而得到VVM1，VVS1，VVL1，VVS1，VVL1的作用时间TVM1，TVS1，TVL1，TVS1，TVL1，

引入冗余因子f：

2.根据权利要求1所述的一种虚拟空间矢量的三电平调制方法，其特征在于：所述冗余因子f的选取范围为0到1。