CN105703648A - 一种三电平空间矢量调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三电平空间矢量调制方法，将整个空间矢量图分为A-F六个大区，每个大区性质类似，将三电平逆变器的27个基本矢量按照模长分为6个大矢量、6个中矢量、6对正负小矢量、3个零矢量，并设计了一种新的虚拟中矢量VNMi＝kA0VMi+kA1VSi+kA2VS(i+1)(i＝0,1,2...5)；将gh坐标系用于新的空间矢量图中，并以简单的逻辑判断方法进行矢量分区以及矢量作用时间的计算；参考矢量由最近3个新空间矢量合成。本发明提出了新的空间矢量定义方法，使得参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量中都包含两个成对的正、负小矢量，可以避免传统空间矢量调制方法中的某些区域中点电压不能完全平衡的问题。

Description

一种三电平空间矢量调制方法
技术领域
本发明涉及三电平逆变器调制方法，特别是一种新的三电平逆变器空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPWM,SVPWM)方法。
背景技术
随着科技的进步，对逆变器输出电能质量的要求和输出功率在不断提升，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和更高的输出功率。
SVPWM调制方法是从如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场的角度出发，以三相对称正弦电压供电时交流电机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，由比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。因此SVPWM直流电压利用率高，电流纹波小，转矩脉动小，但存在较为复杂的三角运算。目前SVPWM在输出电能质量要求较高的各种调速逆变器、有源电力滤波器、光伏并网逆变器、储能变流器等中得到了广泛的应用。
但传统的SVPWM方法在多电平二极管钳位型逆变器中使用时，在调制度较大时没有成对的小矢量参与合成参考矢量，因此不能有效实现中点电压的控制。且在空间矢量图中调制度较大的某些区域，参与合成的基本矢量中没有或者仅有一个成对的正、负小矢量，在控制中点电压平衡的同时，没有冗余的成对小矢量实现其它控制目标。
发明内容
本发明对传统的空间矢量进行重新定义，需要解决的技术问题是使得参考矢量在空间矢量图的任何区域都有两个成对的正、负小矢量参与合成，因此在有效实现三电平二极管钳位型逆变器中点电压平衡的同时，可以进行其它目标的优化控制。
为解决上述的技术问题，本发明的一种新的三电平空间矢量调制方法，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:
VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且kA0+kA1+kA2＝1；VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量；由于新的虚拟中矢量包括两对小矢量，控制更加灵活，因此可以通过调整参数kA0，kA1，kA2控制中矢量和各小矢量的作用时间，实现中点电压平衡和其他优化目标的控制。
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；
S3、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，通过坐标变换，得到g-h坐标系下A-F大区的空间矢量坐标；为了简化矢量分区和作用时间的计算，将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中；
S4、提出新的矢量分区方法：仅需简单的逻辑判断或算术运算；
S41、新的大区分区方法：设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(vrg,vrh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到：
大区 A B C D E F
vrg >0 <0 <0 <0 >0 >0
vrh >0 >0 >0 <0 <0 <0
vrg+vrh -- >0 <0 -- <0 >0
S42、新的小区分区方法：以A大区为例，参考矢量所在的小区通过下表简单的算术运算得到：B-F大区的小区分区方法与A区类似；
S5、计算矢量作用时间：根据上述分区方法和参考矢量的位置得到最近三矢量，设最近三矢量为：Vx＝(vxg,vxh)T,其中：vxg,vxh∈{-2,-1,0,1,2},x∈{1,2,3}；由伏秒平衡原理可得在g-h坐标系中求解各个矢量的占空比公式为：
v r g = d 1 v 1 g + d 2 v 2 g + d 3 v 3 g v r h = d 1 v 1 h + d 2 v 2 h + d 3 v 3 h 1 = d 1 + d 2 + d 3 - - - ( 1 )
可以解得：
d 1 = ( v r g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v 1 h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) d 2 = ( v r g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v 2 h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) d 3 = 1 - d 1 - d 2 ; - - - ( 2 )
由步骤S41、S42以及式(2)可见，仅含有简单的逻辑判断或算术运算，能够简化大量的三角运算，节省硬件资源，为多电平逆变器空间矢量调制的实时控制提供了一种十分有效的方法，特别是电平数较多时该方法优势更明显。
S6、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例：
从上表可见，参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量中都包含两个成对的正、负小矢量。
S7、通过选择合适的小矢量实现中点电压平衡和其他控制目标的优化。
进一步的，步骤S1中kA0，kA1，kA2的取值需考虑最小脉冲宽度的限制和加入死区时间的影响。因为开关管的开通过程和关断过程都需要时间的，一般设置一个死区时间大于开关管的开通时间和关断时间，实际中要等互补的管子完全关断才能打开要开的管子。
本发明描述的调制方法可以应用于各种钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、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)、重新定义虚拟中矢量，包括两对小矢量，能够克服传统调制方法在动态运行时中点钳位型逆变器存在中点电压不能完全平衡的问题；
(2)中矢量经过重新定义后，使得在新的空间矢量图的任何区域内，合成参考矢量的基本矢量都包含两对正、负小矢量，可以采用其中一对中点电压影响大的小矢量控制中点电位平衡，而另一对小矢量实现其他目标的优化控制。
(3)、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，采用简单的逻辑判断和算术运算进行分区以及矢量作用时间的计算，避免了复杂的三角函数运算，能够大大节省硬件资源。
附图说明
图1、传统三电平空间矢量图；
图2、本发明的实施例对应的新的三电平空间矢量图；
图3、本发明的实施例对应的A大区新空间矢量图及空间矢量坐标。
具体实施方式
一种新的三电平空间矢量调制方法，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:
VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且kA0+kA1+kA2＝1；在实际应用中kA0，kA1，kA2的取值要考虑考虑最小脉冲宽度的限制和加入死区时间的影响。VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量；由于新的虚拟中矢量包括两对小矢量，控制更加灵活，因此可以通过调整参数kA0，kA1，kA2控制中矢量和各小矢量的作用时间，实现中点电压平衡和其他优化目标的控制。
本实施例中，可以取为例。
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；如图2所示，其中A大区如图3所示。
S3、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，通过坐标变换，得到g-h坐标系下A-F大区的空间矢量坐标；为了简化矢量分区和作用时间的计算，将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中；
S4、提出新的矢量分区方法：仅需简单的逻辑判断或算术运算；
S41、新的大区分区方法：设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(vrg,vrh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到：
S42、新的小区分区方法：以A大区为例，参考矢量所在的小区通过下表简单的算术运算得到：B-F大区的小区分区方法与A区类似；
S5、计算矢量作用时间：根据上述分区方法和参考矢量的位置得到最近三矢量，设最近三矢量为：Vx＝(vxg,vxh)T,其中：vxg,vxh∈{-2,-1,0,1,2},x∈{1,2,3}；由伏秒平衡原理可得在g-h坐标系中求解各个矢量的占空比公式为：
v r g = d 1 v 1 g + d 2 v 2 g + d 3 v 3 g v r h = d 1 v 1 h + d 2 v 2 h + d 3 v 3 h 1 = d 1 + d 2 + d 3 - - - ( 1 )
可以解得：
d 1 = ( v r g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v 1 h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) d 2 = ( v r g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v 2 h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) d 3 = 1 - d 1 - d 2 ; - - - ( 2 )
由步骤S41、S42以及式(2)可见，仅含有简单的逻辑判断或算术运算，能够简化大量的三角运算，节省硬件资源，为多电平逆变器空间矢量调制的实时控制提供了一种十分有效的方法，特别是电平数较多时该方法优势更明显。
S6、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例：
区域 合成矢量 对应的基本矢量状态
A1 VZ,VS0,VS1 PPP,OOO,NNN,POO,ONN,PPO,OON
A2 VS0,VNM0,VL0 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A3 VS0,VNM0,VS1 POO,ONN,PPO,PON,OON
A4 VS1,VNM0,VL1 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A5 VL0,VNM0,VL1 PNN,PPO,PON,ONN,PPN,POO,OON
从上表可见，参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量中都包含两个成对的正、负小矢量。
S7、通过选择合适的小矢量实现中点电压平衡和开关损耗减小控制策略。
该发明描述的调制方法可以应用于各种钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、有源电力滤波器和电力电子变压器等变流器场合。
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，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种三电平空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且kA0+kA1+kA2＝1；VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量PON；
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；
S3、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，通过坐标变换，得到g-h坐标系下A-F大区的空间矢量坐标；
S4、提出新的矢量分区方法：仅需简单的逻辑判断或算术运算；
S41、新的大区分区方法：设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(vrg,vrh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到： 大区 A B C D E F vrg >0 <0 <0 <0 >0 >0 vrh >0 >0 >0 <0 <0 <0 vrg+vrh -- >0 <0 -- <0 >0
S42、新的小区分区方法：以A大区为例，参考矢量所在的小区通过下表简单的算术运算得到：B-F大区的小区分区方法与A区类似；
S5、计算矢量作用时间：根据上述分区方法和参考矢量的位置得到最近三矢量，设最近三矢量为：Vx＝(vxg,vxh)T,其中：vxg,vxh∈{-2,-1,0,1,2},x∈{1,2,3}；由伏秒平衡原理可以得到最近三矢量的占空比为： d 1 = ( v r g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 h - v 3 h ) - ( v 1 h - v 3 h ) ( v 2 g - v 3 g ) d 2 = ( v r g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v r h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) ( v 2 g - v 3 g ) ( v 1 h - v 3 h ) - ( v 2 h - v 3 h ) ( v 1 g - v 3 g ) d 3 = 1 - d 1 - d 2 ;
S6、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例： 区域 合成矢量 对应的基本矢量状态 A1 VZ,VS0,VS1 PPP,OOO,NNN,POO,ONN,PPO,OON A2 VS0,VNM0,VL0 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON A3 VS0,VNM0,VS1 POO,ONN,PPO,PON,OON A4 VS1,VNM0,VL1 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON A5 VL0,VNM0,VL1 PNN,PPO,PON,ONN,PPN,POO,OON
S7、通过选择合适的小矢量实现中点电压平衡和其他控制目标的优化。
2.如权利要求1所述的一种三电平空间矢量调制方法，其特征在于：步骤S1中kA0，kA1，kA2的取值需考虑最小脉冲宽度的限制和加入死区时间的影响。
3.采用如权利要求1所述的一种三电平空间矢量调制方法的钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、有源电力滤波器和电力电子变压器。
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