CN106533230A - 基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法，首先通过坐标变换将三相电压值变换到60度坐标系下，然后按照VSVPWM方案将空间矢量图划分为六个大区，每大区包含5个小区，在每个小区内设置一个简化的平衡因子，将此平衡因子用来调节九段式中各个基本矢量的作用时间，从而使用冗余小矢量抵消直流侧累积的中点电压偏置。该方法不仅具有传统VSVPWM方法在全调制比和全功率因数范围内的均压效果，而且消除了累积的电容电压偏置，提高了三电平逆变器的输出电压质量，使三电平逆变器应用在并网补偿无功功率条件下的应用场合能够保持直流侧电容电压的平衡，保证了系统的可靠性。

Description

基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法

技术领域

本发明涉及一种三电平虚拟空间矢量调制方法，尤其涉及一种基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法。

背景技术

三电平逆变器自发明以来，在高压大功率场合，例如高压直流输电、风力发电、可再生能源以及储能等领域得到了广泛应用。相比于两电平逆变器，三电平逆变器降低了功率器件承受的电压应力，从而提高了直流母线的电压容量。同时由于输出的相电压多了一个电平，从而降低了输出电压和电流的谐波含量，使得输出波形更接近于正弦。以前使用最广泛的三电平拓扑是二极管中点钳位式拓扑，近年来，T型三电平拓扑逐渐开始广泛使用，由于其显著的优势，如更少的开关器件数量、无需考虑开关管顺序以及更低的总体损耗等，正逐渐取代二极管中点钳位式拓扑，成为三电平领域的主流拓扑。

直流侧电容中点电压不平衡是制约三电平逆变技术的重要技术问题，为解决此问题，国内外学者进行了大量的研究。目前的均压方法主要分为硬件法和软件法两大类。硬件法是使用多个独立直流电源或附加硬件电路实现均压，都需要增加或改动硬件，所付出的成本较大。而使用软件法平衡直流侧中点电压不需额外硬件，大大节约了成本，因此业界普遍使用的是软件均压法。

目前在三电平逆变器的调制方法中，使用最广泛的是空间矢量调制方法(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)。该方法的物理意义明确，电压利用率比正弦脉宽调制法高15％，且易于数字实现，非常适合在含有DSP和FPGA的控制电路上使用。目前基于SVPWM法提出的中点均压软件控制法主要有：(1)矢量取舍法，通过舍去一对冗余小矢量，增加中点电压偏移的某个小矢量，保留余下的对中点均压有利的小矢量来控制中点电位趋向平衡，此方案可以减少开关器件的开关动作次数，减小系统损耗，但此方法无法实现精确均压，同时可能导致输出电压谐波增大；(2)平衡因子法，通过精确计算流入流出中点电位的电荷量，在调制过程中通过调整冗余小矢量的分配时间来实现对直流侧中点电压的准确平衡控制，该控制算法目前得到广泛应用。

但是基于SVPWM法的平衡因子均压法存在局限性，当调制度较高、负载功率因数较小时，这种中点电压控制方法存在不可控区域，中点电位总存在三倍频波动。中点电位的波动主要是由无功分量来决定，故当负载功率因数较低时，引起的中点电压低频振荡较高，此外当调制比较高时，中矢量对矢量合成的贡献增加，冗余小矢量的均压能力减弱。因此在高调制比和低功率因数的条件下，基于SVPWM的中点电压平衡方法效果会变差，即存在不可控区域。鉴于此缺陷，有学者提出了虚拟空间矢量调制策略(Virtual Space Vector PulseWidth Modulation，VSVPWM)，可以实现在全调制比和功率因数范围内的均压，但是该方法仍存在缺陷，不能消除累积效应所导致的电容电压偏置。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法，包括以下步骤：

(1)通过如式1的坐标变换将三电平逆变器三相电压值转换到60度坐标系，整数化基本电压矢量坐标，简化计算过程；

其中，u_a是a相电压，u_b是b相电压，u_c是c相电压，u_g是60度坐标系下g轴电压分量，u_h是60度坐标系下h轴电压分量；

(2)通过式1构造60度坐标系下的三电平的空间矢量图，将空间矢量图划分为六个大区，每个大区包含5个小区，然后由式2构造第一大区的虚拟矢量，从而使冗余小矢量得到充分利用；

其中，v_S1、v_S2、v_M1、v_ZS1、v_ZS2、v_ZM1为各分区矢量；

(3)按照电压参考矢量在60度坐标系下的坐标及坐标系的对称性，计算最近三矢量各自的作用时间T₁、T₂、T₃；

(4)按照电压参考矢量自身所处的坐标区域，判断任一时刻中点电流对应的相电流值；

(5)在空间矢量图六个大区中的每个小区内设置简化平衡因子f，第一大区的5个小区简化平衡因子f如式3；

其中，inp_x(x＝1，2，3，4，5)是九段式前五段各自对应的中点电流值，_UC1、_UC2是电容C1、C2两侧的电压，C为C1、C2的电容值；

(6)使用简化平衡因子调节九段式中的各段基本矢量时间，从而利用冗余小矢量抵消直流侧电容电压的累积偏差。

有益效果：该方法实现了三电平逆变器在全调制比以及全功率因数范围内的直流侧电压平衡，不仅避免了传统空间矢量调制法在高调制比和低功率因数情况下无法实现均压的固有缺点，而且消除了一般虚拟空间矢量调制策略在这种情况下无法处理的累积误差，改善了三电平逆变器的输出电压质量，成功实现了三电平逆变器应用在STATCOM、SVC或SVG等需要在并网条件下补偿无功功率时的直流侧电容电压平衡，从而提高了三电平系统运行的可靠性。

附图说明

图1是T型三电平逆变器的拓扑图；

图2是直角坐标系下的三电平的空间矢量图；

图3是60度坐标系下的三电平的空间矢量图；

图4是VSVPWM第一大区分区空间矢量图；

图5是VSVPWM分区空间矢量图；

图6是第一大区第2小区九段式各基本矢量对应的作用时间图；

图7是传统SVPWM调制时的电容电压波形图；

图8是传统SVPWM调制时的电容电压波形局部放大图；

图9是传统SVPWM调制时三电平逆变器输出的相电压图；

图10是传统SVPWM调制时三电平逆变器输出的线电压图；

图11是传统SVPWM调制、传统VSVPWM调制以及本专利所述调制下的电容电压波形图；

图12是本专利所述调制下的电容电压波形局部放大图；

图13是本专利所述调制下三电平逆变器输出的相电压图；

图14是本专利所述调制下三电平逆变器输出的线电压图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是T型三电平逆变器的拓扑图。T型逆变器在中点与每相输出之间增加了双向开关管，交流侧经网侧电感接阻性负载，T型三电平逆变器的输出电平与开关状态的关系与二极管中点钳位型逆变器类似，分为以下三个状态：(1)“P”状态：S_a1、S_a2导通，S_a3、S_a4关断，输出电平为U_dc/2；(2)“O”状态：S_a2、S_a3导通，S_a1、S_a4关断，输出电平为0；(3)“N”状态：S_a1、S_a2关断，S_a3、S_a4导通，输出电平为-U_dc/2。三相三电平逆变器具有a、b、c三相，开关状态一共有27个。

相电压U_x公式如式1：

其中，开关函数S_x的表达式为：S_x＝1，P状态；S_x＝0，O状态；S_x＝-1，N状态；U_dc是直流侧输入电压。

将式1代入三相电压合成空间矢量U_s的表达式，得到式2：

其中，u_a是a相电压，u_b是b相电压，u_c是c相电压。由式2可以得到如图2所示的直角坐标系下的三电平的空间矢量图，图中划分了6个大区。然后通过如式3所示的坐标变换将三相输出电压进行参考值转换，得到如图3所示的60度坐标系下的三电平的空间矢量图。从图3中可知，基本电压矢量坐标已被整数化。

其中，u_g是g轴电压分量，u_h是h轴电压分量。根据式4构造第一大区的虚拟矢量，如图4所示，从而使冗余小矢量得到充分利用。其余大区的虚拟矢量与第一大区类似。将空间矢量坐标图划分为六个大区，每个大区包含5个小区，分区矢量图如图5所示。

其中，V_S1、V_S2、v_M1、v_ZS1、v_ZS2、V_ZM1为各分区矢量。按照电压参考矢量在60度坐标系下的坐标及坐标系的对称性，计算最近三矢量各自的作用时间。以第一大区第2小区为例，设置九段式基本矢量对应的作用时间，如图6所示，由式5解得各基本矢量的作用时间。

其中，T_s是开关周期时间，T₁、T₂、T₃是最近三矢量的作用时间，t₁，t₂，t₃，t₄，t₅是各段基本矢量时间，V_rg，V_rh，V_xg，V_xh(x＝1，2，3)是参考电压矢量和基本矢量在60度坐标系下的坐标。由此可见，使用60度坐标系进行基本矢量作用时间运算避开了直角坐标系下的三角函数运算，计算过程大大简化。按照电压参考矢量自身所处的坐标区域，判断任一时刻中点电流对应的相电流值。在空间矢量图六个大区中的每个小区内设置一个简化平衡因子，第一大区的5个小区分别对应的简化平衡因子f₁、f₂、f₃、f₄和f₅如式6所示：

其中，inp_x(x＝1，2，3，4，5)是九段式前五段各自对应的中点电流值，_UC1、_UC2是电容两侧的电压，C为电容值。使用简化平衡因子调节九段式中的各段基本矢量时间，从而利用冗余小矢量抵消直流侧电容电压的累积偏差。以第一大区第2小区为例，ONN与POO互为一对冗余小矢量，OON与PPO互为另一对冗余小矢量，可设置两个平衡因子，而本发明所述的简化平衡因子将两因子合为一个，如式7所示：

其中，t₁'、t'₂、t'₃、t'₄、t'₅是九段式前五段各自对应的作用时间，F₁、F₂是设置的两个平衡因子，f₂是简化平衡因子。

根据式8可计算出一个开关周期内九段式所注入中点的电荷q：

而中点原有的电荷Q表达式如式9：

Q＝2C(U_C1-U_C2) 9

其中，C为电容值。式6给出的简化平衡因子使得注入中点的电荷满足：

q+Q＝0 10

式10表明，本专利所述的基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法充分利用了冗余小矢量抵消直流侧电容电压的累积偏差。表1给出了第一大区5个小区经简化平衡因子调节后的九段式中的各段基本矢量时间(由于对称性，仅列出前五段)。

表1

对系统进行仿真，仿真参数如表2，系统仿真时间1.0s。仿真结果如图7-图14所示。

表2

如图7所示是使用传统SVPWM调制时的电容电压波形，0.5s时刻加入传统平衡因子法进行均压，在高调制比和低功率因数的条件下传统SVPWM方法无法达到中点电压平衡。如图8所示是使用传统SVPWM调制时的电容电压波形局部放大图，显示此时中点电位存在三倍频振荡，因此此时三电平逆变器输出的相电压和线电压均存在较大畸变，相电压如图9所示，线电压如图10所示。

图11显示了先后使用传统SVPWM调制、传统VSVPWM调制以及本专利所述调制下的电容电压波形，系统在0～0.5s依然使用传统SVPWM调制，0.5s～0.7s使用传统VSVPWM调制，0.7s以后使用本专利所述的基于简化平衡因子的调制。从图中可以看出，0.5～0.7s时刻中点电位的三倍频振荡消失，但前0.5s累积的中点电位偏移依然存在，而当0.7s时刻本专利所述调制方法启动后，中点电位的偏移迅速得到了抑制。

如图12所示是本专利所述调制下的电容电压波形局部放大图，无论是有功引起的中点电位偏移还是无功引起的中点电位波动，都得到了有效处理，因此系统输出的相电压和线电压畸变减小，电能质量得到了改善。相电压如图13所示，线电压如图14所示。仿真结果证明了本专利所提出的基于简化平衡因子的新型均压调制方法对高调制比低功率因数情况下累积中点电压偏移消除的有效性。

Claims (2)

1.一种基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过如式1的坐标变换将三电平逆变器三相电压值转换到60度坐标系，整数化基本电压矢量坐标，简化计算过程；

$\left[\begin{array}{c}{u}_g\\ u_h\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---1$

其中，u_a是a相电压，u_b是b相电压，u_c是c相电压，u_g是60度坐标系下g轴电压分量，u_h是60度坐标系下h轴电压分量；

(2)通过式1构造60度坐标系下的三电平的空间矢量图，将空间矢量图划分为六个大区，每个大区包含5个小区，然后由式2构造第一大区的虚拟矢量，从而使冗余小矢量得到充分利用；

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ZS1}=\frac{1}{2}\left(V_{S1}\right(POO)+V_{S1}(ONN\left)\right)\\ V_{ZS2}=\frac{1}{2}\left(V_{S2}\right(PPO)+V_{S2}(OON\left)\right)\\ V_{ZM1}=\frac{1}{3}\left(V_{S1}\right(ONN)+V_{M1}(PON)+V_{S2}(PPO\left)\right)\end{array}\right.---2$

其中，V_S1、V_S2、V_M1、V_ZS1、V_ZS2、V_ZM1为各分区矢量；

(3)按照电压参考矢量在60度坐标系下的坐标及坐标系的对称性，计算最近三矢量各自的作用时间T₁、T₂、T₃；

(4)按照电压参考矢量自身所处的坐标区域，判断任一时刻中点电流对应的相电流值；

(5)在空间矢量图六个大区中的每个小区内设置简化平衡因子f，第一大区的5个小区简化平衡因子f如式3；

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\frac{-(i_{np1}+i_{np4})T_1-(i_{np2}+i_{np5})T_2-2i_{np3}{T}_3-4C(U_{C1}-U_{C2})}{(i_{np1}-i_{np4})T_1+(T_{np2}-i_{np5})T_2}\\ f_2=\frac{-3(i_{np1}+i_{np4})T_1-3(i_{np2}+i_{np5})T_2-2(i_{np1}+i_{np3}+i_{np5})T_3-12C(U_{C1}-U_{C2})}{3(i_{np1}-i_{np4})T_1+3(i_{np2}-i_{np5})T_2}\\ f_3=\frac{-3(i_{np1}+i_{np4})T_1-6i_{np2}{T}_2-2(i_{np1}+i_{np3}+i_{np5})T_3-12C(U_{C1}-U_{C2})}{3(i_{np1}-i_{np4})T_1}\\ f_4=\frac{-3(i_{np2}+i_{np5})T_1-6i_{np4}{T}_2-2(i_{np1}+i_{np3}+i_{np5})T_3-12C(U_{C1}-U_{C2})}{3(i_{np2}-i_{np5})T_1}\\ f_5=\frac{-6i_{np2}{T}_1-6i_{np4}{T}_2-(i_{np1}+i_{np3}+4i_{np5})T_3-12C(U_{C1}-U_{C2})}{(i_{np1}+i_{np3}-2i_{np5})T_3}\end{array}\right.---3$

其中，inp_x(x＝1，2，3，4，5)是九段式前五段各自对应的中点电流值，U_C1、U_C2是电容C1、C2两侧的电压，C为C1、C2的电容值；

(6)使用简化平衡因子调节九段式中的各段基本矢量时间，从而利用冗余小矢量抵消直流侧电容电压的累积偏差。

2.根据权利要求1所述的基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法，其特征在于：步骤(3)中最近三矢量各自的作用时间T₁、T₂、T₃的计算如式4；

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=\frac{(V_{rg}-V_{3g})(V_{2h}-V_{3h})-(V_{rh}-V_{3h})(V_{2g}-V_{3g})}{(V_{1g}-V_{3g})(V_{2h}-V_{3h})-(V_{1h}-V_{3h})(V_{2g}-V_{3g})}{T}_s\\ T_2=\frac{(V_{rg}-V_{3g})(V_{1h}-V_{3h})-(V_{rh}-V_{3h})(V_{1g}-V_{3g})}{(V_{2g}-V_{3g})(V_{1h}-V_{3h})-(V_{2h}-V_{3h})(V_{1g}-V_{3g})}{T}_s\\ T_3=T_s-T_1-T_2\end{array}\right.---4$

其中，T_s是开关周期时间，V_rg，V_rh是参考电压矢量在60度坐标系下的坐标，V_xg，V_xh(x＝1，2，3)是基本矢量在60度坐标系下的坐标。