CN107196536B - 一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平svpwm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法，应用于永磁同步电机矢量变换控制系统的三相T型三电平逆变器在采用单电源供电方案时会产生中点电位不平衡的问题，通常会导致逆变器的性能下降。本发明的目的就在于通过改进传统SVPWM方法使得无需通过硬件结构的改变，不需要大量增加逆变器的体积和成本，就能够在更多更复杂的工况下维持三电平逆变器中性点平衡；同时进一步提高共模电压抑制能力，减小对电机绝缘的冲击，增加电机的寿命，降低维护成本，提高电机控制系统运行稳定性；改进的SVPWM方法适合数字化，并且中点电压平衡调节过程的运算量少，便于微机系统实时控制。

Description

一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法

技术领域

本发明涉及中低压变频器技术以及三电平逆变器领域，尤其涉及一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM(空间矢量脉宽调制)方法。

背景技术

传统两电平逆变器是目前应用于电机控制、传动领域最广泛的逆变形式，由于其拓扑简单、控制算法简捷最受欢迎。但是随着电压等级、容量等级的增大，两电平逆变器的缺点也越来越突出，它对器件的正向耐压值要求越来越高、损耗也越来越大、输出电能质量不高，所以人们开始寻找新的拓扑形式，三电平逆变器应运而生。三电平逆变器相对于传统两电平逆变器具有谐波分量小、对器件耐压要求低、电磁干扰小、损耗小效率高因而更适合应用于电压、容量等级高的场合。适用于三电平逆变器的调制方法也很多，比如载波法、特定谐波消除法、电压空间矢量调制法等。电压空间矢量调制因其便于数字化、控制简便广泛适用于微机控制系统，但是使用过程中通常会存在如下问题：首先是三电平逆变拓扑固有的中点电位平衡问题，其次是共模电压过大的问题，第一个问题会导致逆变器的输出电能谐波分量上升电能质量变差，严重情况下可能影响逆变器的运行；第二个问题会考验到电机的绝缘，如果绝缘等级不够，那么一旦使用普通的电压空间矢量调制可能会导致一系列的绝缘问题，电机的寿命和稳定性会大大下降。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法，适用于永磁同步电机矢量变换控制系统中T型三电平逆变器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：电压空间矢量的分类和编号

对于三电平逆变器每相存在3种输出状态，分别为P、O、N。定义三相上表示3种输出电平状态的函数T_x(x＝a,b,c)，与每相4个开关管的开关状态一一对应，表示为：

其中1表示对应开关管闭合，0表示对应开关管断开，T_a表示a相的输出电平状态，T_b表示b相的输出电平状态，T_c表示c相的输出电平状态；S_a1～S_a4表示a相的4个开关管的开关状态，S_b1～S_b4表示b相的4个开关管的开关状态，S_c1～S_c4表示c相的4个开关管的开关状态；

三相输出端相对于中性点的电压可以表示如下：

其中V_dc表示直流母线电压；U_aO表示a相输出端相对于中性点的电压，U_bO表示b相输出端相对于中性点的电压，U_cO表示c相输出端相对于中性点的电压；

将三相电压定义在静止的定子a-b-c坐标系上，空间电压的综合矢量U_s表示为：

U_a、U_b、U_c分别表示逆变器三相输出端的电压，其起点都是三电平逆变器的中性点电位。

将27种开关状态T_a、T_b、T_c代入公式(3)，得出三相三电平的电压空间矢量图；根据电压空间矢量图将电压空间矢量进行分类和编号，分成以下4类：大矢量，幅值为2V_dc/3，冗余度为1；中矢量，幅值为冗余度为1；小矢量，幅值为V_dc/3，冗余度为2；零矢量，幅值为0，冗余度为3；表一为不重复的19种电压空间矢量的分类和编号：

表一：

其中v₀-v₁₈为19种电压空间矢量；

步骤二：扇区判断

将整个电压空间矢量图划分为6个大扇区，分别标记为I、II、III、IV、V、VI，在电压空间矢量平面内建立α-β-0坐标系，将三相静止坐标系下的电压矢量转换为两相静止坐标系下表示：

其中U_α表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的α分量，U_β表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的β分量；

根据输入的参考电压矢量的幅值和相位，判断该输入的参考电压矢量在整个电压空间矢量图中的所在的扇区，具体判断方法如下：

该输入的参考电压矢量在第I号大扇区的判断条件是：

在第II号大扇区的判断条件是：

在第III号大扇区的判断条件是：

在第IV号大扇区的判断条件是：

在第V号大扇区的判断条件是：

在第VI号大扇区的判断条件是：

根据电压空间矢量中小矢量和中矢量的顶点，将各大扇区划分成四个面积相等的区域，记为A、B、C、D；根据构成A、B、C、D的区域边界，得到四个区域的边界约束条件；根据该约束条件，判断输入的参考电压矢量所在区域；确定所在具体扇区后，选择该小扇区的三个顶点矢量V₀、V₁、V₂作为合成该参考电压矢量U_ref的三个矢量。

步骤三：矢量作用时间的计算

确定作用的三个矢量后，设三个矢量的作用时间分别为T₀、T₁、T₂，T_PWM为调制方法的采样时间。通过伏秒平衡原理计算每个矢量的作用时间，矢量方程为：

V₀T₀+V₁T₁+V₂T₂＝U_refT_PWM (11)

由于U_ref位于V₀、V₁、V₂构成的小扇区内，自然满足：

T₀+T₁+T₂＝T_PWM (12)

通过式(11)-(12)，得到T₀、T₁、T₂的表达式和值；

步骤四：安排矢量作用顺序

测量两个直流母线电容上的电压设定一个大于零的阈值U_th，利用以下判断条件确定使用的三矢量作用顺序：

(1)若则中性点电位偏低，若三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP；

(2)若则中性点电位在正常的波动范围内，若奇数号大扇区内的B小扇区和偶数号大扇区内的A、C、D小扇区的三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP；其余小扇区内的三相输出电平状态中若存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

(3)若则中性点电位偏高，若三相输出电平状态中存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

根据步骤三中得到的三矢量作用时间和步骤四中得到的三矢量作用顺序，得到对称五段式调制波形。

本发明的有益效果如下：本发明在传统五段式SVPWM方法的基础上对五段式SVPWM方法进行改进得到的新调制方法具有中点电压平衡和共模电压抑制能力。首先，中点电压平衡问题解决的方案可以大致分为硬件和软件两种。本发明主要使用软件调整的方法，由于中点电压的平衡问题主要由小矢量和中矢量引起，所以主要使用对中点电位偏移效果相反的一对等价小矢量实时调整中点电位，形成了不同的矢量顺序安排表。另外，还采取了滞环判断的方法使得不管中点电位如何变化，都可以采取合适的矢量顺序调整中点点位，具备良好的实时性。其次，传统七段式SVPWM方法在共模电压的问题上表现并不是十分理想，因为七段式SVPWM方法本身会导致共模电压变化范围比较大，所以对电机的绝缘是一个考验，采取五段式的方法后可以减小共模电压变化率和变化范围，对电机的稳定性和寿命都是有益的措施。除此之外，采取五段式调制在谐波质量要求范围内尽可能减小了器件的开关损耗，在任意一个调制周期内都存在一相电平不需要改变，而且每个调制周期内电平变化次数也较七段式减少，效率也会相应提高。

附图说明

图1是三相T型三电平逆变器的拓扑结构图；

图2是三相三电平的电压空间矢量图；

图3是一个大扇区内小扇区的划分方法图；

图4是一个调制周期的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法，具体包括如下步骤：

步骤一：电压空间矢量的分类和编号

如图1，对于三电平逆变器每相存在3种输出状态，分别为P、O、N。定义三相上表示3种输出电平状态的函数T_x(x＝a,b,c)，与每相4个开关管的开关状态一一对应，表示为：

其中1表示对应开关管闭合，0表示对应开关管断开，T_a表示a相的输出电平状态，T_b表示b相的输出电平状态，T_c表示c相的输出电平状态，S_a1～S_a4表示a相的4个开关管的开关状态，S_b1～S_b4表示b相的4个开关管的开关状态，S_c1～S_c4表示c相的4个开关管的开关状态；

三相输出端相对于中性点的电压可以表示如下：

其中V_dc表示直流母线电压；U_aO表示a相输出端相对于中性点的电压，U_bO表示b相输出端相对于中性点的电压，U_cO表示c相输出端相对于中性点的电压；

将三相电压定义在静止的定子a-b-c坐标系上，空间电压的综合矢量U_s表示为：

U_a、U_b、U_c分别表示逆变器三相输出端的电压，其起点都是三电平逆变器的中性点电位。

如图2，将27种开关状态T_a、T_b、T_c代入公式(3)，得出三相三电平的电压空间矢量图；根据电压空间矢量图将电压空间矢量进行分类和编号，分成以下4类：大矢量，幅值为2V_dc/3，冗余度为1；中矢量，幅值为冗余度为1；小矢量，幅值为V_dc/3，冗余度为2；零矢量，幅值为0，冗余度为3；表一为不重复的19种电压空间矢量的分类和编号：

表一：

其中v₀-v₁₈为19种电压空间矢量；

步骤二：扇区判断

将整个电压空间矢量图划分为6个大扇区，分别标记为I、II、III、IV、V、VI，在电压空间矢量平面内建立α-β-0坐标系，将三相静止坐标系下的电压矢量转换为两相静止坐标系下表示：

其中U_α表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的α分量，U_β表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的β分量；

根据输入的参考电压矢量的幅值和相位，判断该输入的参考电压矢量在整个电压空间矢量图中的所在的扇区，具体判断方法如下：

该输入的参考电压矢量在第I号大扇区的判断条件是：

在第II号大扇区的判断条件是：

在第III号大扇区的判断条件是：

在第IV号大扇区的判断条件是：

在第V号大扇区的判断条件是：

在第VI号大扇区的判断条件是：

如图3，根据电压空间矢量中小矢量和中矢量的顶点，将各大扇区划分成四个面积相等的区域，记为A、B、C、D；根据构成A、B、C、D的区域边界，得到四个区域的边界约束条件，根据该约束条件，判断输入的参考电压矢量所在区域。小扇区的具体约束条件由构成小扇区的边界在α-β-0坐标系下的直线方程得出；

若输入的参考电压矢量在第I号大扇区，在A号小扇区的判断条件是：

在B号小扇区的判断条件是：

在C号小扇区的判断条件是：

在D号小扇区的判断条件是：

同理，在其他5个大扇区内小扇区的约束条件用具体的边界直线方程可以得出。

确定所在具体扇区后，选择该小扇区的三个顶点矢量V₀、V₁、V₂作为合成该参考电压矢量U_ref的三个矢量。

步骤三：矢量作用时间的计算

确定作用的三个矢量后，设三个矢量的作用时间分别为T₀、T₁、T₂，T_PWM为调制方法的采样时间。通过伏秒平衡原理计算每个矢量的作用时间，矢量方程为：

V₀T₀+V₁T₁+V₂T₂＝U_refT_PWM (15)

由于U_ref位于V₀、V₁、V₂构成的小扇区内，自然满足：

T₀+T₁+T₂＝T_PWM (16)

以参考矢量U_ref位于I、A扇区为例

其中U代表输入电压参考矢量的幅值；θ表示转化过的电压空间矢量角度，转化公式其范围为N表示输入电压空间矢量所在的大扇区号，N＝1,2,3,…,6；θ_old表示未经过转化的电压空间矢量幅角，其范围为0～2π。

将式(17)的四个条件带入(15)，联立式(15)、(16)得到：

化简得到

其中表示调制比。

输入参考电压矢量位于I号大扇区B、C、D小扇区时或者其他小扇区时，在得到了顶点三矢量和V₀、V₁、V₂的对应关系后，同样可以计算出三矢量各自的作用时间T₀、T₁、T₂。

步骤四：安排矢量作用顺序

测量两个直流母线电容上的电压设定一个大于零的阈值U_th，利用以下判断条件确定使用的三矢量作用顺序：

(1)若则中性点电位偏低，若三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP；

(2)若则中性点电位在正常的波动范围内，若奇数号大扇区内的B小扇区和偶数号大扇区内的A、C、D小扇区的三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，其余小扇区内的三相输出电平状态中若存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

(3)若则中性点电位偏高，若三相输出电平状态中存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

如图4，根据步骤三中得到的三矢量作用时间和步骤四中得到的三矢量作用顺序，得到对称五段式调制波形。

矢量表A、B、C分别是上述判断条件(1)、(2)、(3)所使用的矢量顺序表：

矢量表A

矢量表B

矢量表C

Claims (1)

1.一种具有中点平衡和共模电压抑制能力的三电平SVPWM方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：电压空间矢量的分类和编号

对于三电平逆变器每相存在3种输出状态，分别为P、O、N；定义三相上表示3种输出电平状态的函数T_x(x＝a,b,c)，与每相4个开关管的开关状态一一对应，表示为：

其中1表示对应开关管闭合，0表示对应开关管断开，T_a表示a相的输出电平状态，T_b表示b相的输出电平状态，T_c表示c相的输出电平状态；S_a1～S_a4表示a相的4个开关管的开关状态，S_b1～S_b4表示b相的4个开关管的开关状态，S_c1～S_c4表示c相的4个开关管的开关状态；

三相输出端相对于中性点的电压可以表示如下：

其中V_dc表示直流母线电压；U_aO表示a相输出端相对于中性点的电压，U_bO表示b相输出端相对于中性点的电压，U_cO表示c相输出端相对于中性点的电压；

将三相电压定义在静止的定子a-b-c坐标系上，空间电压的综合矢量U_s表示为：

U_a、U_b、U_c分别表示逆变器三相输出端的电压，其起点都是三电平逆变器的中性点电位；

将27种开关状态T_a、T_b、T_c代入公式(3)，得出三相三电平的电压空间矢量图；根据电压空间矢量图将电压空间矢量进行分类和编号，分成以下4类：大矢量，幅值为2V_dc/3，冗余度为1；中矢量，幅值为冗余度为1；小矢量，幅值为V_dc/3，冗余度为2；零矢量，幅值为0，冗余度为3；表一为不重复的19种电压空间矢量的分类和编号：

表一：

其中v₀-v₁₈为19种电压空间矢量；

步骤二：扇区判断

将整个电压空间矢量图划分为6个大扇区，分别标记为I、II、III、IV、V、VI，在电压空间矢量平面内建立α-β-0坐标系，将三相静止坐标系下的电压矢量转换为两相静止坐标系下表示：

其中U_α表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的α分量，U_β表示逆变器三相输出端的电压在α-β-0坐标系下的β分量；

根据输入的参考电压矢量的幅值和相位，判断该输入的参考电压矢量在整个电压空间矢量图中的所在的扇区，具体判断方法如下：

该输入的参考电压矢量在第I号大扇区的判断条件是：

在第II号大扇区的判断条件是：

在第III号大扇区的判断条件是：

在第IV号大扇区的判断条件是：

在第V号大扇区的判断条件是：

在第VI号大扇区的判断条件是：

根据电压空间矢量中小矢量和中矢量的顶点，将各大扇区划分成四个面积相等的小扇区，记为A、B、C、D；根据构成A、B、C、D的区域边界，得到四个区域的边界约束条件；根据该约束条件，判断输入的参考电压矢量所在区域；确定所在具体扇区后，选择该小扇区的三个顶点矢量V₀、V₁、V₂作为合成该参考电压矢量U_ref的三个矢量；

步骤三：矢量作用时间的计算

确定作用的三个矢量后，设三个矢量的作用时间分别为T₀、T₁、T₂，T_PWM为调制方法的采样时间；通过伏秒平衡原理计算每个矢量的作用时间，矢量方程为：

V₀T₀+V₁T₁+V₂T₂＝U_refT_PWM (11)

由于U_ref位于V₀、V₁、V₂构成的小扇区内，自然满足：

T₀+T₁+T₂＝T_PWM (12)

通过式(11)-(12)，得到T₀、T₁、T₂的表达式和值；

步骤四：安排矢量作用顺序

测量两个直流母线电容上的电压设定一个大于零的阈值U_th，利用以下判断条件确定使用的三矢量作用顺序：

(1)若则中性点电位偏低，若三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP；

(2)若则中性点电位在正常的波动范围内，若奇数号大扇区内的B小扇区和偶数号大扇区内的A、C、D小扇区的三相输出电平状态中存在ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，则对应替换为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP；其余小扇区内的三相输出电平状态中若存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

(3)若则中性点电位偏高，若三相输出电平状态中存在POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，则对应替换为ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；

根据步骤三中得到的三矢量作用时间和步骤四中得到的三矢量作用顺序，得到对称五段式调制波形。