CN107317498A - 一种基于二分法的多电平简化svpwm调制策略 - Google Patents
一种基于二分法的多电平简化svpwm调制策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，该调整策略对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换，然后对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算，基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置，基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本矢量的作用时间，最后安排基本矢量作用顺序。该发明在基本矢量作用时间计算只需要进行简单的四则运算，省去大量三角函数计算，减轻处理器运算时间开销；采用二分法对参考矢量位置进行判断，可快速搜索到参考矢量所在位置，从而可以根据控制要求直接生成开关矢量序列，免去繁杂的逻辑判断；随着电平数增加，简化空间矢量调制算法复杂度几乎不受影响，具有较好的适应度。
Description
技术领域
本发明涉及多电平电力电子逆变器的调制技术领域，具体涉及一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略。
背景技术
多电平技术的基本思想是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出波形，相对于传统的二电平逆变器而言，多电平逆变器具有功率器件耐受电压低、输出波形谐波特性好、开关频率低和效率高的优点，适用于高压大容量功率变换场合。
目前，多电平逆变器拓扑结构主要包括：二极管嵌位式、飞跨电容型、级联H桥型、模块化多电平换流器和基于上述拓扑的混合型。针对不同的拓扑结构，多电平逆变器的调制方法可分为：基于载波的脉宽调制法、基于特定谐波消去的脉宽调制法和空间矢量调制法。基于载波的脉宽调制法具有简单易行的特点，但存在逆变器直流电压利用率不高缺点；特定谐波消去法虽然可以消除输出波形的特定次谐波，但计算量大，且消除某次谐波的同时可能会放大其他次谐波幅值；空间矢量调制具有物理意义清晰、直流电压利用率高、易于数字化实现等优势，在电机控制和其他功率变换场合得到了广泛应用。
对于空间矢量调制而言，随着电平数的增加，基本空间矢量数目也急剧增加，空间矢量调制策略涉及到的空间矢量位置判断、基本空间矢量作用时间计算复杂度也大大增加，这会增加处理器的时间开销，因此研究简化的SVPWM调制策略显得尤为重要。目前经典的简化SVPWM调制策略主要有基于60°坐标系下的SVPWM调制、线电压坐标系的SVPWM调制、等效二电平SVPWM调制策略等。其中60°坐标系SVPWM调制策略省去了传统调制策略的扇区判断过程及复杂的三角函数计算，使计算得到简化，然而对于最后的逆变器开关状态的确定，该调制策略需要罗列出三个最近基本矢量的所有开关状态，进行较为繁琐的条件判断。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，在60°坐标系下，采用二分法可以很快地判断出参考矢量所在的位置，从而选择合适的基本空间矢量并确定开关状态组合顺序，该调制策略随着电平数的增加，复杂度几乎不受影响。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，所述的调整策略包括下列步骤：
对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换，根据多电平逆变器空间矢量图正六边形的特点，通过坐标变换，把三相坐标系转化为60°两相坐标系；
对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算得到四个基本矢量；
确定合成参考矢量的三个最近基本空间矢量，然后基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置；
基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本空间矢量的作用时间；
选择合适的基本空间矢量并确定开关状态组合顺序。
进一步地，所述的对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换的过程如下：
让g坐标轴与α坐标轴重合，h坐标轴通过β坐标轴顺时针转过30°得到；
设参考矢量坐标在αβ坐标系下为(Urα,Urβ)，在gh坐标系下为(g,h)，基于等矢量变换原则可得到两坐标系转换关系为：
进一步地，所述的对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算的过程如下：
对参考矢量坐标gh进行上下求整得到四个基本矢量UBL，ULB，UBB，ULL，四个基本矢量构成一个平行四边形，记UrgB由g向上取整得到，UrgL由g向下取整得到；UrhB由h向上取整得到，UrhL由h向下取整得到，四个基本矢量坐标为：
进一步地，所述的确定合成参考矢量的三个最近基本空间矢量的过程如下：
将UBL，ULB取定为最靠近的两个矢量，第三个矢量根据参考矢量坐标与方程g+h＝UrgB+UrhL的位置关系得到：
g+h-(UrgB+UrhL)＞0,UBB为第三个基本矢量；
g+h-(UrgB+UrhL)＜0,ULL为第三个基本矢量。
进一步地，所述的基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置的过程如下：
采用二分法判断参考矢量所在平行四边形位置；
利用参考矢量与直线g+h＝UrgB+UrhL的位置关系可最终得到参考矢量所在三角形位置。
进一步地，所述的基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本空间矢量的作用时间的过程如下：
确定合成参考矢量的三个基本空间矢量(记为U1、U2、U3)后，采用标幺化的伏秒平衡原理，可得方程如下：
式中d1,d2,d3为3个最近基本矢量作用时间占比，其和为1；
其中，当U3＝UBB，基本矢量作用时间为：
当U3＝ULL，基本矢量作用时间为：
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、保留了传统非正交坐标系空间矢量调制算法的优点，基本矢量作用时间计算只需要进行简单的四则运算，省去了大量的三角函数计算，减轻了处理器的运算时间开销；
2、采用二分法对参考矢量位置进行判断，可以快速搜索到参考矢量所在位置，从而可以根据控制要求直接生成开关矢量序列，不需要进行繁杂的逻辑判断；
3、随着电平数的增加，本发明的简化空间矢量调制算法复杂度几乎不受影响，具有较好的适应度。
附图说明
图1是五电平级联型换流器拓扑结构图；
图2是gh坐标系下五电平换流器空间矢量图；
图3是简化SVPWM调制策略框图；
图4是参考矢量g坐标位置判断流程图；
图5是参考矢量h坐标位置判断流程图；
图6是五电平换流器输出电压仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图3所示为简化SVPWM调制策略框图，先对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换，然后对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算，基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置，基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本矢量的作用时间，最后安排基本矢量作用顺序。下面详细说明：
(1)坐标变换，对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换；
考虑到多电平逆变器空间矢量图正六边形的特点，通过坐标变换，把三相坐标系转化为60°两相坐标系，使所有基本空间矢量坐标变为整数；
让g坐标轴与α坐标轴重合，h坐标轴通过β坐标轴顺时针转过30°得到。设参考矢量坐标在αβ坐标系下为(Vrα,Vrβ)，在gh坐标系下为(g,h)，基于等矢量变换原则可得到两坐标系转换关系为：
图2为gh坐标系下5电平逆变器空间矢量图，可见，所有基本矢量坐标都转成了整数，后续工作将极大简化。
(2)二分法判断参考矢量位置
根据最近三角形原则，需要确定合成参考矢量的三个基本空间矢量。传统60°坐标系SVPWM方法是通过对参考矢量坐标上下取整得到，这里基于二分法，可以快速搜索到参考矢量所在小三角形。
对参考矢量坐标gh进行上下求整得到四个基本矢量UBL，ULB，UBB，ULL，四个基本矢量构成一个平行四边形，记UrgB由g向上取整得到，UrgL由g向下取整得到；UrhB由h向上取整得到，UrhL由h向下取整得到。四个基本矢量坐标为：
UBL，ULB一定为最靠近的两个矢量，第三个矢量可以根据参考矢量坐标与方程g+h＝UrgB+UrhL的位置关系得到：
g+h-(UrgB+UrhL)＞0,UBB为第三个基本矢量；
g+h-(UrgB+UrhL)＜0,ULL为第三个基本矢量；
为了便于安排基本矢量的作用次序，还需要判断参考矢量所在最近三角形位置。这里采用二分法，首先判断参考矢量所在平行四边形位置，如图4和图5所示，最多经过6个判断条件便可以快速搜索到参考矢量所在平行四边形位置。
假设参考矢量位于图2所示的位置，则经过6个判断语句即可判断出参考矢量位于(1,1)、(2,1)、(2,2)和(1,2)围成的平行四边形。再利用参考矢量与直线g+h＝UrgB+UrhL的位置关系可最终得到参考矢量所在三角形位置，这里由于g+h>UrgB+UrhL,因此可以判断出参考矢量位于(2,1)、(2,2)和(1,2)围成的上三角形区域。
(3)基本矢量作用时间计算
确定合成参考矢量的三个基本空间矢量(记为U1、U2、U3)后，根据伏秒平衡原理计算每个基本空间矢量作用时间。
采用标幺化的伏秒平衡原理，可得方程如下：
式中d1,d2,d3为3个最近基本矢量作用时间占比，其和为1，这里也可以看做把矢量作用时间以开关周期为基准值进行标幺化，这样求解更为方便。
根据前面确定的参考矢量所在三角形，可以确定第三个矢量为UBB或ULL，对方程组在gh坐标系下展开，于是可以得到最终的时间表达式。
当U3＝UBB，基本矢量作用时间为：
当U3＝ULL，基本矢量作用时间为：
由上可见，基本矢量作用时间计算只涉及到普通的加减法，计算工作量大为缩小，节省了宝贵的DSP芯片计算资源。
(4)基本矢量作用序列的安排
不同矢量间切换时开关损耗、开关管电压变化率都不一致，为保证平滑切换，每次切换基本矢量时要保证只有一相电平发生变化，且电平数只能逐级变化。为提高输出波形质量，采用经典的对称7段式调制方法。
(5)仿真结果
如图6为五电平换流器输出电压，相较传统二电平而言，该输出波形具有更高正弦度，仿真结果证明了本发明的有效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的调整策略包括下列步骤：
对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换，根据多电平逆变器空间矢量图正六边形的特点，通过坐标变换，把三相坐标系转化为60°两相坐标系；
对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算得到四个基本矢量；
确定合成参考矢量的三个最近基本空间矢量，然后基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置；
基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本空间矢量的作用时间；
选择合适的基本空间矢量并确定开关状态组合顺序。
2.根据权利要求1所述的一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的对直角坐标系下参考电压矢量进行αβ2gh坐标变换的过程如下：
让g坐标轴与α坐标轴重合，h坐标轴通过β坐标轴顺时针转过30°得到；
设参考矢量坐标在αβ坐标系下为(Urα,Urβ)，在gh坐标系下为(g,h)，基于等矢量变换原则可得到两坐标系转换关系为：
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3.根据权利要求1所述的一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的对gh坐标系下参考矢量坐标进行上下取整运算的过程如下：
对参考矢量坐标gh进行上下求整得到四个基本矢量UBL，ULB，UBB，ULL，四个基本矢量构成一个平行四边形，记UrgB由g向上取整得到，UrgL由g向下取整得到；UrhB由h向上取整得到，UrhL由h向下取整得到，四个基本矢量坐标为：
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4.根据权利要求3所述的一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的确定合成参考矢量的三个最近基本空间矢量的过程如下：
将UBL，ULB取定为最靠近的两个矢量，第三个矢量根据参考矢量坐标与方程g+h＝UrgB+UrhL的位置关系得到：
g+h-(UrgB+UrhL)＞0,UBB为第三个基本矢量；
g+h-(UrgB+UrhL)＜0,ULL为第三个基本矢量。
5.根据权利要求3所述的一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的基于二分法判断参考矢量所在最近三角形位置的过程如下：
采用二分法判断参考矢量所在平行四边形位置；
利用参考矢量与直线g+h＝UrgB+UrhL的位置关系可最终得到参考矢量所在三角形位置。
6.根据权利要求4所述的一种基于二分法的多电平简化SVPWM调制策略，其特征在于，所述的基于伏秒平衡原理在gh坐标系下计算最近三个基本空间矢量的作用时间的过程如下：
确定合成参考矢量的三个基本空间矢量(记为U1、U2、U3)后，采用标幺化的伏秒平衡原理，可得方程如下：
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其中，当U3＝UBB，基本矢量作用时间为：
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