CN108429481B - 适用于线电压级联型三重化变流器的svpwm调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法，将线电压级联型三重化变流器的三个单元看作一个整体，把各开关组合化为相应的等效电路，根据等效电路得出开关组合在矢量空间所处的位置，选取其中有效的开关组合组成具有多冗余状态的三电平矢量空间。本发明可应用于电机调速、可再生能源发电等领域，能够有效降低传统载波移相SVPWM导致的单元间连接回路电流过大的问题，去掉了大量非理想的开关状态，减少了交流侧电压尖峰与谐波，省去了硬件电路中的限流电感；并保持了SVPWM可达到的直流母线电压利用效果；同时，产生的冗余开关状态提高了控制的自由度，有效的降低了电流谐波。

Description

适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法
技术领域
本发明涉及一种变流器的SVPWM调制方法。特别是涉及一种用于电机调速、可再生能源发电的适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法。
背景技术
电力电子技术在电气传动、新能源发电的应用领域不断拓展，其面临的电压与功率等级也在不断提升。而受限于半导体技术的发展速度，单个半导体器件的电压与功率等级往往难以适应一些高电压、大功率场合。在电压型逆变器中，传统两电平逆变器在低压、小功率领域占主导地位，而在高压、大功率场合则存在一些固有问题，例如，为提高输出波形质量需要提高开关频率或是采用更高阶滤波器，从而造成较大的开关损耗及成本问题；为实现中高压输出则需要升压变压器或采用器件串联技术，前者体积较大、制造成本较高，而后者则需要增加复杂的静、动态均压电路，可靠性难以保证。如高压矿井提升，电机端电压达6kV以上，这就要求电机侧逆变器直流母线电压达10kV以上，传统两电平，甚至三电平结构都是难以适应的。为此，国内外科研人员通过重组两电平模块，构成多重化结构变流器。
现有线电压级联型三重化变流器的调制方法多为载波移相正弦脉宽调制(CPS-SPWM)或载波移相空间矢量调制(CPS-SVPWM)，这些方法都将级联型变流器看作独立的单元而进行分别控制，没有考虑单元之间的相互影响，会造成单元之间存在较大的电流。因此，在线电压级联型三重化变流器中，通常在单元与单元之间加入限流电感以抑制过大的电流，这样不仅增加了变流器设计的复杂度，同时也增加了变流器的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种简单可行、可靠性高的适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法，包括如下步骤：
1)将线电压级联型三重化变流器中由三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3供电的三个三相两电平逆变器分别记为第一单元1、第二单元2和第三单元3，将第一单元1的第一桥臂的输出a1、第二单元2的第二桥臂的输出b2和第三单元3的第三桥臂的输出c3对应作为线电压级联型三重化变流器的A相输出、B相输出和C相输出，并分别定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管；
2)根据线电压级联型三重化变流器等效电路的开关选取原则，从512种开关组合中找出构成不会引起三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3形成短路状态的6种等效电路的最佳开关组合；
3)根据6种等效电路的最佳开关组合，得出三电平矢量空间图，得到线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系；
4)使用最近三矢量法合成参考电压矢量。
步骤1)所述的定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管是：
第一单元1上桥臂的三个开关管由直流电源VDC1端到负载端依次为开关管S11、开关管S12和开关管S13；
第二单元2上桥臂的三个开关管由直流电源VDC2端到负载端依次为开关管S21、开关管S22和开关管S23；
第三单元3上桥臂的三个开关管由直流电源VDC3端到负载端依次为开关管S31、开关管S32和开关管S33。
步骤2)所述的512种开关组合是：由A相的两个开关自由度、B相的两个开关自由度、C相的两个开关自由度、第一单元1与第二单元2之间的四个开关自由度、第一单元1与第三单元3之间的四个开关自由度以及第二单元2与第三单元3之间的四个开关自由度构成的23+43＝512种开关组合。
步骤2)所述的等效电路的开关选取原则是：
将构成A相输出的开关管S11、构成B相输出的开关管S22和构成C相输出的开关管S33根据所需空间矢量任意配置为0或1，其余的开关管S12、开关管S13、开关管S21、开关管S23、开关管S31和开关管S32的选取满足以下六种情况中的一种：
(1)S12＝0，S21＝1，S13＝0，S31＝1，且S23⊙S32＝1；
(2)S21＝0，S12＝1，S23＝0，S32＝1，且S13⊙S31＝1；
(3)S31＝0，S13＝1，S32＝0，S23＝1，且S12⊙S21＝1；
(4)S13＝0，S31＝1，S23＝0，S32＝1，且S12⊙S21＝1；
(5)S21＝0，S12＝1，S31＝0，S13＝1，且S23⊙S32＝1；
(6)S12＝0，S21＝1，S32＝0，S23＝1，且S13⊙S31＝1；
其中，⊙为同或符号，同或符号两端开关信号相同时，逻辑输出为1，不同时，逻辑输出为0。
步骤3)包括：
根据6种等效电路得到线电压级联型三重化变流器的等效相电压uA、uB、uC，设VDC为三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3的电压的平均值，则uA,uB,uC∈0,VDC,2VDC，此时变流器的输出电压合成空间矢量表示为：
Figure BDA0001565825780000021
式中，e为自然常数，j为虚数单位；将各等效电路下的不同开关组合所形成的等效相电压代入上式，得到各开关组合在矢量空间中的矢量，所有矢量共同组成了具有多冗余状态的三电平矢量空间，从而建立了线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系。
本发明的适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法，有效降低了传统载波移相SVPWM导致的单元间连接回路电流过大的问题，去掉了大量非理想的开关状态，减少了交流侧电压尖峰与谐波，省去了硬件电路中的限流电感；本发明的方法保持了SVPWM可达到的直流母线电压利用效果；同时，产生的冗余开关状态提高了控制的自由度，有效的降低了电流谐波。本发明的方法可应用于电机调速、可再生能源发电等领域。
附图说明
图1是线电压级联型三重化变流器拓扑图；
图中：
1：第一单元 2：第二单元
3：第三单元 4：阻感负载
5：限流电感
图2a是第一等效电路图；
图2b是第二等效电路图；
图2c是第三等效电路图；
图2d是第四等效电路图；
图2e是第五等效电路图；
图2f是第六等效电路图：
图3是三电平空间矢量图；
图4是调制度为0.8时线电压输出波形；
图5是调制度为0.8时线电压波形THD；
图6a是调制度为0.8时单元1的a1b1之间的线电压输出波形；
图6b是调制度为0.8时单元1的b1c1之间的线电压输出波形；
图6c是调制度为0.8时单元1的a1c1之间的线电压输出波形。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法做出详细说明。
线电压级联型三重化变流器拓扑结构如图1所示。在使用传统载波移相调制时，由于存在单元间的较大电流，因此在单元与单元之间互连时要加入共3个限流电感，而采用本发明中的SVPWM调制时，可以省去限流电感，故图中限流电感以虚线表示。
本发明的适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法，包括如下步骤：
1)将线电压级联型三重化变流器中由三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3供电的三个三相两电平逆变器分别记为第一单元1、第二单元2和第三单元3，将第一单元1的第一桥臂的输出a1、第二单元2的第二桥臂的输出b2和第三单元3的第三桥臂的输出c3对应作为线电压级联型三重化变流器的A相输出、B相输出和C相输出，并分别定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管；
由于上、下臂桥互补导通，所以可以只考虑上桥臂开关管通断状态，记各单元中的所有上桥臂开关管为Shi，其中h为单元编号，i为桥臂编号，h,i∈1,2,3，Shi＝1代表相应开关管导通，Shi＝0代表相应开关管关断。本发明中所述的定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管是：
第一单元1上桥臂的三个开关管由直流电源VDC1端到负载端依次为开关管S11、开关管S12和开关管S13；
第二单元2上桥臂的三个开关管由直流电源VDC2端到负载端依次为开关管S21、开关管S22和开关管S23；
第三单元3上桥臂的三个开关管由直流电源VDC3端到负载端依次为开关管S31、开关管S32和开关管S33
2)根据线电压级联型三重化变流器等效电路的开关选取原则，从512种开关组合中找出构成不会引起三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3形成短路状态的6种等效电路的最佳开关组合；所述的512种开关组合是：由A相的两个开关自由度、B相的两个开关自由度、C相的两个开关自由度、第一单元1与第二单元2之间的四个开关自由度、第一单元1与第三单元3之间的四个开关自由度以及第二单元2与第三单元3之间的四个开关自由度构成的23+43＝512种开关组合。
第一单元1的a1相桥臂作为级联变流器整体的A相，其受开关管S11控制，当S11＝1时，A相连接到直流电源VDC1的正极，当S11＝0时，A相连接到VDC1的负极，因此A相有两个开关自由度。同理，第二单元2的b2相桥臂和第三单元3的c3相桥臂作为级联变流器整体的B相和C相，分别受开关管S22和S33控制，可以分别连接到直流电源VDC2和VDC3的正负两极，因此B相和C相各有两个开关自由度。同时，第一单元1的b1相连接到第二单元2的a2相，通过控制开关管S12和S21可以将直流电源VDC1的正极或负极与直流电源VDC2的正极或负极相连，因此存在四个开关自由度。同理，第一单元1的c1相与第三单元3的a3相相连，第二单元2的c2相与第三单元3的b3相相连，通过控制相应开关管即可实现三个直流电源的互连，并且每条连线分别存在四个开关自由度。综上分析，线电压级联变流器共有(23+43＝512)种开关组合。
为表示线电压级联变流器的512种开关组合，定义一个三位数(X1X2X3)，其中X1、X2、X3为0～7的数字，分别代表第一单元1、第二单元2、第三单元3的开关编号，而开关编号则代表一种两电平单元的开关状态，开关编号和两电平单元开关状态的关系如表1所示。例如开关组合(444)代表线电压级联变流器三个单元的开关状态都为100。
表1
Figure BDA0001565825780000041
将各开关组合化为只含有直流电源VDC1、VDC2、VDC3和A、B、C三相输出端口的等效电路。由于线电压级联型变流器结构的特殊性，其所组成的512种开关组合中，有大量的开关组合会使直流电源处于短路状态。所以只选取其中有效的开关组合，相应的等效电路图如图2a－图2f所示。图2a－图2f中共表示出由有效开关组合构成的6种等效电路图，各等效电路的开关选取需遵循一定原则。所述的等效电路的开关选取原则是：
将构成A相输出的开关管S11、构成B相输出的开关管S22和构成C相输出的开关管S33根据所需空间矢量任意配置为0或1，其余的开关管S12、开关管S13、开关管S21、开关管S23、开关管S31和开关管S32的选取满足以下六种情况中的一种：
(1)在第一等效电路图中，S12＝0，S21＝1，S13＝0，S31＝1，且S23⊙S32＝1；
(2)在第二等效电路图中，S21＝0，S12＝1，S23＝0，S32＝1，且S13⊙S31＝1；
(3)在第三等效电路图中，S31＝0，S13＝1，S32＝0，S23＝1，且S12⊙S21＝1；
(4)在第四等效电路图中，S13＝0，S31＝1，S23＝0，S32＝1，且S12⊙S21＝1；
(5)在第五等效电路图中，S21＝0，S12＝1，S31＝0，S13＝1，且S23⊙S32＝1；
(6)在第六等效电路图中，S12＝0，S21＝1，S32＝0，S23＝1，且S13⊙S31＝1；
其中，⊙为同或符号，同或符号两端开关信号相同时，逻辑输出为1，不同时，逻辑输出为0。
下面以图2a中所示的等效电路1进行分析。图中有四个端口，分别标号为1～4，通过开关S11可将变流器A相配置到VDC1两端的1端口或2端口，同理通过开关管S22可将变流器B相配置到VDC2两端的2端口和3端口，通过开关管S33可将变流器C相配置到VDC3两端的2端口和4端口。另外，开关管S21、S31导通，开关管S12、S13关断，S23和S32需要同为1或同为0(影响图中虚线的有无)。例如，当变流器的开关组合为(444)时，A相连接到1端口，B相连接到3端口，C相连接到4端口。
3)根据6种等效电路的最佳开关组合，得出三电平矢量空间图，得到线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系；包括：
将6种等效电路中的端口4看作零电势点，根据6种等效电路得到线电压级联型三重化变流器的等效相电压uA、uB、uC，设VDC为三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3的电压的平均值，则uA,uB,uC∈0,VDC,2VDC，此时变流器的输出电压合成空间矢量表示为：
Figure BDA0001565825780000051
式中，e为自然常数，j为虚数单位；将各等效电路下的不同开关组合所形成的等效相电压代入上式，得到各开关组合在矢量空间中的矢量，如图3所示，所有矢量共同组成了具有多冗余状态的三电平矢量空间，从而建立了线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系。
例如，开关组合(666)的等效电路为图2d中的等效电路，端口1、2、4分别连接变流器的A、B、C相，此时uA＝2VDC、uB＝2VDC、uC＝0，代入式(1)，得
Figure BDA0001565825780000052
另外，图3还表示出了空间矢量位置与等效电路图之间的关系，处于图中同一虚线椭圆内的空间矢量可以具有相同的等效电路图，椭圆的编号①～⑥对应图2a－图2f中的6个等效电路。
同时需要指出的有两点。一是在图2a、图2b、图2c所示的等效电路中3端口与4端口之间的连线可以通过控制相应的开关管而省去，例如(444)的冗余状态(456)，因此图中用虚线表示；图2d、图2e、图2f所示的等效电路同理。二是每个空间位置都有多个冗余矢量，图3中只列出了其中之一，不同冗余状态可以根据不同控制要求进行选取，例如减少开关周期内的开关损耗时需要选取开关动作最少的冗余矢量。
4)使用最近三矢量法合成参考电压矢量。
至此便建立了线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系，根据最近三矢量法便可合成参考电压矢量。例如，当参考电压矢量为图3中Vref时，首先进行矢量空间的区域判断，可确定合成参考电压矢量的三个基本矢量为(044)、(444)、(464)，然后根据伏秒平衡原理可得出三个矢量的作用时间，最后在一个开关周期内选择一定的顺序依次作用这三个基本矢量，即根据开关编号开通或关断相应单元的功率开关管，就可合成所需参考电压矢量。当调制度为0.8时，采用本发明中所提的空间矢量调制方法，线电压级联型变流器BC两相的线电压输出波形如图4所示，相应THD如图5所示(计算了3～15次谐波分量)。单元1的a1b1、b1c1、a1c1之间的线电压输出波形如图6a、图6b、图6c所示，当选取不同冗余开关状态时，级联变流器各单元的开关状态也有所不同，所以相应单元的线电压波形也不尽相同，但级联变流器整体的线电压波形是相同的。

Claims (1)

1.一种适用于线电压级联型三重化变流器的SVPWM调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将线电压级联型三重化变流器中由三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3供电的三个三相两电平逆变器分别记为第一单元(1)、第二单元(2)和第三单元(3)，将第一单元(1)的第一桥臂的输出(a1)、第二单元(2)的第二桥臂的输出(b2)和第三单元(3)的第三桥臂的输出(c3)对应作为线电压级联型三重化变流器的A相输出、B相输出和C相输出，并分别定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管，所述的定义构成线电压级联型三重化变流器的各开关管是：
第一单元(1)上桥臂的三个开关管由直流电源VDC1端到负载端依次为开关管S11、开关管S12和开关管S13；
第二单元(2)上桥臂的三个开关管由直流电源VDC2端到负载端依次为开关管S21、开关管S22和开关管S23；
第三单元(3)上桥臂的三个开关管由直流电源VDC3端到负载端依次为开关管S31、开关管S32和开关管S33；
2)根据线电压级联型三重化变流器等效电路的开关选取原则，从512种开关组合中找出构成不会引起三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3形成短路状态的6种等效电路的最佳开关组合；其中，
所述的512种开关组合是：由A相的两个开关自由度、B相的两个开关自由度、C相的两个开关自由度、第一单元(1)与第二单元(2)之间的四个开关自由度、第一单元(1)与第三单元(3)之间的四个开关自由度以及第二单元(2)与第三单元(3)之间的四个开关自由度构成的23+43＝512种开关组合；
所述的等效电路的开关选取原则是：将构成A相输出的开关管S11、构成B相输出的开关管S22和构成C相输出的开关管S33根据所需空间矢量任意配置为0或1，其余的开关管S12、开关管S13、开关管S21、开关管S23、开关管S31和开关管S32的选取满足以下六种情况中的一种：
(1)S12＝0，S21＝1，S13＝0，S31＝1，且S23⊙S32＝1；
(2)S21＝0，S12＝1，S23＝0，S32＝1，且S13⊙S31＝1；
(3)S31＝0，S13＝1，S32＝0，S23＝1，且S12⊙S21＝1；
(4)S13＝0，S31＝1，S23＝0，S32＝1，且S12⊙S21＝1；
(5)S21＝0，S12＝1，S31＝0，S13＝1，且S23⊙S32＝1；
(6)S12＝0，S21＝1，S32＝0，S23＝1，且S13⊙S31＝1；
其中，⊙为同或符号，同或符号两端开关信号相同时，逻辑输出为1，不同时，逻辑输出为0；
3)根据6种等效电路的最佳开关组合，得出三电平矢量空间图，得到线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系；包括：
根据6种等效电路得到线电压级联型三重化变流器的等效相电压uA、uB、uC，设VDC为三个独立直流电源VDC1、VDC2、VDC3的电压的平均值，则uA,uB,uC∈0,VDC,2VDC，此时变流器的输出电压合成空间矢量表示为：
Figure FDA0002448247920000021
式中，e为自然常数，j为虚数单位；将各等效电路下的不同开关组合所形成的等效相电压代入上式，得到各开关组合在矢量空间中的矢量，所有矢量共同组成了具有多冗余状态的三电平矢量空间，从而建立了线电压级联型三重化变流器的开关组合与空间矢量之间的关系；
4)使用最近三矢量法合成参考电压矢量。
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