CN108566109B - 一种五段式三电平逆变器svpwm调制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五段式三电平逆变器SVPWM调制算法，包括T型三电平逆变器的主电路、矢量求解、SVPWM波形的产生和共模电流抑制四个部分。五段式三电平逆变器SVPWM调制算法包括参考电压矢量V_ref的区域判断、空间电压矢量选择及作用时间、确定空间电压矢量作用顺序三步骤。该方法采用五段式的调制技术生成所需的空间矢量脉宽调制波形，同时，根据电压矢量对应的共模电压不同，通过合理安排小矢量作用顺序以及作用时间，达到输出波形质量好、同时抑制共模电压的效果。仿真结果表明，该方法可省去扇区判断过程，缩小计算工作量，在保证输出波形质量的前提下，对共模电压进行抑制。

Description

一种五段式三电平逆变器SVPWM调制算法

技术领域

本发明涉及一种三电平逆变器的SVPWM方法，尤其涉及一种60°坐标系下的三电平逆变器SVPWM方法。

背景技术

近年来，在大容量变换器中，相比于两电平逆变器，T型三电平逆变器以其输出电压更接近正弦波、电压变化率小、开关频率低、损耗小、效率高等特点，受到人们的广泛关注。三电平逆变器的输出性能主要取决于调制算法，SVPWM技术以其易于数字实现，电压利用率高等特点，在三电平逆变器中得到广泛应用。在两电平逆变器空间矢量控制的基础上提出的传统三电平逆变器的SVPWM算法，在进行参考矢量扇区判断及计算基本矢量作用时间方面，要涉及较多的三角函数运算和表格查询，这些操作给控制器带来了很大负担。

发明内容

为了克服传统SVPWM算法中扇区判定过程及大量的三角函数运算难题，本发明提出一种60°坐标系下三电平逆变器SVPWM方法。

本发明的技术方案：

一种五段式三电平逆变器SVPWM调制算法，步骤如下：

主要分为参考电压矢量V_ref的区域判断、空间电压矢量选择及作用时间、确定空间电压矢量作用顺序三部分；

(1)T型三电平逆变器矢量区域判断

采用划分6个大扇区，每个大扇区划分4个小扇区的划分方法；

按照每60°为一个大扇区，将T型三电平逆变器矢量区域划分为Ⅰ-Ⅵ共6个大扇区，每个大扇区包含有6个小扇区，共有24个小扇区；

设参考电压矢量V_ref在α轴投影的幅值为U_α，在β轴投影的幅值为U_β；参考电压矢量V_ref落在大扇区Ⅰ的条件就是参考点(U_α，U_β)所在坐标在大扇区Ⅰ内；即满足U_β>0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅰ大扇区；

同理得合成矢量落在Ⅱ-Ⅵ大扇区的条件：

当

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅱ大扇区；

当

且U_β>0时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅲ大扇区；

当U_β<0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅳ大扇区；

当

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅴ大扇区；

当U_β<0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅵ大扇区；

令m1＝U_β，

对大扇区判断规则进行简化：

若m1>0则x＝1，若m1<0则x＝0；若m2>0，则y＝1，若m2<0则y＝0；若m3>0，则z＝1，若m3<0则z＝0；

令S＝x+2y+4z，于是得到6种状态，S与大扇区号对应关系；

表1大扇区判断表

参考电压矢量V_ref所在小扇区的判断与大扇区判断方法相同，在进行小扇区判断时，首先要确定参考矢量V_ref所在大扇区；若已确定参考矢量在第一扇区，其小扇区判断方法如下：

判断式1：

判断式2：

判断式3：

表2第Ⅰ大扇区的小扇区判断规则表

同理，得出其他大扇区的小扇区判断规则；按照上述算法，在一个周期内参考电压矢量V_ref均可找到其参考点(U_α，U_β)所对应的扇区；

(2)T型三电平逆变器矢量作用时间

根据伏秒平衡原理，一个矢量作用一定的时间等效为若干个矢量作用相同时间之和；将参考电压矢量V_ref分别在α轴、β轴上进行投影得到V_α、V_β，然后根据参考矢量所在的空间位置，选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成；根据伏秒平衡原理，参考电压矢量V_ref在T_s时间内的作用等效为三个空间电压矢量在T_s时间内作用之和；因此，可模拟参考电压矢量旋转一周分解为许多空间电压矢量共同作用的结果，划分的越精细，其模拟的效果就越好；

以第Ⅰ大扇区为例，计算每个小扇区空间电压矢量的作用时间；

设当参考矢量位于Ⅰ₃小扇区，根据就近原则，选取离Ⅰ₃小扇区最近的三个电压矢量参与矢量合成即选择V₁、V₂、V₁₃三个空间矢量，在一定时间内，三个空间电压矢量作用时间之和与参考电压矢量作用时间相等；则根据伏秒平衡原则，得

将空间电压矢量和参考电压矢量在α-β坐标系上正交分解，保证α轴、β轴分量相等，可得：

对上式化简，得

各个矢量作用时间T₁、T₂、T₁₃表达式；

令

则有

同理，若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₁，由伏秒平衡原理，得到：

计算得

若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₂，由伏秒平衡得到：

计算得

若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₄，由伏秒平衡得到：

计算得

由此计算出第Ⅰ大扇区的矢量作用时间；同理，计算出其他大扇区中每一小扇区的矢量作用时间；

定义

T_c＝2ksinθ，得到所有小扇区的空间矢量作用时间；

表3矢量作用时间表

(3)T型三电平逆变器空间电压矢量作用顺序

确定空间电压矢量对应的开关状态以及对每个开关状态的作用时间进行分配，以达到开关动作的最优化；三电平开关动作顺序满足以下要求：

1)为避免该相电路所有开关全部导通导致短路的情况，相邻两个开关状态不能跳变，不能从P状态直接变为N状态，要有O状态进行过渡；

2)在一个开关周期内，开关状态和作用时间对称；

本算法采用五段式矢量作用顺序，在满足基本的矢量作用原则外，采用的电压矢量对应的共模电压大小均对应在-U_dc/6～U_dc/6区间；其次，每个大扇区的1、3小扇区均含有正小矢量和负小矢量，如Ⅰ₁区域含有POO和OON两种小矢量，通过调节小矢量作用时间控制中点电位平衡；Ⅰ₂、Ⅰ₄每个小扇区含有一个小矢量，采用对称的方法实现中点电位的开环调节；

表4矢量作用顺序表

从表4中看出，每个大扇区中的小扇区1和小扇区3中均含有一对正负小矢量，它们对中点电压平衡的作用是互补对称的；根据矢量分布图知，参考电压矢量总总会经过Ⅰ小扇区或Ⅲ小扇区中的一个扇区；因此，通过滞环控制的方法对中点电位进行控制。

本发明的有益效果是：该方法可方便地求出基本矢量及其作用时间，与传统SVPWM算法相比，不需要进行复杂计算，本方法保证了输出波形质量的同时，对电路中共模电压起到很好的抑制效果。仿真结果证明了该算法的正确性和有效性，可扩展应用到更多三电平逆变器上。

附图说明

图1是T型三电平逆变器拓扑电路图。

图2是坐标变换原理图。

图3三电平逆变器空间电压矢量图。

图4是矢量作用顺序与开关状态对应关系。

图5是逆变器的相电压输出波形。

图6是逆变器共模电压波形。

图7是逆变器开关状态图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1中，逆变器每相根据不同的开关组合，均可输出U_dc/2、0、-U_dc/2三种电平。三种输出电平对应的开关状态分别称为P、O、N。以A相为例，P状态表示该相开关状态为[1 1 00]，输出电压对应直流侧电容C₁电压即输出电压为U_dc/2；O状态表示该相开关状态为[0 1 10]，输出电压对应直流侧O点即输出电压为0；N状态表示该相开关状态为[0 0 1 1]，输出电压对应直流侧电容C₂电压即输出电压为U_dc/2。

三相电压在静止坐标系上互相相差120°。经过图2所示的坐标变换，可以得到两相静止坐标系下的三电平逆变器的空间电压矢量图，如图3所示。

根据伏秒平衡原理，一个空间电压矢量作用一定的时间可以等效为若干个空间电压矢量作用相同时间之和。将参考电压矢量V_ref在α-β轴上进行投影得到V_α、V_β，然后根据参考电压矢量所在的空间位置，选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量(NTV)参与合成。通过计算可得每个空间电压矢量的作用时间。具体作用时间如表1所示。

表2是各个扇区对应的空间矢量作用顺序，该设计满足以下要求：

1)为避免该相电路所有开关全部导通导致短路的情况，相邻两个开关状态不能跳变，不能从P状态直接变为N状态，要有O状态进行过渡；

2)在一个开关周期内，开关状态和作用时间对称；

3)将共模电流抑制在直流电压的1/3以内。

根据该设计思路，在Matlab/Simlink上搭建仿真模型。取直流电压U_dc＝600V，直流侧分压电容C₁＝C₂＝4700μF，寄生电容取10μF。输出相电压波形如图5所示。五段式调制算法的共模电压如图6所示。

Claims (1)

1.一种五段式三电平逆变器SVPWM调制算法，其特征在于，步骤如下：

主要分为参考电压矢量V_ref的区域判断、空间电压矢量选择及作用时间、确定空间电压矢量作用顺序三部分；

(1)T型三电平逆变器参考电压矢量扇区判断

采用划分6个大扇区，每个大扇区划分4个小扇区的划分方法；

按照每60°为一个大扇区，将T型三电平逆变器矢量区域划分为Ⅰ-Ⅵ共6个大扇区，每个大扇区包含有6个小扇区，共有24个小扇区；

设参考电压矢量V_ref在α轴投影的幅值为U_α，在β轴投影的幅值为U_β；参考电压矢量V_ref落在大扇区Ⅰ的条件就是参考点(U_α，U_β)所在坐标在大扇区Ⅰ内；即满足U_β＞0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅰ大扇区；

同理得参考电压矢量落在Ⅱ-Ⅵ大扇区的条件：

当

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅱ大扇区；

当

且U_β＞0时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅲ大扇区；

当U_β＜0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅳ大扇区；

当

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅴ大扇区；

当U_β＜0且

时，参考电压矢量V_ref落在第Ⅵ大扇区；

令m1＝U_β，

对大扇区判断规则进行简化：

若m1>0则x＝1，若m1<0则x＝0；若m2>0，则y＝1，若m2<0则y＝0；若m3>0，则z＝1，若m3<0则z＝0；

令S＝x+2y+4z，于是得到6种状态，S与大扇区号对应关系；

表1 大扇区判断表

参考电压矢量V_ref所在小扇区的判断与大扇区判断方法相同，在进行小扇区判断时，首先要确定参考电压矢量V_ref所在大扇区；若已确定参考电压矢量在第Ⅰ扇区，其小扇区判断方法如下：

判断式1：

判断式2：

判断式3：

表2 第Ⅰ大扇区的小扇区判断规则表

同理，得出其他大扇区的小扇区判断规则；按照上述算法，在一个周期内参考电压矢量V_ref均可找到其参考点(U_α，U_β)所对应的扇区；

(2)T型三电平逆变器矢量作用时间

根据伏秒平衡原理，一个矢量作用一定的时间等效为若干个矢量作用相同时间之和；将参考电压矢量V_ref分别在α轴、β轴上进行投影得到V_α、V_β，然后根据参考电压矢量所在的空间位置，选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成；根据伏秒平衡原理，参考电压矢量V_ref在T_s时间内的作用等效为三个空间电压矢量在T_s时间内作用之和；因此，可模拟参考电压矢量旋转一周分解为许多空间电压矢量共同作用的结果，划分的越精细，其模拟的效果就越好；

以第Ⅰ大扇区为例，计算每个小扇区空间电压矢量的作用时间；

设当参考矢量位于Ⅰ₃小扇区，根据就近原则，选取离Ⅰ₃小扇区最近的三个电压矢量参与矢量合成即选择V₁、V₂、V₁₃三个空间矢量，在一定时间内，三个空间电压矢量作用时间之和与参考电压矢量作用时间相等；则根据伏秒平衡原则，得

将空间电压矢量和参考电压矢量在α-β坐标系上正交分解，保证α轴、β轴分量相等，可得：

对上式化简，得

各个矢量作用时间T₁、T₂、T₁₃表达式；

令

则有

同理，若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₁，由伏秒平衡原理，得到：

计算得

若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₂，由伏秒平衡得到：

计算得

若参考电压矢量V_ref落到Ⅰ₄，由伏秒平衡得到：

计算得

由此计算出第Ⅰ大扇区的矢量作用时间；同理，计算出其他大扇区中每一小扇区的矢量作用时间；

定义

T_c＝2ksinθ，得到所有小扇区的空间矢量作用时间；

表3 矢量作用时间表

(3)T型三电平逆变器空间电压矢量作用顺序

确定空间电压矢量对应的开关状态以及对每个开关状态的作用时间进行分配，以达到开关动作的最优化；三电平开关动作顺序满足以下要求：

1)为避免电路所有开关全部导通导致短路的情况，相邻两个开关状态不能跳变，不能从P状态直接变为N状态，要有O状态进行过渡；

2)在一个开关周期内，开关状态和作用时间对称；

本算法采用五段式矢量作用顺序，在满足基本的矢量作用原则外，采用的电压矢量对应的共模电压大小均对应在-U_dc/6～U_dc/6区间；其次，每个大扇区的1、3小扇区均含有正小矢量和负小矢量，如Ⅰ₁区域含有POO和OON两种小矢量，通过调节小矢量作用时间控制中点电位平衡；Ⅰ₂、Ⅰ₄每个小扇区含有一个小矢量，采用对称的方法实现中点电位的开环调节；

表4矢量作用顺序表

从表4中看出，每个大扇区中的小扇区1和小扇区3中均含有一对正负小矢量，它们对中点电压平衡的作用是互补对称的；根据矢量分布图知，参考电压矢量总会经过Ⅰ小扇区或Ⅲ小扇区中的一个扇区；因此，通过滞环控制的方法对中点电位进行控制。

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