CN108712099A - 一种三电平变流器非连续脉宽调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三电平变流器非连续脉宽调制方法，首先计算出传统模式和扩展模式各相0、1、2电平的占空比，进而以实现中点电压的平衡为准则选择可适用的传统模式，以占空比约束条件选择可以实现中点电压平衡的扩展模式，最后根据选择模式的各相各个电平的占空比计算出各相0、1、2的作用时间，从而获得三电平变流器的开关序列，本发明得出的传统非连续脉宽调制方法和扩展的非连续脉宽调制方法对实现中点电压平衡的控制区域在全调制范围内形成很好的互补性，从而在一定程度上降低了算法的计算复杂程度，有效降低了系统的开关损耗，提高了变流器的运行效率，实现三电平变流器的优化控制。

Description

一种三电平变流器非连续脉宽调制方法
技术领域
本发明涉及三电平变流器的调制方法，更具体地说是涉及一种新型的三电平变流器的非连续脉宽调制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，尤其在大容量、高电压场合，三电平拓扑的应用越来越广泛，每个功率管承受的电压为直流侧电压的一半。此外，三电平拓扑还具有输出波形的谐波含量低、效率高和开关管电压应力较低的优点。但由于功率管数量的增多，控制算法复杂，伴随着中点电压偏移、开关损耗等问题。
为使三电平变流器具有良好的输出特性，高效的脉宽调制策略应满足以下两个要求：
1)具备良好的中点电压平衡能力，同时中点电压存在一定波动时，也能具有较好的输出特性；
2)较小的开关损耗，以提高系统的效率。
中点电压的波动是三电平变流器的关键问题之一。中点电压波动包含直流偏移和交流纹波。当采用电压开环控制策略时，中点电压不平衡会导致输出三相电流的正弦度变差；使用电流闭环控制能够提高输出电流质量，但可能会加剧中点电压不平衡。中点电压偏移、波动不仅会造成变流器输出电压、电流的质量降低，严重时，甚至会造成直流侧电容耐压过高导致损耗，影响变流器系统的使用寿命。开关损耗是衡量变流器高效运行的重要指标之一。开关损耗的增加不可避免地降低功率器件的使用。因此，为了保证三电平变流器的安全、可靠运行，需采用能实现中点电压平衡的方法。
中点电压平衡是能够保证变流器安全可靠运行的必要前提，常见的具有中点电压平衡能力的三相三电平变流器的调制方法有：基于零序电压注入的载波脉宽调制(CBPWM)方法、基于冗余矢量调节的空间矢量调制(SVPWM)方法以及虚拟空间矢量调制(VSVPWM)方法。其中，CBPWM方法虽然具有低开关损耗的特性，但其零序电压的计算较为复杂，中点电压平衡效果受多种因数影响；SVPWM方法通过矢量合成规则安排各矢量的作用时间，同样计算量庞大，不易于实现；VSVPWM方法虽然具备中点电压平衡能力，但任意开关周期内都会有一相功率器件出现两次开关动作，增加了系统的开关损耗。
因此，需要提供一种实现全调制范围中点电压平衡的同时降低系统开关损耗的三电平变流器的调制方法。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种三电平变流器的非连续脉宽调制方法，以期能在降低系统开关损耗的基础上实现中点电压的平衡控制，提高三电平变流器效率，从而实现三电平变流器的优化控制。
本发明提出的一种三电平变流器非连续脉宽调制方法，包括如下步骤：
步骤一、采集所述三电平变流器直流侧的上电容电压uC1、下电容电压uC2，三相输出相电流iA、iB、iC，三相输出相电压uA、uB、uC，并对所述三相输出电压排序，得到最大电压umax＝max(uA，uB，uC)，最小电压umin＝min(uA，uB，uC)和中间电压umid＝mid(uA，uB，uC)；
步骤二、计算传统非连续脉宽调制九种模式下的三相占空比及中点电流iNP；
步骤三、根据件实现中点电压平衡以及三相占空比约束条为准则选择合适的传统模式，产生三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制；
步骤四、计算扩展模式2和扩展模式8的三相占空比，并根据占空比约束条件获得扩展模式2和扩展模式8的中点电压平衡区域，产生所述三电平变流器的开关序列，实现非连续脉宽调制。
优选的，所述计算传统非连续脉宽调制九种模式下的三相占空比及中点电流iNP，包括如下步骤：
步骤2.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE1模式；利用式(2)获得C_MODE1模式下的三相占空比模型：
式(2)中，dmax2,dmax1,dmax0；dmid2,dmid1,dmid0；dmin2,dmin1,dmin0分别表示umax相、umid相、umin相的2,1,0电平的占空比，
利用式(3)获得C_MODE1模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (3)，
式(3)中，udc表示直流侧总电压，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流；
步骤2.2、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE2；利用式(4)获得C_MODE2模式下的三相占空比模型：
利用式(5)获得C_MODE2模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid+uminimin-2iminumax+iminudc)/udc (5)
步骤2.3、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE3；利用式(6)获得所述C_MODE3模式下的三相占空比模型：
利用式(7)获得C_MODE3模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin-udcimax)/udc (7)；
步骤2.4、将umax相钳位至中线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE4；利用式(8)获得所述C_MODE4模式下的三相占空比模型：
利用式(9)获得C_MODE4模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (9)；
步骤2.5、将umid相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE5；利用式(10)获得所述C_MODE5模式下的三相占空比模型：
利用式(11)获得C_MODE5模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(imaxumid+iminumin-imaxumax+iminumid)/udc (11)；
步骤2.6、将umin相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE6；利用式(12)获得所述C_MODE6模式下的三相占空比模型：
利用式(13)获得C_MODE6模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (13)；
步骤2.7、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE7；利用式(14)获得所述C_MODE7模式下的三相占空比模型：
利用式(15)获得C_MODE7模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid-uminimin-udcimin)/udc (15)；
步骤2.8、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE8；利用式(16)获得所述C_MODE8模式下的三相占空比模型：
利用式(17)获得C_MODE8模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umidimid+uminimin-umaximax+2uminimax+imaxudc)/udc (17)；
步骤2.9、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE9；利用式(18)获得所述C_MODE9模式下的三相占空比模型：
利用式(19)获得C_MODE9模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (19)，
其中，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流；
优选的，所述根据三相占空比约束条件以及实现中点电压平衡为准则选择合适的传统模式，包括如下步骤：
步骤3.1、根据计算出来的九种模式下的三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式，
步骤3.2、根据计算出来的九种模式下的中点电流iNP，判断九种模式在不同功率因数角下的中点电压升高区域和中点电压降低区域，判定规则为：规定电流从变流器流出为正，若iNP<0，则中点电压升高，若iNP>0，则中点电压降低。
优选的，若出现多个传统模式均满足式(20)所示约束条件，则判断初始中点电压偏移量ΔuNP(n)的正负值，若ΔuNP(n)>0，在中点电压升高或降低区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择最小速率的中点电压升高的可选传统模式，在中点电压降低区域选择中点电压降低的可选传统模式，若ΔuNP(n)<0，则在中点电压升高或降低区域中选择中点电压升高的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压降低区域选择最小速率的中点电压降低的可选传统模式，根据选择的合适传统模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
优选的，所述计算扩展模式2和扩展模式8的三相占空比，并根据占空比约束条件获得扩展模式2和扩展模式8的中点电压平衡区域，包括如下步骤：
步骤4.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成E_MODE2模式；利用式(21)获得E_MODE2模式下的三相占空比模型：
步骤4.2、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，从而形成E_MODE8模式；利用式(22)获得所述E_MODE8模式下的三相占空比模型：
式(21)以及式(22)中，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流。
步骤4.3、根据计算出来的上述两种扩展模式下的三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式，
步骤4.4、根据选择的运行模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
本发明的有益效果：
1.本发明根据计算得到的九种传统非连续脉宽调制模式的中点电流，判断得到传统非连续脉宽调制方法的中点电压平衡的控制区域；根据中点电压平衡的约束条件，获得扩展非连续脉宽调制方法的中点电压平衡的控制区域。得出传统非连续脉宽调制方法和扩展的非连续脉宽调制方法对实现中点电压平衡的控制区域在全调制范围内形成很好的互补性，从而有效降低了系统的开关损耗，提高了变流器的运行效率，从而实现三电平变流器的优化控制。
2.本发明与传统的调制方法相比，仅需根据实时采样获得的三相电流和三相电压信号的关系，计算出九种传统非连续脉宽调制模式下的中点电流、每个电平的作用时间与两种扩展非连续脉宽调制模式下每个电平的作用时间，并根据实现中点电压平衡为准则选择可适用的传统模式和根据占空比约束条件选择可适用的扩展模式，从而在一定程度上降低了算法的计算复杂程度；
3.本发明无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的三电平变流器的非连续脉宽调制方法流程图
图2为本发明九种传统模式的分布图
图3a为本发明九种传统模式在时的中点电压升高区域图；
图3b为本发明九种传统模式在时的中点电压升高区域图；
图3c为本发明九种传统模式在时的中点电压升高区域图；
图3d为本发明九种传统模式在时的中点电压升高区域图；
图4a为本发明九种传统模式在时的中点电压降低区域图；
图4b为本发明九种传统模式在时的中点电压降低区域图；
图4c为本发明九种传统模式在时的中点电压降低区域图；
图4d为本发明九种传统模式在时的中点电压降低区域图；
图5a为本发明两种扩展模式在时的中点电压平衡区域图；
图5b为本发明两种扩展模式在时的中点电压平衡区域图；
图5c为本发明两种扩展模式在时的中点电压平衡区域图；
图5d为本发明两种扩展模式在时的中点电压平衡区域图；
图6a为本发明扩展模式在不同m和下所占比例图；
图6b为本发明传统模式在不同m和下占100％比例的区域图；
图7a为本发明在m＝0.3和时的稳态实验结果图；
图7b为本发明在m＝0.9和时的稳态实验结果图；
图7c为本发明在m＝0.9和时的稳态实验结果图；
图8a为本发明在m＝0.3和时的中点电压恢复过程实验结果图；
图8b为本发明在m＝0.9和时的中点电压恢复过程实验结果图；
图8c为本发明在m＝0.9和时的中点电压恢复过程实验结果图；
图9为本发明的开关损耗条形图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本发明的三电平变流器的非连续脉宽调制方法流程图，实时检测三电平变流器的输出相电压、相电流，并判断三相输出电压的大小关系，首先计算出传统模式和扩展模式各相0、1、2电平的占空比，进而以实现中点电压的平衡为准则选择可适用的传统模式，以占空比约束条件选择可以实现中点电压平衡的扩展模式，最后根据选择模式的各相各个电平的占空比得到三电平变流器的开关序列，具体的说，按如下步骤进行：
步骤一、采集所述三电平变流器直流侧的上电容电压uC1、下电容电压uC2，三相输出相电流iA、iB、iC，三相输出相电压uA、uB、uC，并对所述三相输出电压排序，并根据式(1)最大电压umax＝max(uA，uB，uC)，最小电压umin＝min(uA，uB，uC)和中间电压umid＝mid(uA，uB，uC)；
步骤二、计算传统非连续脉宽调制九种模式下的三相占空比及中点电流iNP；
步骤2.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE1模式；利用式(2)获得C_MODE1模式下的三相占空比模型：
式(2)中，dmax2,dmax1,dmax0；dmid2,dmid1,dmid0；dmin2,dmin1,dmin0分别表示umax相、umid相、umin相的2,1,0电平的占空比，
利用式(3)获得C_MODE1模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (3)；
式(3)中，udc表示直流侧总电压，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流；
步骤2.2、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE2；利用式(4)获得C_MODE2模式下的三相占空比模型：
利用式(5)获得C_MODE2模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid+uminimin-2iminumax+iminudc)/udc (5)
步骤2.3、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE3；利用式(6)获得所述C_MODE3模式下的三相占空比模型：
利用式(7)获得C_MODE3模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin-udcimax)/udc (7)；
步骤2.4、将umax相钳位至中线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE4；利用式(8)获得所述C_MODE4模式下的三相占空比模型：
利用式(9)获得C_MODE4模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (9)；
步骤2.5、将umid相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE5；利用式(10)获得所述C_MODE5模式下的三相占空比模型：
利用式(11)获得C_MODE5模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(imaxumid+iminumin-imaxumax+iminumid)/udc (11)；
步骤2.6、将umin相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE6；利用式(12)获得所述C_MODE6模式下的三相占空比模型：
利用式(13)获得C_MODE6模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (13)；
步骤2.7、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE7；利用式(14)获得所述C_MODE7模式下的三相占空比模型：
利用式(15)获得C_MODE7模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid-uminimin-udcimin)/udc (15)；
步骤2.8、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE8；利用式(16)获得所述C_MODE8模式下的三相占空比模型：
利用式(17)获得C_MODE8模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umidimid+uminimin-umaximax+2uminimax+imaxudc)/udc (17)；
步骤2.9、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE9；利用式(18)获得所述C_MODE9模式下的三相占空比模型：
利用式(19)获得C_MODE9模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (19)，
其中，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流；
步骤三、根据三相占空比约束条件以及实现中点电压平衡为准则选择合适的传统模式，产生三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制；
步骤3.1、根据计算出来的九种模式下的三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式，
步骤3.2、根据计算出来的九种模式下的中点电流iNP，判断九种模式在不同功率因数角下的中点电压升高区域和中点电压降低区域，判定规则为：规定电流从变流器流出为正，若iNP<0，则中点电压升高，若iNP>0，则中点电压降低。
具体实施中，九种传统模式覆盖了整个调制区域，在不同调制度m和A相电压的相位角ωt下，出现多个传统模式满足式(20)所示约束条件。图2给出了九种传统模式满足式(20)约束条件的分布图，其中，当m＝0.86，ωt＝π/3时，C_MODE2和C_MODE7为可适用的传统模式；而当m∈[0,0.577]时有五种可适用的传统模式，分别为C_MODE1，C_MODE4，C_MODE5，C_MODE6和C_MODE9。
利用式(3)、(5)、(7)、(9)、(11)、(13)、(15)、(17)、和(19)分别计算所述三电平变流器运行在C_MODE1、C_MODE2、C_MODE3、C_MODE4、C_MODE5、C_MODE6、C_MODE7、C_MODE8和C_MODE9模式下的中点电流，并选择计算结果可以实现中点电压平衡的运行模式；
具体实施中，图3a和4a分别给出了时传统模式的中点电压升高区域和中点电压降低区域，其中，在时，传统模式的中点电压升高区域和中点电压降低区域所占的区域最小。随着功率因数的降低，中点电压升高区域和中点电压降低区域不断扩大到涵盖m>0.667的整个区域，两种区域在区间是对称分布的，进而通过切换中点电压升高的可选传统模式和中点电压降低的可选传统模式，可以实现平衡中点电压的控制目标。当 和时，中点电压升高区域和中点电压降低区域与时的中点电压升高区域和中点电压降低区域的变化趋势类似，中点电压升高区域的分布图如图3b-d，中点电压降低区域的分布图如图4b-d。
实施例中，若出现多个传统模式均满足式(20)所示约束条件，首先判断初始中点电压偏移量ΔuNP(n)的正负值，若ΔuNP(n)>0，在中点电压升高或降低区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择最小速率的中点电压升高的可选传统模式，在中点电压降低区域选择中点电压降低的可选传统模式，若ΔuNP(n)<0，则在中点电压升高或降低区域中选择中点电压升高的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压降低区域选择最小速率的中点电压降低的可选传统模式，根据选择的合适传统模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
步骤四、计算扩展模式2和扩展模式8的三相占空比，并根据占空比约束条件获得扩展模式2和扩展模式8的中点电压平衡区域，产生所述三电平变流器的开关序列，实现非连续脉宽调制。
步骤4.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成E_MODE2模式；利用式(21)获得E_MODE2模式下的三相占空比模型：
步骤4.2、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，从而形成E_MODE8模式；利用式(22)获得所述E_MODE8模式下的三相占空比模型：
式(21)以及式(22)中，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流，
步骤4.3、根据计算出来的上述两种扩展模式下的三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式，
根据前面步骤二中，计算后得到的可以实现中点电压平衡的传统非连续脉宽运行模式，可以发现，C_MODE1-C_MODE9与E_MODE2和E_MODE8对实现中点电压平衡的控制区域在全调制范围内展现出很好的互补性，从而得到全调制范围内可以实现中点电压平衡的合适运行模式。
具体实施中，如果由式(21)和式(22)计算得到的占空比满足式(20)，则认为该扩展模式(E_MODE)可以实现对平衡中点电压的控制目标。实施例中，以为例，如图5a所示，E_MODE对实现中点电压平衡的控制区域随着功率因数的增大而逐渐减小，且控制区域在区间是对称分布的。结合图3a和图4a可以发现，E_MODE和合适的传统模式的中点电压平衡控制区域展现出很好的互补性。从图3b-d，图4b-d和图5b-d可以看出，当 和时，E_MODE和合适的传统模式的中点电压平衡控制区域也同样展现出很好的互补性。
实施例中，图6a为不同m和下E_MODE所占的比例，当m∈[0,0.58]时，仅采用C_MODE可以实现平衡中点电压的控制目标，E_MODE所占比例为0；当m∈[0.58,1.1547]时，E_MODE所占比例随功率因数的变化而改变，当功率因数较低时，E_MODE所占比例很大(接近100％)，当功率因数较高时，E_MODE所占比例很小(最小值达到0％)。图6b为不同m和下仅采用C_MODE时可以实现中点电压平衡的控制区域，这一区域几乎占据了整个区域的75％。
步骤4.4、根据选择的运行模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
实施例中，分别选取(a)m＝0.3,(b)m＝0.9,(c)m＝0.9,进行实验，验证本发明调制方法的正确性。其中，uAB为本发明获得的线电压波形。对比图7a-图7c可知，无论变流器运行在何种条件时，采用本发明可以完全消除中点电压上的直流偏移和交流波动，始终能够维持中点电压平衡，即上下电容电压基本一致，且输出相电流正弦度较好。图8a-图8c为本发明在不同和m下的中点电压恢复过程。可以看出，本发明在动态过程中也可以很好的将中点电压从不平衡状态迅速恢复到平衡状态。
图9为变流器分别采用本发明以及现有技术中的SPWM方法(无中点电压平衡能力)、VSVPWM方法(具备中点电压平衡能力)和DPWM(开关损耗低)所获得的开关损耗条形图，可以看出变流器采用本发明时，系统的开关损耗高于采用DPWM方法时获得的开关损耗，而低于采用SPWM和VSVPWM方法时获得的开关损耗。结果表明，本发明能够在平衡中点电压的前提下，降低系统的开关损耗，提高变流器的运行效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于，
步骤一、采集所述三电平变流器直流侧的上电容电压uC1、下电容电压uC2，三相输出相电流iA、iB、iC，三相输出相电压uA、uB、uC，并对所述三相输出电压排序，得到最大电压umax＝max(uA，uB，uC)，最小电压umin＝min(uA，uB，uC)和中间电压umid＝mid(uA，uB，uC)；
步骤二、计算传统非连续脉宽调制九种模式下的三相占空比及中点电流iNP；
步骤三、根据三相占空比约束条件以及实现中点电压平衡为准则选择合适的传统模式，产生三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制；
步骤四、计算扩展模式2和扩展模式8的三相占空比，并根据占空比约束条件获得扩展模式2和扩展模式8的中点电压平衡区域，产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现三电平电流器的非连续脉宽调制。
2.根据权利要求1所述的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于，所述计算传统非连续脉宽调制九种模式下的三相占空比及中点电流iNP，包括如下步骤：
步骤2.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE1模式；利用式(2)获得C_MODE1模式下的三相占空比模型：
式(2)中，dmax2,dmax1,dmax0；dmid2,dmid1,dmid0；dmin2,dmin1,dmin0分别表示umax相、umid相、umin相的2,1,0电平的占空比，
利用式(3)获得C_MODE1模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc(3)；
其中，udc表示直流侧总电压；imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流。
步骤2.2、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE2；利用式(4)获得C_MODE2模式下的三相占空比模型：
利用式(5)获得C_MODE2模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid+uminimin-2iminumax+iminudc)/udc(5)
步骤2.3、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE3；利用式(6)获得所述C_MODE3模式下的三相占空比模型：
利用式(7)获得C_MODE3模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin-udcimax)/udc (7)；
步骤2.4、将umax相钳位至中线，无开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE4；利用式(8)获得所述C_MODE4模式下的三相占空比模型：
利用式(9)获得C_MODE4模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (9)；
步骤2.5、将umid相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE5；利用式(10)获得所述C_MODE5模式下的三相占空比模型：
利用式(11)获得C_MODE5模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(imaxumid+iminumin-imaxumax+iminumid)/udc (11)；
步骤2.6、将umin相钳位至中线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE6；利用式(12)获得所述C_MODE6模式下的三相占空比模型：
利用式(13)获得C_MODE6模式下的中点电流iNP：
iNP＝-2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (13)；
步骤2.7、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE7；利用式(14)获得所述C_MODE7模式下的三相占空比模型：
利用式(15)获得C_MODE7模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(-umaximax-umidimid-uminimin-udcimin)/udc (15)；
步骤2.8、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE8；利用式(16)获得所述C_MODE8模式下的三相占空比模型：
利用式(17)获得C_MODE8模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umidimid+uminimin-umaximax+2uminimax+imaxudc)/udc (17)；
步骤2.9、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成C_MODE9；利用式(18)获得所述C_MODE9模式下的三相占空比模型：
利用式(19)获得C_MODE9模式下的中点电流iNP：
iNP＝2(umaximax+umidimid+uminimin)/udc (19)。
3.根据权利要求1所述的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于，根据所述三相占空比约束条件以及实现中点电压平衡为准则选择合适的传统模式，包括如下步骤：
步骤3.1、根据计算出来的九种模式下三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式：
步骤3.2、根据计算出来的九种模式下的中点电流iNP，判断九种模式在不同功率因数角下的中点电压升高区域和中点电压降低区域，判定规则为：规定电流从变流器流出为正，若iNP<0，则中点电压升高，若iNP>0，则中点电压降低。
4.根据权利要求3所述的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于，若出现多个传统模式均满足式(20)所示约束条件，则判断初始中点电压偏移量ΔuNP(n)的正负值，若ΔuNP(n)>0，在中点电压升高或中点电压降低区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择最小速率的中点电压升高的可选传统模式，在中点电压降低区域选择中点电压降低的可选传统模式；若ΔuNP(n)<0，则在中点电压升高或降低区域中选择中点电压升高的可选传统模式，在中点电压升高区域中选择中点电压降低的可选传统模式，在中点电压降低区域选择最小速率的中点电压降低的可选传统模式，根据选择的合适传统模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
5.根据权利要求1所述的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于，计算所述扩展模式2和扩展模式8的三相占空比，并根据占空比约束条件获得扩展模式2和扩展模式8的中点电压平衡区域，包括如下步骤：
步骤4.1、将umax相钳位至正母线，无开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，令umin相输出由0、1电平组成，出现一次开关动作，从而形成E_MODE2模式；利用式(21)获得E_MODE2模式下的三相占空比模型：
步骤4.2、将umin相钳位至负母线，无开关动作，令umax相输出由1、2电平组成，出现一次开关动作，令umid相输出由0、1、2电平组成，出现两次开关动作，从而形成E_MODE8模式；利用式(22)获得所述E_MODE8模式下的三相占空比模型：
式(21)以及式(22)中，imax，imid，imin分别表示umax相、umid相、umin相对应的相电流，
步骤4.3、根据计算出来的上述两种扩展模式下的三相占空比结果，选择基于式(20)所示约束条件的运行模式：
步骤4.4、根据选择的运行模式产生所述三电平变流器的开关序列，从而实现对所述三电平变流器的调制。
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CN107070278A (zh) * 2017-06-26 2017-08-18 合肥工业大学 一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法
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