CN108880299A - 一种Vienna整流器的空间矢量调制方法 - Google Patents

一种Vienna整流器的空间矢量调制方法 Download PDF

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段善旭
王涛
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Abstract

本发明公开一种Vienna整流器的空间矢量调制方法，包括：根据Vienna整流器的三相调制电压Va、Vb、Vc经过矢量变换得到目标矢量根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，目标矢量通过简化的等效公式变换到第I大扇区，调制电压Va、Vb、Vc变换为等效调制电压Vra、Vrb、Vrc；等效调制电压标幺化为根据的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，并选择距离最近的基本电压矢量来合成；对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，结合各个矢量的作用时间对Vienna整流器进行调制。本发明通过简化的等效公式将目标矢量变换到第I大扇区，根据矢量作用时间大于0的原则直接进行小扇区判断，利用载波调制与空间矢量调制之间的等效，只需要加减运算可得到各个矢量的作用时间。

Description

一种Vienna整流器的空间矢量调制方法
技术领域
本发明属于电力领域，更具体地，涉及一种Vienna整流器的空间矢量调制方法。
背景技术
Vienna整流器作为一种三电平变换器，其常见的调制策略主要有载波调制CB-PWM(carrier-based pulse width modulation)、空间矢量调制SVM(space-vectormodulation)和断续调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)调制三类。
三电平空间矢量调制包括最近三矢量NTV法和基于两电平等效的简化SVM法。由于VIENNA整流器的特殊性，空间矢量受电流方向限制，使得最近三矢量法中扇区判断和矢量时间计算复杂，一般采用基于两电平等效的简化SVM法。
王涛等人在论文“Vienna整流器简化三电平矢量调制的数字化实现”中提出了一种Vienna整流器简化SVM的数字化实现方式，这种方式将处于其他扇区的目标矢量先经过旋转变换至第I扇区再由统一的计算方式得到向量作用时间，并基于两电平矢量调制推导了简化三电平SVM的矢量作用时间的计算公式。主扇区的判断是要确定目标矢量处于哪个等效两电平调制区，通过三相调制电压Vra、Vrb、Vrc的正负确定；子扇区判断是要判断等效目标矢量(目标矢量减去对应大扇区的小矢量)在两电平调制区的位置，通过伏秒平衡原理得到；矢量作用时间计算公式为：T0＝1-T1-T2。但是为了得到统一的计算公式，当目标矢量不在第一大扇区时，为了等效到第I大扇区，需要进行abc-αβ坐标变换和旋转变换，而且当目标矢量不在I-1扇区时，还需要经过二次旋转变换至I-1扇区，过程复杂；且在扇区判断和矢量作用时间的计算过程中，涉及大量的三角函数和无理数运算，导致运算量大，对数字处理器的运算能力提出了较高的要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明基于有效矢量不变的原理，利用载波调制与空间矢量调制间的等效，提出了一种可以快速实现调制的优化算法，可以通过三相正弦调制电压的加减运算进行扇区判断和矢量作用时间计算等，不需要复杂的三角函数和无理数运算。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种Vienna整流器的空间矢量调制方法，包括以下步骤：
S1.根据Vienna整流器的三相调制电压Va、Vb、Vc经过矢量变换得到目标矢量
S2.根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，当处于第I大扇区，当处于第II大扇区，当处于第III大扇区，当处于第IV大扇区，当处于第V大扇区，当处于第VI大扇区，目标矢量通过上述公式变换到第I大扇区，调制电压Va、Vb、Vc变换为等效调制电压Vra、Vrb、Vrc；
S3.等效调制电压Vra、Vrb、Vrc标幺化为根据 的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，并选择距离最近的基本电压矢量来合成；
S4.对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，结合各个矢量的作用时间对Vienna整流器进行调制。
具体地，
具体地，步骤S2中所述根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，包括：
(1)当Va＞0,Vb＜0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第I大扇区；
(2)当Va＞0,Vb＞0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第II大扇区；
(3)当Va＜0,Vb＞0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第III大扇区；
(4)当Va＜0,Vb＞0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第IV大扇区；
(5)当Va＜0,Vb＜0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第V大扇区；
(6)当Va＞0,Vb＜0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第VI大扇区。
具体地，步骤S3中所述标幺化用母线电压一半Vdc/2。
具体地，步骤S3中所述根据的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区的第1小扇区；
(2)当目标矢量处于第I大扇区的第2小扇区；
(3)当目标矢量处于第I大扇区的第3小扇区；
(4)当目标矢量处于第I大扇区的第4小扇区；
(5)当目标矢量处于第I大扇区的第5小扇区；
(6)当目标矢量处于第I大扇区的第6小扇区。
具体地，步骤S3中所述选择距离最近的基本电压矢量，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，选择和合成目标矢量；
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，选择和合成目标矢量；
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，选择和合成目标矢量；
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，选择和合成目标矢量；
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，选择和合成目标矢量；
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，选择和合成目标矢量；
其中， 为第I大扇区的用来合成的基本矢量，为长矢量，为中矢量，为正小矢量，负小矢量，为零矢量。
具体地，步骤S4中所述对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，矢量作用顺序为poo→pon→pnn→onn→pnn→pon→poo；
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，矢量作用顺序为poo→pon→oon→onn→oon→pon→poo；
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，矢量作用顺序为poo→ooo→oon→onn→oon→ooo→poo；
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，矢量作用顺序为poo→ooo→ono→onn→ono→ooo→poo；
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，矢量作用顺序为poo→pno→ono→onn→ono→pno→poo；
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，矢量作用顺序为poo→pno→pnn→onn→pnn→pno→poo。
具体地，步骤S4中各个矢量的作用时间为：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，
其中，分别为有效矢量作用时间t1、t2、正负小矢量VS1+、VS1-作用时间tp、tn用开关周期TS标幺化处理所得，r为正负小矢量作用分配比。
具体地，得到各个合成的基本电压矢量的作用顺序与作用时间后，可以得到每个开关周期内a,b,c三相开关动作的开关函数Sa、Sb、Sc。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明在得到目标矢量后不需要对目标矢量做平移得到等效目标矢量，可以直接进行小扇区判断。因此当目标矢量位于其他大扇区时，通过简化的等效变换公式，只需要对三相调制电压进行简单的取反或改变顺序，即可得到等效三相调制电压，省去每次都进行坐标与角度旋转变换，有效减少算法复杂度，减少占用时间资源。
(2)本发明基于有效矢量不变的原理，利用了载波调制与空间矢量调制之间的等效，得到了矢量作用时间与调制波之间的简化关系，只需要对三相调制波进行简单的加减运算，不需要复杂的乘法和无理数运算，就可以得到各个小扇区中各个矢量的作用时间。因此，小扇区判断结束后，可以直接利用各个小扇区的矢量作用时间计算公式，不需要进行二次旋转到第一小扇区。
(3)本发明只需要根据矢量作用时间大于0的原则进行小扇区判断，使得小扇区判断更为简便，不需要大量的逻辑比较和无理数计算，实现更为快速。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三相三线Vienna整流器主电路示意图。
图2为本发明实施例提供的大扇区划分示意图。
图3为本发明实施例提供的小扇区划分示意图。
图4为本发明实施例提供的一种Vienna整流器的空间矢量调制方法流程图。
图5(a)-图5(f)依次为本发明实施例提供的第I大扇区的第1小扇区至第6小扇区的矢量选择与作用时间图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的三相三线Vienna整流器主电路示意图。如图1所示，所述Vienna整流器主要由串联在三相线路中的交流滤波电感La～Lc、二极管D1～D6组成的三相整流桥臂、正负母线电容Cp,Cn及连接桥臂中点和电容中点的三个双向可控开关Sa～Sc组成。
在Vienna整流器中，a,b,c三相每相对于直流侧输出中点O有负(n)、零(o)和正(p)三种电平状态，定义电平Lk为：
由于三相不能同时为负或同时为正，所以排除(nnn)和(ppp)两种情况，因此可以输出33-2＝25组有效的电平。
由此可以得到三相调制电压Va,Vb,Vc与电平之间的关系，即对三相调制电压Va,Vb,Vc进行矢量变换，得到对应的参考电压矢量代入25组有效电平，Vdc为母线电压，可以得到19个空间矢量分布，其中，为长矢量，模长为2Vdc/3；为中矢量，它们的模长为 为正小矢量，负小矢量，正小矢量和负小矢量在矢量图上重合的，模长都是Vdc/3；为零矢量。
基于两电平理论简化的三电平SVPWM的基本原理是把整个状态空间细分为六个两电平空间矢量，从-30°开始，每60°分为一个区，分为6个大扇区I-VI。这种划分扇区的特点是：在每个扇区内只能产生特定的空间矢量，即在每个扇区内只能使用这些特定的矢量合成目标矢量。可以保证目标矢量在同一扇区内可以使用的空间矢量相同。将同一扇区内可使用的空间矢量平移(减去该扇区的小矢量)后可以得到一个等效的两电平调制区域，以每个大扇区中对应小矢量为原点，从0°开始，每60°分为一个区，分为6个小扇区1-6，因此将三电平矢量调制等效成两电平调制。
图2为本发明实施例提供的大扇区划分示意图。如图2所示，大扇区划分以-30°为起点，每隔60°划分一个扇区，将整个电压矢量空间划分为I-VI六个大扇区。这种划分扇区的特点是：在每个大扇区内Vienna整流器只能产生特定的空间矢量，即在每个大扇区内只能使用这些特定的矢量合成目标矢量。由于输入电流的限制，每个大扇区中可以使用的特定的空间矢量组成一个等效的正六边形两电平调制区域。图3为本发明实施例提供的小扇区划分示意图。如图3所示，小扇区划分从0°开始，每60°为一个扇区划分为1-6六个小扇区。
图4为本发明实施例提供的一种Vienna整流器的空间矢量调制方法流程图。如图4所示，该方法包括以下步骤：
S1.根据Vienna整流器的三相调制电压Va、Vb、Vc经过矢量变换得到目标矢量
S2.根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，当处于第I大扇区，当处于第II大扇区，当处于第III大扇区，当处于第IV大扇区，当处于第V大扇区，当处于第VI大扇区，目标矢量通过上述公式变换到第I大扇区，调制电压Va、Vb、Vc变换为等效调制电压Vra、Vrb、Vrc。
大扇区判断条件如表1所示，根据调制电压Va、Vb、Vc的正负情况将一个电网周期分为六个区域。
表1
当目标矢量位于第I大扇区时，可以直接判断小扇区。但是如果目标矢量处于其他扇区时，小扇区的判断将变得比较困难，为了简化扇区判断过程，我们需要将处于其他扇区内的目标矢量旋转到第I扇区。首先对Va、Vb、Vc进行Clark变换得到在α、β坐标系下分量Vα、Vβ，然后根据旋转变换矩阵将其他扇区内的目标矢量旋转到第I扇区，得到变换后调制电压Vα1、Vβ1，最后通过反Clark变换得到旋转后三相调制电压Vra、Vrb、Vrc。
变换过程表达式为：
其中，Clark变换公式为旋转变换矩阵表达式为θ为逆时针旋转角度，反Clark变换公式为
因此，得到最终调制电压旋转变换表达式为：
以目标矢量在第II大扇区为例，若要旋转到第I大扇区，θ＝-60°,带入上式可得旋转表达式为：
得到变换后调制电压为
当目标矢量位于其他扇区时，同理可得变换后的三相调制电压Vra、Vrb、Vrc，结果如表2所示：
表2
S3.等效调制电压Vra、Vrb、Vrc标幺化为根据 的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，并选择距离最近的基本电压矢量来合成。
由于有效矢量作用时间t1、t2均应大于0，所以得到小扇区的判断条件，小扇区的判断实际上是比较的大小关系，三个变量6种不同的排列顺序代表目标矢量处于6个不同小扇区。小扇区判断条件如表3所示。
表3
进行小扇区判断后，选择最近的三个基本矢量合成Vref，即两个有效矢量和一个等效零矢量(正负小矢量)。
S4.对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，结合各个矢量的作用时间对Vienna整流器进行调制。
由于在载波调制中，注入不同零序分量只会影响零矢量(或等效零矢量)的作用时间，不会改变有效矢量的作用时间。因此在空间矢量调制中，可以利用等效调制电压Vra、Vrb、Vrc获得有效矢量的作用时间。空间矢量调制在本质上与注入零序分量的载波调制是等效的，载波调制也可以看成是一种特殊的矢量调制,零序分量的大小只会影响零矢量(或等效零矢量)的作用时间，所以两种调制方法下有效矢量的作用时间是相等的。
以I扇区为例，在第一大扇区中可以用来合成的基本矢量有VL1(pnn)、VM1(pon)、VS2-(oon)、Vo(ooo)、VS6-(ono)、VM6(pno)、VS1+(poo)、VS1-(onn)共8个。
t1、t2分别为有效矢量作用时间，tp、tn分别为正负小矢量VS1+、VS1-作用时间，r定义为正负小矢量作用分配比，即r＝tp/(tp+tn)。t1、t2、tp、tn用开关周期TS标幺化为同时对等效调制电压Vra、Vrb、Vrc用母线电压一半Vdc/2标幺化为且目标矢量在I扇区内有Vra＞0,Vrb＜0,Vrc＜0。令Tmax、Tmid、Tmin分别为变量中的最大值、中间值和最小值，基于有效矢量不变原理得到各个矢量的作用时间：
r取值范围为：[0，1]。
在简化三电平SVM中，与零矢量对应的就是每个扇区的小矢量，为了保证最少的开关次数和电流纹波大小，矢量顺序安排需满足以下原则：①矢量每次切换时仅有一相开关动作；②矢量作用顺序对称安排；③将小矢量安排至整个矢量序列的首位和中间位置。按照上述原则一个开关周期TS内的矢量安排顺序为：VS1+→其他矢量→VS1-→其他矢量→VS1+。
图5(a)-图5(f)依次为第I大扇区的第1小扇区至第6小扇区的矢量选择与作用时间图。如图5(a)所示，在I大扇区中的第一小扇区中，选择VL1(pnn)、VM1(pon)、VS1+(poo)和VS1-(onn)合成目标矢量，矢量作用顺序为：poo→pon→pnn→onn→pnn→pon→poo。
第I大扇区的6个小扇区的矢量作用顺序和各个矢量的作用时间见表4和图5(a)-图5(f)。
表4
得到各个合成的基本电压矢量的作用顺序与作用时间后，可以得到每个开关周期内a,b,c三相开关动作的开关函数Sa、Sb、Sc。
将乘以开关周期TS得到t1、t2、tp、tn。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种Vienna整流器的空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.根据Vienna整流器的三相调制电压Va、Vb、Vc经过矢量变换得到目标矢量
S2.根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，当处于第I大扇区，当处于第II大扇区，当处于第III大扇区，当处于第IV大扇区，当处于第V大扇区，当处于第VI大扇区，目标矢量通过上述公式变换到第I大扇区，调制电压Va、Vb、Vc变换为等效调制电压Vra、Vrb、Vrc；
S3.等效调制电压Vra、Vrb、Vrc标幺化为根据 的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，并选择距离最近的基本电压矢量来合成；
S4.对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，结合各个矢量的作用时间对Vienna整流器进行调制。
2.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，
3.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S2中所述根据三相调制电压Va、Vb、Vc的正负来判断目标矢量在电压矢量空间中所处的大扇区，包括：
(1)当Va＞0,Vb＜0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第I大扇区；
(2)当Va＞0,Vb＞0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第II大扇区；
(3)当Va＜0,Vb＞0,Vc＜0，目标矢量在电压矢量空间中处于第III大扇区；
(4)当Va＜0,Vb＞0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第IV大扇区；
(5)当Va＜0,Vb＜0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第V大扇区；
(6)当Va＞0,Vb＜0,Vc＞0，目标矢量在电压矢量空间中处于第VI大扇区。
4.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S3中所述标幺化用母线电压一半Vdc/2。
5.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S3中所述根据的大小关系，判断目标矢量所处小扇区，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区的第1小扇区；
(2)当目标矢量处于第I大扇区的第2小扇区；
(3)当目标矢量处于第I大扇区的第3小扇区；
(4)当目标矢量处于第I大扇区的第4小扇区；
(5)当目标矢量处于第I大扇区的第5小扇区；
(6)当目标矢量处于第I大扇区的第6小扇区。
6.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S3中所述选择距离最近的基本电压矢量，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，选择和合成目标矢量；
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，选择和合成目标矢量；
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，选择和合成目标矢量；
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，选择和合成目标矢量；
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，选择和合成目标矢量；
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，选择和合成目标矢量；
其中， 为第I大扇区的用来合成的基本矢量，为长矢量，为中矢量，为正小矢量，负小矢量，为零矢量。
7.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S4中所述对于基本电压矢量对应的开关状态进行排序，包括：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，矢量作用顺序为poo→pon→pnn→onn→pnn→pon→poo；
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，矢量作用顺序为poo→pon→oon→onn→oon→pon→poo；
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，矢量作用顺序为poo→ooo→oon→onn→oon→ooo→poo；
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，矢量作用顺序为poo→ooo→ono→onn→ono→ooo→poo；
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，矢量作用顺序为poo→pno→ono→onn→ono→pno→poo；
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，矢量作用顺序为poo→pno→pnn→onn→pnn→pno→poo。
8.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤S4中各个矢量的作用时间为：
(1)当目标矢量处于第I大扇区中的第1小扇区中，
(2)当目标矢量处于第I大扇区中的第2小扇区中，
(3)当目标矢量处于第I大扇区中的第3小扇区中，
(4)当目标矢量处于第I大扇区中的第4小扇区中，
(5)当目标矢量处于第I大扇区中的第5小扇区中，
(6)当目标矢量处于第I大扇区中的第6小扇区中，
其中，分别为有效矢量作用时间t1、t2、正负小矢量VS1+、VS1-作用时间tp、tn用开关周期TS标幺化处理所得，r为正负小矢量作用分配比。
9.如权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，得到各个合成的基本电压矢量的作用顺序与作用时间后，可以得到每个开关周期内a,b,c三相开关动作的开关函数Sa、Sb、Sc。
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