CN109217646B

CN109217646B - 一种基于载波比较实现的无偶次谐波svpwm控制方法

Info

Publication number: CN109217646B
Application number: CN201811265429.8A
Authority: CN
Inventors: 葛琼璇; 高瞻; 赵鲁
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS; CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: CN109217646A

Abstract

一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，通过在三相正弦波V_x上各自叠加零序分量V₀＝(1‑(Vmin+Vmax))/2得到对应三相调制波Vr_x；通过在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在剩余角度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无偶次谐波的SVPWM控制；通过在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在剩余角度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制。本控制方法具有计算简单，步骤简洁，容易实现的特点。

Description

一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法

技术领域

本发明涉及一种PWM控制方法，尤其涉及一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法。

背景技术

三电平NPC(Neutral Point Clamped)变流器的拓扑如图1所示，相比于两电平拓扑，其每一个开关器件承受的电压应力更小，可以将输出电压增加一倍，并且在相同开关频率下，谐波性能更优越；相比于电容悬浮型多电平拓扑和级联型多电平拓扑，其体积较小、结构简单，且可以通过采用背靠背结构实现能量双向流动。基于以上优点，三电平NPC拓扑被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空间矢量脉宽调制策略，是三电平NPC变流器经常使用的一种控制方法。经典的SVPWM方法基于伏秒原理，即借助三个电压空间矢量与各自作用时间的乘积来合成指令电压V_ref，通过追踪V_ref的运动轨迹来进行调制。三个电压空间矢量的选取依据最近三矢量原则。

三电平NPC变流器在各空间角度区间内的电压空间矢量分布如图2所示。图2中V_A、V_B、V_C分别对应A相、B相、C相相电压。图2中诸如0°、90°等角度代表对应度数的空间角度，即三相输出电压旋转坐标变化后所得到指令电压V_ref与A相相电压之间的夹角，360度空间角度对应一个电压基波周期。图2中诸如POO、OON等变量代表相应的电压空间矢量，其中，P对应图1三电平NPC变流器某相开关器件P₁、P₂导通，O对应图1某相开关器件P₂、P₃导通，N对应图1某相开关器件P₃、P₄导通，如电压空间矢量PNO，对应A相P₁、P₂导通，B相P₃、P₄导通，C相P₂、P₃导通。

SVPWM各电压空间矢量依据其幅值大小可分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，其中小矢量和零矢量存在冗余状态。小矢量根据三相对应的电平为P电平或N电平可将冗余状态分为P型小矢量和N型小矢量。表1给出了SVPWM各电压空间矢量的类型。

表1三电平NPC变流器各电压空间矢量类型

SVPWM方法在不同空间角度区间内选择不同的电压空间矢量首发对应不同的谐波性能和开关频率。当在不同角度区间内选择的首发电压空间矢量满足半波对称时，对应的SVPWM方法可以使得相电压不含偶次谐波分量，称为无偶次谐波SVPWM方法。半波对称即电压空间矢量在一个基波周期内满足：

上式中，T为基波周期，t代表时间。文献《偶次谐波消除的NPC逆变器矢量调制策略》(王舒，[J].电力电子技术,2016,50(7):14-17.)证明了当不同角度区间内首发电压空间矢量满足半波对称时，可以以基波周期为时间单位，控制中点上下电容充电和放电相平衡，其对中点电压的平衡更为有利。

对于三电平NPC变流器，不平衡的中点电压会导致某半边开关器件和直流电容承受过高的电压，危及运行安全，故三电平NPC变流器要保证中点电压的稳定。无偶次谐波SVPWM方法可以对中点电压进行自平衡调节，更符合三电平NPC变流器对中点电压平衡的需求。

目前常用的无偶次谐波SVPWM有两种，分别为无偶次谐波的SVPWM，即NP交替型SVPWM和无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM，即适合双采样的NP交替型SVPWM。两种SVPWM方法分别如图3a、图3b和图4a、图4b所示。图3a、图3b和图4a、图4b中，各电压空间矢量的定义和图2相同，图3a和图3b对应两种对偶的动作方式，其区别只在于每个Region区域内选择的首发小矢量类型相反，如图3a在Region1区域内选择P型小矢量首发，图3b在Region1区域内选择N型小矢量首发。两种无偶次谐波SVPWM方法的Region划分如表2所示。

表2 SVPWM方法Region划分

假定采样频率为1200Hz，电压基波频率50Hz，则在一个电压基波周期内，SVPWM对应24个采样点，即每个Region区域内对应4个采样点。以此为基础，可得到1200Hz下两种无偶次谐波SVPWM方法在一个50Hz电压基波周期内A相P₁、P₂的开关动作，如图5。对比图5，两种无偶次谐波SVPWM的开关波形均在一个基波周期内满足半波对称，其中，无偶次谐波SVPWM开关动作序列如图3a时开关频率为350Hz，如图3b时开关频率为400Hz，同时在90°和270°空间角处存在相电压两电平突变问题；无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM开关动作序列如图4a或4b时，开关频率均为400Hz且均不存在相电压两级突变问题。

两种无偶次谐波SVPWM方法的性能总结于表3。

表3两种无偶次谐波SVPWM方法性能分析

两种无偶次谐波的SVPWM方法电压空间矢量在一个基波周期内均满足半波对称，均可以消除偶次谐波且具备一定的中点电压自平衡能力，除图3b所示开关序列外，剩余三种开关序列均不存在相电压两电平突变，符合三电平NPC变流器对中点电压平衡和安全性的要求，适用于对三电平NPC变流器的控制。文献《三电平逆变器并联系统环流抑制研究》(王晓飞，[D].安徽:合肥工业大学,2015:9-11)给出了如何基于载波实现小矢量起始的SVPWM控制，但并没有进一步研究如何利用载波比较得到无偶次谐波的SVPWM控制。文献《大功率三电平逆变器脉宽调制及磁场定向控制的研究》(殷正刚，[D].北京:中国科学院大学,2012:36-42)给出了两种无偶次谐波的SVPWM方法的具体实现方式，但其在实现过程中需计算各电压空间矢量的作用时间，含有较多三角函数和无理数运算，运算量较大且不可避免的存在一定的计算误差，且在进行计算前需要首先进行扇区的判断，步骤繁琐，不利于系统的高频化和精确化。

发明内容

为克服两种无偶次谐波SVPWM方法存在的不足，本发明提出一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法。本发明利用简单的调制波与三角载波比较的方式分别等效两种无偶次谐波SVPWM方法，从而在消除偶次谐波、具备中点电压自平衡能力的同时减少了系统的计算量和计算误差，提高了系统的效率。

本发明对调制波的采样使用双采样方法，即采样频率为三角载波频率的两倍，在三角载波的零点和峰值点各采样一次。

本发明基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法通过在三相正弦波V_x上各自叠加零序分量V₀来得到对应三相调制波Vr_x；通过在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无偶次谐波的SVPWM控制；通过在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到360度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制。

具体如下：

三相正弦波V_x、零序分量V₀、三相调制波Vr_x的定义如下：

所述的三相正弦波V_x定义如下：

式(1)中，V_a对应A相正弦波，V_b对应B相正弦波，V_c对应C相正弦波，t代表时间，ω代表角速度，有ω＝2πf，f为三相正弦波频率。m为调制比，其值为对应调制波幅值除以三角载波幅值。

零序分量V₀定义如下：

式(2)中，V'_a为A相正弦波V_a为正值时的值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V'_b为B相正弦波V_b为正值时的值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V_c'为C相正弦波V_c为正值时值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V_max为V'_a、V'_b和V'_c的最大值，V_min为V'_a、V'_b和V'_c的最小值。

三相正弦波V_x上分别叠加零序分量V₀可得到三相调制波Vr_x，即：

Vr_x＝V_x+V₀ (3)

与三相调制波Vr_x相比较的三角载波定义如下：

与三相正弦波V_x进行比较的三角载波由上下两个幅值、频率相同的三角载波同相层叠构成。上升沿起始的三角载波定义如下：

上式中，f_s代表采样频率，时间因子t_s定义如下：

t_S＝t (0≤t≤2/f_s)

t_S＝t-N×t_S (t＞2/f_s) (5)

对t_s定义中，t代表时间，N＝int(t/t_S)，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数。

下降沿起始的三角载波定义如下：

本发明基于三相调制波Vr_x采样值与三角载波Vc₁、Vc₂值比较得到三电平NPC变流器各开关器件的开关信号，三相调制波Vr_x采样值与三角载波Vc₁、Vc₂值比较的具体规则为：

1)当三相调制波Vr_x采样值大于Vc₁和Vc₂，控制三电平NPC变流器对应相上桥臂两个开关器件P1、P2导通，从而输出P电平。

2)当三相调制波Vr_x采样值小于上三角载波Vc₁和下三角载波Vc₂，控制三电平NPC变流器对应相下桥臂的两个开关器件P3、P4导通，从而输出N电平。

3)当三相调制波Vr_x采样值大于下三角载波Vc₂且小于上三角载波Vc₁，控制三电平NPC变流器对应相上桥臂的开关器件P₂和下桥臂的开关器件P₃导通，从而输出O电平。

本发明基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法具体如下：

1、基于载波比较得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列

本发明通过调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较可得到三相电平状态P-O-P或O-N-O，从而等效得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。具体为：

当三相调制波Vr_x在起始三角载波上升沿零点时刻采样值大于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，则在当前三角载波上升沿采样周期内，输出电平状态为P-O；当三相调制波Vr_x在起始三角载波上升沿零点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，则在当前三角载波上升沿采样周期内，输出电平状态为O-N。

初始输出电平状态P-O或O-N，对应P型小矢量首发，则利用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，可等效得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。

2、基于载波比较得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列

本发明通过三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较可得到三相电平状态O-P-O或N-O-N，从而等效得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。具体为：

当三相调制波Vr_x在起始三角载波下降沿峰值点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且小于下三角载波Vc₂，则在当前三角载波下降沿采样周期内，输出电平状态为N-O；当三相调制波Vr_x在起始三角载波下降沿峰值点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，则在当前三角载波下降沿采样周期内，输出电平状态为O-P。

初始输出电平状态O-P或N-O，对应N型小矢量首发，则利用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较可等效得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。

3、基于载波比较实现无偶次谐波SVPWM控制

三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，可等效得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列，与下降沿起始三角载波比较，可等效得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。基于以上结论，本发明通过在无偶次谐波SVPWM的P型小矢量首发区域，即空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在无偶次谐波SVPWM的N型小矢量首发区域，即30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，从而基于载波实现无偶次谐波的SVPWM控制。

为实现无偶次谐波SVPWM的对偶动作模式，在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，可以基于载波得到无偶次谐波的SVPWM控制的对偶动作模式。

4、基于载波比较实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制

在无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制的P型小矢量首发区域，即空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制的N型小矢量首发区域，即60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，从而基于载波实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制。

为实现无相电压两级突变且无偶次谐波SVPWM的对偶动作模式，在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，可以基于载波得到无相电压两级突变且无偶次谐波SVPWM控制的对偶动作模式。

附图说明

图1三电平NPC变流器拓扑图；

图2针对三电平NPC变流器的SVPWM空间电压矢量图；

图3a、图3b无偶次谐波SVPWM方法开关序列图，其中：图3a为无偶次谐波SVPWM方法开关序列图；图3b为图3a的对偶动作模式；

图4a、图4b无相电压两电平跳变且无偶次谐波的SVPWM方法开关序列图，其中：图4a为无相电压两电平跳变且无偶次谐波的SVPWM方法；图4b为图4a的对偶动作模式；

图51200Hz采样频率下，无偶次谐波SVPWM方法和无相电压两电平跳变且无偶次谐波的SVPWM方法在50Hz基波周期内A相开关器件P1、P2的开关动作示意图；

图6a、图6b与调制波比较的三角载波图，其中：图6a是上升沿起始的三角载波图，图6b是下降沿起始的三角载波图；

图7a、图7b、图7c、图7d是调制波与载波比较示意图，其中：图7a、图7b对应上升沿起始三角载波，载波零点时刻采样两种情况；图7c、图7d对应下降沿起始三角载波，载波峰值点时刻采样两种情况；

图8a、图8b当指令电压落在图2区域1.4时一个采样周期内的电压空间矢量作用序列，其中：图8a对应P型小矢量起始的电压空间矢量作用序列，图8b对应N型小矢量起始的电压空间矢量作用序列；

图9a、图9b当指令电压落在图2区域1.4时调制波与载波的比较图，其中：图9a对应调制波与上升沿三角载波比较，图9b对应调制波与下降沿三角载波比较；

图10本发明基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法的具体实施流程图；

图11a、图11b是实施例中本发明控制方法所使用三角载波Vc1、Vc2和零序分量V0、A相正弦波Va，A相调制波Vra，其中：图11a对应三角载波Vc1、Vc2，图11b对应零序分量V0、A相正弦波Va，A相调制波Vra；

图12a、图12b、图12c、图12d、图12e、图12f是实施例A相输出相电压Vao和线电压Vab；

图13a、图13b、图13c、图13d、图13e、图13f是实施例A相线电压Vab快速傅里叶分析结果；

图14a、图14b、图14c、图14d、图14e、图14f是实施例A相线电压Vab以50Hz为基波的THD分析结果

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体如下：

本发明通过三相调制波与三角载波进行比较来得到三电平NPC变流器各开关器件的开关信号，其中，上升沿的三角载波如图6a所示，下降沿的三角载波如图6b所示。调制波与载波比较示意图如图7a、图7b、图7c、图7d所示，其中：图7a对应上升沿起始三角载波，载波零点时刻采样值大于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，输出电平P-O；图7b对应上升沿起始三角载波，载波零点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，输出电平O-N；图7c对应下降沿起始三角载波，载波峰值点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且小于下三角载波Vc₂，输出电平N-O；图7d对应下降沿起始三角载波，载波峰值点时刻采样值小于上三角载波Vc₁且大于下三角载波Vc₂，输出电平O-P。

本发明基于载波实现的无偶次谐波SVPWM控制方法具体如下：

1、利用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列：

三相正弦波V_x上分别叠加零序分量V₀＝(1-(Vmin+Vmax))/2，可得到三相调制波Vr_x，其中V_max为三相正弦波V_x为正时值不变，为负时值加1处理后的最大值，V_min为三相正弦波V_x为正时值不变，为负时值加1处理后的最小值。三相调制波Vr_x与上升沿起始的三角载波比较，可得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列，其原理如下：

假设指令电压落在图2所示的区域1.4，由最近三矢量原则合成指令电压，P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列如图8a所示，即POO-PON-PNN-ONN。设采样周期为T_s，POO在一个采样周期内作用时间为kT₁，对应冗余状态ONN作用时间为(1-k)T₁，PON作用时间为T₂，PNN作用时间为T₃，则有:

式(7)中，Ts为采样周期，T₁为电压矢量POO和ONN在一个采样周期内作用时间，T₂为PON作用时间，T₃为PNN作用时间，k为冗余小矢量因子，有0≤k≤1，Vr_a、Vr_b和Vr_c分别为对应A相、B相、C相的调制波，其分别由三相正弦波V_a、V_b和V_c叠加零序分量V₀得来，即：

调制波的采样值在一个采样周期内保持不变，则三相调制波Vr_a、Vr_b和Vr_c与上升沿起始的三角载波比较的示意图如图9a所示，由图9a可得：

式(9)中，Ts为采样周期，T₁为电压矢量POO和ONN在一个采样周期内作用时间，T₂为PON作用时间，T₃为PNN作用时间，将式(8)和式(9)代入式(7)，并令k＝0.5，可得：

则有V₀＝(1-(V_max+V_min))/2，证明了利用三相正弦波V_x上分别叠加零序分量V₀＝(1-(V_max+V_min))/2后与上升沿起始的三角载波比较可得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。

2、利用调制波与下降沿起始三角载波比较得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列：

三相正弦波V_x上分别叠加V₀＝(1-(Vmin+Vmax))/2可得到三相调制波Vr_x，其中V_max为三相正弦波V_x为正时值不变，为负时值加1处理后的最大值，V_min为三相正弦波V_x为正时值不变，为负时值加1处理后的最小值。三相调制波Vr_x与下降沿起始的三角载波比较，可得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列，其原理如下：

假设指令电压落在图2所示的区域1.4，N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列如图8b所示，即ONN-PNN-PON-POO。设采样周期为T_s，ONN在一个采样周期内作用时间为kT₁，对应冗余状态POO作用时间为(1-k)T₁，PNN作用时间为T₂，PON作用时间为T₃，则有：

式(11)中，Ts为采样周期，T₁为电压矢量ONN和POO在一个采样周期内作用时间，T₂为PNN作用时间，T₃为PON作用时间，k为冗余小矢量因子，有0≤k≤1，Vr_a、Vr_b和Vr_c分别为对应A相、B相、C相的调制波。调制波的采样值在一个采样周期内保持不变，则三相调制波Vr_a、Vr_b和Vr_c与下降沿起始的三角载波比较的示意图如图9b所示，由图9b可得：

将式(8)和式(12)代入式(11)，并令k＝0.5，可得：

则有V₀＝(1-(V_max+V_min))/2，证明了利用三相正弦波V_x上分别叠加零序分量V₀＝(1-(V_max+V_min))/2后与下降沿起始的三角载波比较，可得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列。

3、通过在P型小矢量首发区域利用调制波与上升沿起始三角载波比较，在N型小矢量首发区域利用调制波与下降沿起始三角载波比较，从而基于载波比较实现了无偶次谐波SVPWM控制：

为等效图3a所示的无偶次谐波SVPWM，在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较；

为等效图3b所示的无偶次谐波SVPWM对偶动作模式，在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较；

为等效图4a所示的无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM，在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较；

为等效图4b所示的无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM对偶动作模式，在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较。

4、通过采样时刻空间矢量角的值来判断当前位置处于P型小矢量起始区域或N型小矢量起始区域，进而选择三相调制波Vr_x与上升沿起始起始三角载波或下降沿起始三角载波比较。设max为A相调制波Vr_a、B相调制波Vr_b和C相调制波Vr_c中的最大值，min为A相调制波Vr_a、B相调制波Vr_b和C相调制波Vr_c中的最小值，判断空间矢量角角度值的方法如下：

1)当Vr_a≥0，Vr_b＜0，Vr_c＜0且有max＝Vr_a，min＝Vr_c时，空间矢量角范围在0度到30度；

2)当Vr_a≥0，Vr_b≥0，Vr_c＜0且有max＝Vr_a，min＝Vr_c时，空间矢量角范围在30度到60度；

3)当Vr_a≥0，Vr_b≥0，Vr_c＜0且有max＝Vr_b，min＝Vr_c时，空间矢量角范围在60度到90度；

4)当Vr_a＜0，Vr_b≥0，Vr_c＜0且有max＝Vr_b，min＝Vr_c时，空间矢量角范围在90度到120度；

5)当Vr_a＜0，Vr_b≥0，Vr_c＜0且有max＝Vr_b，min＝Vr_a时，空间矢量角范围在120度到150度；

6)当Vr_a＜0，Vr_b≥0，Vr_c≥0且有max＝Vr_b，min＝Vr_a时，空间矢量角范围在150度到180度；

7)当Vr_a＜0，Vr_b≥0，Vr_c≥0且有max＝Vr_c，min＝Vr_a时，空间矢量角范围在180度到210度；

8)当Vr_a＜0，Vr_b＜0，Vr_c≥0且有max＝Vr_c，min＝Vr_a时，空间矢量角范围在210度到240度；

9)当Vr_a＜0，Vr_b＜0，Vr_c≥0且有max＝Vr_c，min＝Vr_b时，空间矢量角范围在240度到270度；

10)当Vr_a≥0，Vr_b＜0，Vr_c≥0且有max＝Vr_c，min＝Vr_b时，空间矢量角范围在270度到300度；

11)当Vr_a≥0，Vr_b＜0，Vr_c≥0且有max＝Vr_a，min＝Vr_b时，空间矢量角范围在300度到330度；

12)当Vr_a≥0，Vr_b＜0，Vr_c＜0且有max＝Vr_a，min＝Vr_b时，空间矢量角范围在330度到360度；

基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法的实施流程如图10所示。

本发明利用载波比较等效实现了两种无偶次谐波的SVPWM，其无旋转坐标变换，不需要计算各电压空间矢量的作用时间，计算简单、步骤简洁，相比于两种无偶次谐波的SVPWM方法，其在保持相电压开关波形满足半波对称、相电压不含偶次谐波且具备一定中点电压自平衡能力优点基础上提高了系统的计算效率，更方便于工程应用。

下面结合实施例说明本发明的实施效果。

本发明实施例借助PSIM软件搭建三电平NPC逆变器模型，调制策略分别采用本发明提出的基于载波比较实现无偶次谐波SVPWM控制方法和图1、图2对应的无偶次谐波SVPWM控制方法，利用仿真实验验证本发明提出的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法的有效性。

仿真实验条件如下：直流侧母线电压5000V，直流母线上桥臂和下桥臂电容的电容值均为10mF，逆变输出侧负载为50Ω电阻串联10mH电感。系统仿真步长1us，以1200Hz频率进行采样，三角载波频率600Hz。基于载波比较实现无偶次谐波SVPWM控制方法调制比设为0.924，频率设为50Hz，在相同直流电压利用率下对应SVPWM下调制比设为0.8。

图11a、图11b为实施例中本发明控制方法所使用三角载波Vc1、Vc2和零序分量V0、A相正弦波Va。由图11a、图11b可知，三角载波在一定区域内表现为上升沿起始，对应P型小矢量首发区域，在剩余区域内表现为下降沿起始，对应N型小矢量首发区域。正弦波叠加零序分量后表现为羊角波，从而提高了直流电压利用率。

图12a、图12b、图12c、图12d、图12e、图12f是实施例A相输出相电压Vao和线电压Vab。其中，图12a为图3a作用下的Vao和Vab，图12b为本发明控制方法等效图3a作用下的Vao和Vab；图12c为图3b作用下的Vao和Vab，图12d为本发明控制方法等效图3b作用下的Vao和Vab；图12e为图4a作用下的Vao和Vab，图12f为本发明控制方法等效图4a作用下的Vao和Vab。图12a、图12b、图12c、图12d、图12e、图12f实施例结果总结于表4。

图13a、图13b、图13c、图13d、图13e、图13f是实施例A相线电压Vab快速傅里叶分析结果。其中，图13a为图3a作用下Vab的FFT结果，图13b为本发明控制方法等效图3a作用下Vab的FFT结果；图13c为图3b作用下Vab的FFT结果，图13d为本发明控制方法等效图3b作用下Vab的FFT结果；图13e为图4a作用下Vab的FFT结果，图13f为本发明控制方法等效图4a作用下Vab的FFT结果。图13a、图13b、图13c、图13d、图13e、图13f实施例结果总结于表4。

图14a、图14b、图14c、图14d、图14e、图14f是实施例A相线电压Vab以50Hz为基波的THD分析结果。其中，图14a为图3a作用下Vab的THD分析结果，图14b为本发明控制方法等效图3a作用下Vab的THD分析结果；图14c为图3b作用下Vab的THD分析结果，图14d为本发明控制方法等效图3b作用下Vab的THD分析结果；图14e为图4a作用下Vab的THD分析结果，图14f为本发明控制方法等效图4a作用下Vab的THD分析结果。图14a、图14b、图14c、图14d、图14e、图14f实施例结果总结于表4。

表4实施例结果总结

如表3所示，本发明一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法可得到与相应无偶次谐波SVPWM一致的开关频率、线电压谐波成分并且线电压THD含量基本相同。

如图11a、图11b～图14a、图14b、图14c、图14d、图14e、图14f所示，实施例的结果验证了本发明基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法的有效性，其可以完全等效无偶次谐波SVPWM控制方法，相电压不含偶次谐波分量且具备一定中点电压自平衡能力。本发明方法无需计算各电压空间矢量的作用时间，没有大量的三角函数和无理数运算，可提高系统的计算效率，更方便于工程实现。

Claims

1.一种基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，当采用三电平NPC变流器时，所述的控制方法通过在三相正弦波V_x上各自叠加零序分量V₀得到对应三相调制波Vr_x；通过在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无偶次谐波的SVPWM控制；通过在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到360度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，可基于载波实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制。

2.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，所述的三相正弦波V_x定义如下：

上式中，V_a对应A相正弦波，V_b对应B相正弦波，V_c对应C相正弦波，t代表时间，m为三相正弦波的幅值，对m除以三角载波幅值进行标幺得调制比；ω代表角速度，有ω＝2πf，f为三相正弦波频率。

3.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，所述的零序分量V₀定义如下：

V₀＝(1-(Vmin+Vmax))/2

Vmax＝max(V'_a,V'_b,V'_c)

Vmin＝min(V'_a,V'_b,V'_c)

上式中，V'_a为A相正弦波V_a为正值时的值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V'_b为B相正弦波V_b为正值时的值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V'_c为C相正弦波V_c为正值时值不变，为负值时值加1处理后得到的值，V_max为V'_a、V'_b和V'_c的最大值，V_min为V'_a、V'_b和V'_c的最小值；三相正弦波V_x上各自叠加零序分量V₀得到三相调制波Vr_x，即有Vr_x＝V_x+V₀。

4.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，所述的三角载波由上下两个幅值、频率相同的三角载波V_c1、V_c2同相层叠构成；其中，上升沿起始的三角载波定义如下：

上式中，f_s代表采样频率，时间因子t_s定义如下：

t_S＝t (0≤t≤2/f_s)

t_S＝t-N×t_S (t＞2/f_s)

对t_s定义中，t代表时间，N＝int(t/t_S)，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数；

下降沿起始的三角载波定义如下：

5.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较得到三相电平状态P-O-P或O-N-O，等效得到P型小矢量首发的电压空间矢量作用序列；三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较得到三相电平状态O-P-O或N-O-N，等效得到N型小矢量首发的电压空间矢量作用序列；调制波与载波的具体比较规则为：

1)当三相调制波Vr_x采样值大于Vc₁和Vc₂，控制三电平NPC变流器对应相上桥臂两个开关器件P1、P2导通，从而输出P电平；

2)当三相调制波Vr_x采样值小于上三角载波Vc₁和下三角载波Vc₂，控制三电平NPC变流器对应相下桥臂的两个开关器件P3、P4导通，从而输出N电平；

6.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，在无偶次谐波SVPWM的P型小矢量首发区域，即在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在无偶次谐波SVPWM的N型小矢量首发区域，即在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，从而基于载波实现无偶次谐波的SVPWM控制；

为实现无偶次谐波SVPWM的对偶动作模式，在空间矢量角330度到30度、90度到150度、210度到270度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在空间矢量角30度到90度、150度到210度、270度到330度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，能够基于载波得到无偶次谐波的SVPWM控制的对偶动作模式。

7.根据权利要求1所述的基于载波比较实现的无偶次谐波SVPWM控制方法，其特征在于，在无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制的P型小矢量首发区域，即在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，在无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制的N型小矢量首发区域，即在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，从而基于载波实现无相电压两级突变且无偶次谐波的SVPWM控制；

为实现无相电压两级突变且无偶次谐波SVPWM的对偶动作模式，在空间矢量角0度到60度、120度到180度、240度到300度区域使用三相调制波Vr_x与下降沿起始三角载波比较，在空间矢量角60度到120度、180度到240度、300度到0度区域使用三相调制波Vr_x与上升沿起始三角载波比较，能够基于载波得到无相电压两级突变且无偶次谐波SVPWM控制的对偶动作模式。