CN109217703B - 一种零矢量起始svpwm中点电位平衡控制方法 - Google Patents

一种零矢量起始svpwm中点电位平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

一种零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法。在中点电位振荡超过限定值时，所述控制方法首先比较零矢量起始SVPWM当前采样周期内两个小矢量的作用时间，将作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，将作用时间较短的小矢量定义为短小矢量；通过检测长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值并将其送入PI控制器得到时间分配因子ptime；利用时间分配因子ptime控制长小矢量的作用时间，实现对零矢量起始SVPWM方法作用下中点电位平衡的动态调节。本发明控制方法可以将零矢量起始SVPWM方法作用下的中点电位偏差控制在较小范围内，克服了传统零矢量起始SVPWM方法无法利用冗余小矢量进行中点电位平衡控制的缺点。

Description

一种零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种中点电位平衡控制方法，尤其涉及一种零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法。
背景技术
三电平NPC(Neutral Point Clamped)逆变器的拓扑如图1所示，相比于两电平拓扑，三电平NPC逆变器通过控制三相桥臂各开关器件的导通与关断可输出三种不同的电平状态，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。除此之外，三电平NPC逆变器结构简单，且容易通过采用背靠背结构实现能量的双向流动，基于以上优点，三电平NPC逆变器目前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)方法即空间矢量脉宽调制策略，其基本原理是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Vref，指令电压Vref的运动轨迹即磁链的变化轨迹，通过控制三相开关器件的导通与关断来追踪磁链的变化轨迹，从而实现调制。
三电平NPC逆变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中诸如60°、120°等角度代表对应度数的空间角度，即三相输出电压dq变化后所得到指令电压Vref与A相相电压之间的夹角。图2中VA、VB、VC分别对应A相、B相、C相的相电压，诸如OOO、PON等变量代表相应的电压空间矢量，其中，P对应三电平NPC逆变器某相上桥臂两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC逆变器某相上桥臂下面的开关器件P2和下桥臂上面的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC逆变器某相下桥臂两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。
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。零矢量和小矢量存在冗余状态，其中，小矢量根据三相输出电平状态可将冗余小矢量分为P型小矢量和N型小矢量。表1给出了三电平NPC逆变器各电压空间矢量类型及其对应的空间矢量角。
表1三电平NPC逆变器各电压空间矢量类型及其对应的空间矢量角
Figure BDA0001844763070000021
传统SVPWM方法根据每个采样周期内首先使用的矢量类别为小矢量或零矢量可划分为小矢量起始SVPWM和零矢量起始SVPWM。零矢量起始SVPWM只在指令电压Vref落在图2内六边形区域内时使用，其指令电压Vref只使用零矢量和小矢量合成。小矢量起始SVPWM和零矢量起始SVPWM对应的磁链变化轨迹一致，区别只在于每个采样周期内各电压空间矢量的使用顺序不同。当指令电压Vref落在图3的1.1区域内时，零矢量起始SVPWM和小矢量起始SVPWM三相电平状态变化如图4所示。由图4知，在零矢量起始SVPWM作用下三相电平状态由N到O变化时，对应的电压空间矢量状态为：NNN-ONN-OON-OOO，对应同样位置小矢量起始SVPWM电压空间矢量状态为：ONN-OON-OOO-POO。对比可知，小矢量起始SVPWM在一个采样周期内存在冗余小矢量状态，零矢量起始SVPWM在一个采样周期内不存在冗余小矢量状态，只存在冗余零矢量状态。
对于图1三电平NPC逆变器，当中点电位不平衡时会在输出电压中产生低次谐波，并导致某半边桥臂的开关器件承受过高的电压，危及运行安全，因此必须要采取措施保证三电平NPC逆变器中点电位平衡。现有中点电位平衡控制方法主要借助相同空间矢量角的两个冗余小矢量对应中点电流方向相反的原理，当出现中点电位不平衡现象时，判断三相电流的方向，然后增加有利于中点电位平衡的冗余小矢量作用时间。文献《混合式三电平中点电位平衡控制策略》(周京华，[J].中国电机工程学报,2013,33(24):82-89.)详细介绍了如何利用冗余小矢量来调控中点电位平衡。但针对零矢量起始SVPWM，其在一个采样周期内并不存在冗余小矢量，无法利用现有冗余小矢量方法来调控中点电位平衡。
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,2012:87-89)对小矢量起始SVPWM和零矢量起始SVPWM进行了详细对比，结果表明相比于小矢量起始SVPWM，零矢量起始SVPWM可以产生任意小的线电压值，调制比在0.3以下时不会产生窄脉冲且线电压的谐波含量更小。故调制比在0.3以下时，零矢量起始SVPWM是一种更合适的SVPWM控制方法。
零矢量起始SVPWM在低调制比下具有突出优点，为了更好的使用零矢量起始SVPWM，需防止三电平NPC逆变器在使用零矢量起始SVPWM作为调制策略时可能出现的中点电位不平衡问题，故需针对零矢量起始SVPWM设计中点电位平衡控制方法。
发明内容
为克服传统零矢量起始SVPWM方法无法利用冗余小矢量进行中点电位平衡控制的缺点，本发明提出一种零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法。本发明将零矢量起始SVPWM每个采样周期内作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，通过控制长小矢量的作用时间来调控中点电位的平衡。本发明控制方法可以将零矢量起始SVPWM方法作用下的中点电位偏差控制在较小范围内，提高了零矢量起始SVPWM作为调制策略时三电平NPC逆变器的可靠性。
在三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，且中点电位振荡超过限定值时，本发明零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法首先比较当前采样周期内两个小矢量的作用时间，将作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，将作用时间较短的小矢量定义为短小矢量；然后检测长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值，将所述的中点电流方向和中点电位振荡值送入PI控制器，得到时间分配因子ptime；通过利用时间分配因子ptime控制长小矢量的作用时间，实现对零矢量起始SVPWM方法作用下中点电位平衡的动态调节。
在中点电位振荡超过限定值时，本发明零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法具体如下：
1、定义长小矢量和短小矢量；
本发明控制方法首先比较零矢量起始SVPWM当前采样周期内两个小矢量的作用时间，将作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，将作用时间较短的小矢量定义为短小矢量。长小矢量、短小矢量在各空间矢量角区间内具体分布如下：
1)当0≤θ＜π/6，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为OON/PPO；
2)当π/6≤θ＜π/3，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为POO/ONN；
3)当π/3≤θ＜π/2，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为OPO/NON；
4)当π/2≤θ＜2π/3，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为OON/PPO；
5)当2π/3≤θ＜5π/6，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为NOO/OPP；
6)当5π/6≤θ＜π，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OPO/NON；
7)当π≤θ＜7π/6，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OOP/NNO；
8)当7π/6≤θ＜4π/3，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为NOO/OPP；
9)当4π/3≤θ＜3π/2，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为ONO/POP；
10)当3π/2≤θ＜5π/3，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为OOP/NNO；
11)当5π/3≤θ＜11π/6，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为POO/ONN；
12)当11π/6≤θ＜2π，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为ONO/POP；
其中，θ对应空间矢量角，P对应三电平NPC逆变器某相上桥臂的两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC逆变器某相上桥臂的开关器件P2和下桥臂的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC逆变器某相下桥臂的两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。
2、判定长小矢量对应中点电流方向；
本发明控制方法需要检测长小矢量对应中点电流方向。长小矢量对应中点电流方向判定方法如下：
1)长小矢量为POO/ONN或NOO/OPP时，当ia≥0,iflag＝1,ia＜0,iflag＝-1；
2)长小矢量为OON/PPO或OOP/NNO时，当ic≥0,iflag＝1,ic＜0,iflag＝-1；
3)长小矢量为OPO/NON或ONO/POP时，当ib≥0,iflag＝1,ib＜0,iflag＝-1；
其中，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流，iflag为长小矢量对应中点电流方向标志位。
3、送入PI控制器前，对长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值进行处理；
本发明控制方法将长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值送入PI控制器，得到时间分配因子ptime；中点电流方向和中点电位振荡值在送入PI控制器前做如下处理：
1)长小矢量为POO/ONN或OPO/NON或OOP/NNO时，令ΔUdc＝iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
2)长小矢量为OON/PPO或NOO/OPP或ONO/POP时，令ΔUdc＝-iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
其中，ΔUdc为送入PI控制器的中点电位振荡控制量，iflag为长小矢量对应中点电流方向标志位，Vo为中点电位振荡值，有Vo＝Udc1-Udc2，其中，Udc1为直流母线上桥臂电容C1的电压，Udc2为下桥臂电容C2的电压。
经过以上处理得到的中点电位振荡控制量ΔUdc送入PI控制器，得到时间分配因子ptime，时间分配因子ptime取值范围限定在0到1，即：
Figure BDA0001844763070000051
4、利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间；
本发明控制方法利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间，从而实现对零矢量起始SVPWM中点电位平衡的动态调节；利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间的方法如下：
1)当前采样周期内长小矢量为P型小矢量时，TL'＝TL(1+ptime)；
2)当前采样周期内长小矢量为N型小矢量时，TL'＝TL(1-ptime)；
上述控制方法中，ptime为时间分配因子，TL为时间分配因子ptime控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为时间分配因子ptime控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。P型小矢量指电压空间矢量POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，N型小矢量指电压空间矢量ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO。
5、利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间后，每个采样周期内各电压空间矢量作用时间分配方法如下；
本发明控制方法在利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间后，为保证各电压空间矢量的作用时间之和不超过采样周期，每个采样周期内各电压空间矢量作用时间分配如下：
1)当(T0/2+TL'+Tsh)≤TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TL'，短小矢量作用时间为Tsh，结尾零矢量作用时间为TS-(T0/2+TL'+Tsh)；
2)当(T0/2+TL'+Tsh)＞TS且(T0/2+TL')≤TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TL'，短小矢量作用时间为TS-(T0/2+TL')，结尾零矢量作用时间为0；
3)当(T0/2+TL')＞TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TS-T0/2，短小矢量作用时间为0，结尾零矢量作用时间为0；
其中，TS为采样周期，T0为时间分配因子ptime控制前一个采样周期里两个零矢量总的作用时间，Tsh为时间分配因子ptime控制前一个采样周期里短小矢量的作用时间，TL'为时间分配因子ptime控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。零矢量指电压空间矢量OOO、NNN、PPP，首发零矢量指零矢量起始SVPWM在一个采样周期内采样起始处使用的零矢量，结尾零矢量指零矢量起始SVPWM在一个采样周期内采样结尾处使用的零矢量。
6、当中点电位振荡减小至限定值内后，令时间分配因子ptime＝0；
本发明控制方法只在中点电位振荡超过限定值时投入使用。当调制策略为零矢量起始SVPWM且三电平NPC逆变器中点电位振荡值在限定范围内时，令ptime＝0，正常计算各电压空间矢量的作用时间。ptime为时间分配因子。
附图说明
图1三电平NPC逆变器拓扑图；
图2针对三电平NPC逆变器的SVPWM空间电压矢量图；
图3SVPWM空间矢量角0度到60度区域对应的电压空间矢量；
图4当指令电压落在图3的1.1区域内时，零矢量起始SVPWM和小矢量起始SVPWM三相电平状态变化示意图；
图5本发明零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法的具体实施流程图；
图6为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.2，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况；
图7为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.2，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果；
图8为实施例基波频率24Hz，调制比0-0.3循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1、Udc2变化情况；
图9为实施例基波频率24Hz，调制比0-0.3循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果。
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。
在三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM且中点电位振荡超过限定值时，本发明零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法首先比较当前采样周期内两个小矢量的作用时间，将作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，将作用时间较短的小矢量定义为短小矢量；然后检测长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值，将所述的中点电流方向和中点电位振荡值送入PI控制器得到时间分配因子ptime；通过利用时间分配因子ptime控制长小矢量的作用时间，实现对零矢量起始SVPWM方法作用下中点电位平衡的动态调节。
零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法的流程如图5所示：
首先判断三电平NPC逆变器中点电位振荡值是否超过限定值，如是，执行以下步骤，如否，则设定时间分配因子ptime＝0。
当三电平NPC逆变器中点电位振荡超过限定值时，本发明控制方法执行步骤如下：
1、确定当前采样周期内的长小矢量和短小矢量；
假设指令电压落在如图3所示的区域1.1或1.2时，当三相电平状态N-O变化时，在一个采样周期内电压空间矢量作用顺序为NNN-ONN-OON-OOO。设采样周期为Ts，冗余零矢量NNN和OOO在一个采样周期内作用时间之和为T1，ONN作用时间为T2，OON作用时间为T3，根据伏秒等效原理可得：
Figure BDA0001844763070000071
式(1)中，|Vref|代表指令电压幅值，θ代表空间矢量角，Ts为采样周期，T1为冗余零矢量NNN和OOO在一个采样周期内作用时间之和，T2为ONN的作用时间，T3为OON的作用时间，E为直流母线电压。
对式(1)化简可得：
Figure BDA0001844763070000072
式(2)中，m代表调制比，有
Figure BDA0001844763070000073
由式(2)可得：
Figure BDA0001844763070000074
由式(3)知，当0≤θ＜π/6，ONN作用时间比OON作用时间长，故定义长小矢量为ONN，短小矢量为OON；当π/6≤θ＜π/3，OON作用时间比ONN作用时间长，故定义长小矢量为OON，短小矢量为ONN。
同样原理可推导出：
1)当0≤θ＜π/6，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为OON/PPO；
2)当π/6≤θ＜π/3，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为POO/ONN；
3)当π/3≤θ＜π/2，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为OPO/NON；
4)当π/2≤θ＜2π/3，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为OON/PPO；
5)当2π/3≤θ＜5π/6，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为NOO/OPP；
6)当5π/6≤θ＜π，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OPO/NON；
7)当π≤θ＜7π/6，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OOP/NNO；
8)当7π/6≤θ＜4π/3，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为NOO/OPP；
9)当4π/3≤θ＜3π/2，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为ONO/POP；
10)当3π/2≤θ＜5π/3，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为OOP/NNO；
11)当5π/3≤θ＜11π/6，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为POO/ONN；
12)当11π/6≤θ＜2π，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为ONO/POP；
2、判定长小矢量对应中点电流方向；
当长小矢量对应中点电流大于等于0时，令长小矢量对应中点电流方向标志位iflag为1；当长小矢量对应中点电流小于0时，令长小矢量对应中点电流方向标志位iflag为-1。
1)长小矢量为POO/ONN或NOO/OPP时，对应中点电流流经A相，故根据A相相电流ia值来判断iflag值，有：ia≥0,iflag＝1,ia＜0,iflag＝-1；
2)长小矢量为OON/PPO或OOP/NNO时，对应中点电流流经C相，故根据C相相电流ic值来判断iflag值，有：当ic≥0,iflag＝1,ic＜0,iflag＝-1；
3)长小矢量为OPO/NON或ONO/POP时，对应中点电流流经B相，故根据B相相电流ib值来判断iflag值，当ib≥0,iflag＝1,ib＜0,iflag＝-1。
3、送入PI控制器前，对长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值进行处理如下：
中点电流方向标志位iflag和中点电位振荡值Vo在送入PI控制器前处理如下：
1)长小矢量为POO/ONN或OPO/NON或OOP/NNO时，令ΔUdc＝iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
2)长小矢量为OON/PPO或NOO/OPP或ONO/POP时，令ΔUdc＝-iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
其中，ΔUdc为送入PI控制器的中点电位振荡控制量，iflag为长小矢量对应中点电流方向标志位，Vo为中点电位振荡值，有Vo＝Udc1-Udc2，其中，Udc1为直流母线上桥臂电容C1电压，Udc2为下桥臂电容C2电压。
对中点电流方向标志位iflag和中点电位振荡值Vo进行如上处理的原因如下：
对于三电平逆变器，直流侧总电压为E保持恒定，定义电流由直流电源流出方向为正，则有：
Figure BDA0001844763070000091
Figure BDA0001844763070000092
式(4)中，ΔUdc1为直流母线上桥臂电容C1电压的振荡值，ΔUdc2为直流母线下桥臂电容C2电压的振荡值，E为直流母线电压，C对应电容C1或电容C2的电容值，io为中点电流，各小矢量对应的中点电流如表2所示：
表2冗余小矢量及其对应的中点电流
Figure BDA0001844763070000093
一：假设指令电压落在如图3所示的区域1.1，三相电平状态由N到O变化时，对应长小矢量为ONN，ONN对应中点电流io＝ia。
(1)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，A相相电流为正值，ONN对应io＝ia＞0，此时应减小长小矢量ONN作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为正值；
(2)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，A相相电流为负值，ONN对应io＝ia＜0，此时应增加长小矢量ONN作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为负值；
(3)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，A相相电流为正值，ONN对应io＝ia＞0，此时应增加长小矢量ONN作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为负值；
(4)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，A相相电流为负值，ONN对应io＝ia＜0，此时应减小长小矢量ONN作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为正值。
则对于三相电平状态由N到O变化时，长小矢量ONN作用时间变化方向与ΔUdc＝iflag*Vo取值方向相反，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)，TL为中点电位平衡控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为中点电位平衡控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。
二：假设指令电压落在如图3所示的区域1.1，三相电平状态由O到P变化时，对应长小矢量为POO，POO对应中点电流io＝-ia。
(1)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，A相相电流为正值，POO对应io＝-ia＜0，此时应增加长小矢量POO作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为正值；
(2)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，A相相电流为负值，POO对应io＝-ia＞0，此时应减小长小矢量POO作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为负值；
(3)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，A相相电流为正值，POO对应io＝-ia＜0，此时应减小长小矢量POO作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为负值；
(4)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，A相相电流为负值，POO对应io＝-ia＞0，此时应增加长小矢量POO作用时间。此时对应ΔUdc＝iflag*Vo为正值。
则对于三相电平状态由O到P变化时，长小矢量POO作用时间变化方向与ΔUdc＝iflag*Vo取值方向相同，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)，TL为中点电位平衡控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为中点电位平衡控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。
三：假设指令电压落在如图3所示的区域1.2，三相电平状态由N到O变化时，对应长小矢量为OON，OON对应中点电流io＝-ic。
(1)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，C相相电流为正值，OON对应io＝-ic＜0，此时应增加长小矢量OON作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为负值；
(2)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，C相相电流为负值，OON对应io＝-ic＞0，此时应减小长小矢量OON作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为正值；
(3)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，C相相电流为正值，OON对应io＝-ic＜0，此时应减小长小矢量OON作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为正值；
(4)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，C相相电流为负值，OON对应io＝-ic＞0，此时应增加长小矢量OON作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为负值。
则对于三相电平状态由N到O变化时，长小矢量OON作用时间变化方向与ΔUdc＝-iflag*Vo取值方向相反，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)，TL为中点电位平衡控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为中点电位平衡控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。
四：假设指令电压落在如图3所示的区域1.2，三相电平状态由O到P变化时，对应长小矢量为PPO，PPO对应中点电流io＝ic。
(1)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，C相相电流为正值，PPO对应io＝ic＞0，此时应减小长小矢量PPO作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为负值；
(2)当中点电位振荡值Vo＞0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＜0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，C相相电流为负值，PPO对应io＝ic＜0，此时应增加长小矢量PPO作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为正值；
(3)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝1时，C相相电流为正值，PPO对应io＝ic＞0，此时应增加长小矢量PPO作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为正值；
(4)当中点电位振荡值Vo＜0时，由式(4)可知，此时应使得中点电流io＞0来降低中点电位振荡。则当iflag＝-1时，C相相电流为负值，PPO对应io＝ic＜0，此时应减小长小矢量PPO作用时间。此时对应ΔUdc＝-iflag*Vo为负值。
则对于三相电平状态由O到P变化时，长小矢量PPO作用时间变化方向与ΔUdc＝-iflag*Vo取值方向相同，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)，TL为中点电位平衡控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为中点电位平衡控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。
综合以上分析，可得：
当空间矢量角范围0≤θ＜π/6，对应长小矢量POO/ONN；定义ΔUdc＝iflag*Vo,对于长小矢量POO，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)；长小矢量ONN，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)；
当空间矢量角范围π/6≤θ＜π/3，对应长小矢量PPO/OON；定义ΔUdc＝-iflag*Vo，对于长小矢量PPO，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)；长小矢量OON，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)。
同样分析可得：
当定义ΔUdc＝iflag*Vo，对于长小矢量OPO、OOP，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)；对于长小矢量NON、NNO，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)。
当定义ΔUdc＝-iflag*Vo，对于长小矢量OPP、POP，有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)；对于长小矢量OON、NOO，有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)。
故长小矢量为POO/ONN或OPO/NON或OOP/NNO时，定义ΔUdc＝iflag*Vo；长小矢量为OON/PPO或NOO/OPP或ONO/POP时，定义ΔUdc＝-iflag*Vo。将ΔUdc送入PI控制器可得到时间分配因子ptime。
4、利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间；
利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间具体方式如下：
1)当前采样周期内长小矢量为P型小矢量时，TL'＝TL(1+ptime)；
2)当前采样周期内长小矢量为N型小矢量时，TL'＝TL(1-ptime)；
其中，ptime为时间分配因子，TL为时间分配因子ptime控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为时间分配因子ptime控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间。
利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间原理如下：
将中点电位振荡控制量ΔUdc送入PI控制器，可得到时间分配因子ptime，对于P型小矢量POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，均有TL'∝TL(1+ΔUdc/E)，对于N型小矢量ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO，均有TL'∝TL(1-ΔUdc/E)，故长小矢量为P型小矢量时，TL'＝TL(1+ptime)，长小矢量为N型小矢量时，TL'＝TL(1-ptime)。
本发明将零矢量起始SVPWM每个采样周期内作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，通过控制长小矢量的作用时间来调控中点电位的平衡。本发明控制方法克服了传统零矢量起始SVPWM方法无法利用冗余小矢量进行中点电位平衡控制的缺点，提高了零矢量起始SVPWM作为调制策略时三电平NPC逆变器的可靠性。
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，利用仿真实验验证本发明提出的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法的有效性。仿真实验条件如下：调制策略使用零矢量起始SVPWM，直流侧母线电压E＝5000V，直流侧中点上下电容C1、C2电容值均为10mF，逆变输出侧三相各接5Ω电阻串联10mH电感。系统仿真步长10us，采样频率1200Hz。
图6为基波频率24Hz，调制比固定0.2，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况。图6结果表明，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当在固定调制比下出现中点电位不平衡问题，即Udc1和Udc2差值较大时，如果不添加中点电位平衡保护措施，中点电位不平衡问题会一直存在。故在固定调制比下，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当出现中点不平衡问题时，需要添加中点电位平衡保护措施来让中点电位恢复平衡。
图7为基波频率24Hz，调制比固定0.2，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果。其中，图7a是Udc1和Udc2变化情况，图7b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值，图7c为本发明得到的长小矢量时间分配因子ptime。仿真设定当中点电位振荡值超过直流母线电压2％时，启动本发明零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法。图7a和图7b实施例结果表明，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当在固定调制比下出现中点电位不平衡问题时，使用本发明中点电位平衡控制方法可以将中点电位振荡值逐渐减小至直流母线电压2％内，有效的减小了中点电位的振荡。图7c实施例结果表明，本发明方法得到的长小矢量时间分配因子ptime在中点电位振荡值小于直流母线电压2％内时赋值为0，其只在中点电位不平衡的情况下利用PI控制器运算，并且值被限定到0到1。
图8为基波频率24Hz，调制比0-0.3循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况。图8结果表明，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当在调制比不断变化下出现中点电位不平衡问题，即Udc1和Udc2差值较大时，如果不添加中点电位平衡保护措施，Udc1和Udc2不平衡现象会一直存在。故在变化调制比下，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当出现中点不平衡问题时，需要添加中点电位平衡保护措施来让中点电位恢复平衡。
图9为基波频率24Hz，调制比0-0.3循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果。其中，图9a是Udc1和Udc2变化情况，图9b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值，图9c为本发明长小矢量时间分配因子ptime，图9d是调制比m变化情况。仿真设定调制比m在0-0.3之间循环变化，设定中点电位振荡限值为(Udc1+Udc2)*0.02，即当中点电位振荡值超过直流母线电压2％时，启动本发明中点电位平衡控制方法。图9a和图9b实施例结果表明，三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，当在变化调制比下出现中点电位不平衡问题时，使用本发明中点电位平衡控制方法可以将中点电位振荡值逐渐减小至直流母线电压2％内，有效的减小了中点电位的振荡。图9c实施例结果表明，本发明方法得到的长小矢量时间分配因子ptime在中点电位振荡值小于直流母线电压2％内时赋值为0，其只在中点电位不平衡的情况下利用PI控制器运算，并且值被限定到0到1。
如图6～图9所示，实施例的结果验证了本发明控制方法的有效性。当三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，无论调制比是否变化，在出现中点电位不平衡问题时本发明控制方法都可将中点电位振荡值减小至直流母线电压2％内。本发明控制方法克服了传统零矢量起始SVPWM方法无法利用冗余小矢量进行中点电位平衡控制的缺点，提高了零矢量起始SVPWM作为调制策略时三电平NPC逆变器的可靠性。

Claims (7)

1.一种零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：当三电平NPC逆变器调制策略为零矢量起始SVPWM，且中点电位振荡超过限定值时，所述控制方法首先比较零矢量起始SVPWM当前采样周期内两个小矢量的作用时间，将作用时间较长的小矢量定义为长小矢量，将作用时间较短的小矢量定义为短小矢量；检测长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值，将所述的中点电流方向和中点电位振荡值送入PI控制器得到时间分配因子ptime；利用时间分配因子ptime控制长小矢量的作用时间，实现对零矢量起始SVPWM调制策略作用下中点电位平衡的动态调节；
将长小矢量对应中点电流方向和中点电位振荡值送入PI控制器前，对中点电流方向和中点电位振荡值处理方法如下：
1)长小矢量为POO/ONN或OPO/NON或OOP/NNO时，令ΔUdc＝iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
2)长小矢量为OON/PPO或NOO/OPP或ONO/POP时，令ΔUdc＝-iflag*Vo，将ΔUdc送入PI控制器；
其中，ΔUdc为送入PI控制器的中点电位振荡控制量，iflag为长小矢量对应中点电流方向标志位，Vo为中点电位振荡值，有Vo＝Udc1-Udc2，其中，Udc1为直流母线上桥臂电容C1电压，Udc2为下桥臂电容C2电压。
2.根据权利要求1所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述的长小矢量、短小矢量在各空间矢量角区间内分布如下：
1)当0≤θ＜π/6，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为OON/PPO；
2)当π/6≤θ＜π/3，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为POO/ONN；
3)当π/3≤θ＜π/2，长小矢量为OON/PPO，短小矢量为OPO/NON；
4)当π/2≤θ＜2π/3，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为OON/PPO；
5)当2π/3≤θ＜5π/6，长小矢量为OPO/NON，短小矢量为NOO/OPP；
6)当5π/6≤θ＜π，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OPO/NON；
7)当π≤θ＜7π/6，长小矢量为NOO/OPP，短小矢量为OOP/NNO；
8)当7π/6≤θ＜4π/3，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为NOO/OPP；
9)当4π/3≤θ＜3π/2，长小矢量为OOP/NNO，短小矢量为ONO/POP；
10)当3π/2≤θ＜5π/3，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为OOP/NNO；
11)当5π/3≤θ＜11π/6，长小矢量为ONO/POP，短小矢量为POO/ONN；
12)当11π/6≤θ＜2π，长小矢量为POO/ONN，短小矢量为ONO/POP；
其中，θ对应空间矢量角，P对应三电平NPC逆变器某相上桥臂的两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC逆变器某相上桥臂的开关器件P2和下桥臂的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC逆变器某相下桥臂的两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。
3.根据权利要求1所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述判定长小矢量对应中点电流方向的方法如下：
1)长小矢量为POO/ONN或NOO/OPP时，当ia≥0,iflag＝1,ia＜0,iflag＝-1；
2)长小矢量为OON/PPO或OOP/NNO时，当ic≥0,iflag＝1,ic＜0,iflag＝-1；
3)长小矢量为OPO/NON或ONO/POP时，当ib≥0,iflag＝1,ib＜0,iflag＝-1；
其中，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流，iflag为长小矢量对应中点电流方向标志位。
4.根据权利要求1所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间的方法如下：
1)当前采样周期内长小矢量为P型小矢量时，TL'＝TL(1+ptime)；
2)当前采样周期内长小矢量为N型小矢量时，TL'＝TL(1-ptime)；
其中，ptime为时间分配因子，TL为时间分配因子ptime控制前长小矢量在一个采样周期内的作用时间，TL'为时间分配因子ptime控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间；P型小矢量指电压空间矢量POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP，N型小矢量指电压空间矢量ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO。
5.根据权利要求4所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述的时间分配因子ptime取值范围限定在0到1，即：
Figure FDA0002415251450000021
6.根据权利要求1所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法在利用时间分配因子ptime控制长小矢量作用时间后，为保证各电压空间矢量的作用时间之和不超过采样周期，每个采样周期内各电压空间矢量作用时间分配如下：
1)当(T0/2+TL'+Tsh)≤TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TL'，短小矢量作用时间为Tsh，结尾零矢量作用时间为TS-(T0/2+TL'+Tsh)；
2)当(T0/2+TL'+Tsh)＞TS且(T0/2+TL')≤TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TL'，短小矢量作用时间为TS-(T0/2+TL')，结尾零矢量作用时间为0；
3)当(T0/2+TL')＞TS时，首发零矢量作用时间为T0/2，长小矢量作用时间为TS-T0/2，短小矢量作用时间为0，结尾零矢量作用时间为0；
其中，TS为采样周期，T0为时间分配因子ptime控制前一个采样周期里两个零矢量总的作用时间，Tsh为时间分配因子ptime控制前一个采样周期里短小矢量的作用时间，TL'为时间分配因子ptime控制后长小矢量在一个采样周期内的作用时间；零矢量指电压空间矢量OOO、NNN、PPP，首发零矢量指零矢量起始SVPWM在一个采样周期内采样起始处使用的零矢量，结尾零矢量指零矢量起始SVPWM在一个采样周期内采样结尾处使用的零矢量。
7.根据权利要求1所述的零矢量起始SVPWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：当调制策略为零矢量起始SVPWM，且三电平NPC逆变器中点电位振荡值在限定范围内时，令ptime＝0，正常计算各电压空间矢量的作用时间；ptime为时间分配因子。
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