CN109831108A - 一种基于矢量分解的三电平变流器svpwm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，包括以下步骤：S1.将三电平空间电压矢量图依次划分不同区域；S2.对于给定的三电平空间下的电压参考矢量V_ref ^*采用逻辑运算判断其所在区域h；S3.将V_ref ^*从三电平空间转换到两电平空间；S4.计算得到两电平空间下的三相调制信号；S5.对S4中所获得的三相调制信号进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号；S6.获取二极管钳位型三电平变流器中开关管所需的驱动信号。本发明的方法，与传统三电平SVPWM方法相比，无需进行三角函数计算，且不用预先存储大量的矢量发生序列表，可以大幅减轻微处理器的负担，能提高三电平变流器的调制计算效率和计算速度。

Description

一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM(空间电压矢量脉宽调制)方法。

背景技术

与传统两电平逆变器相比，二极管钳位式三电平逆变器具有开关管所承受的电压应力小，输出电压谐波含量少等优点。在高压大功率领域，三电平变流器得到了广泛应用，拥有较好的发展前景。电压型变流器的输出特性主要取决于调制方法。目前变流器的调制方法主要是脉冲宽度调制，包含正弦脉冲宽度调制(SPWM)和空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)两种。就调制方法而言，SVPWM以其电压利用率高，输出电压谐波含量少等优点，在实际系统中得到了更为广泛的应用。传统三电平SVPWM方法的实现在计算基本电压矢量的作用时间部分需要进行大量的三角函数运算；且需要预先存储大量的数据表格，不利于硬件实现。

因此，有必要对传统三电平SVPWM方法进行优化，使其更易于实现。

发明内容

本发明的主要目的在于简化三电平变流器SVPWM方法的实现。

一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，包括以下步骤：

S1.将传统的三电平空间电压矢量图按照：-30°～30°、30°～90°、90°～150°、150°～210°、210°～270°、270°～330°依次划分为区域h，h＝1、2、3、4、5、6；

S2.对于给定的三电平空间下的电压参考矢量V_ref ^*采用逻辑运算判断其所在区域h；

S3.将V_ref ^*从三电平空间转换到两电平空间；

S4.对于V_ref采用基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法计算得到两电平空间下的三相调制信号为TRA1、TRB1、TRC1；

S5.对S4中所获得的三相调制信号TRA1、TRB1、TRC1进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号；

S6.获取二极管钳位型三电平变流器中开关管所需的驱动信号。

进一步的，所述步骤S2中的逻辑运算判断方式如下：

设在三相坐标系中有：

V_ref ^*＝[V^* _aref V^* _bref V^* _cref]^T

根据电压矢量V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref的符号来判断V_ref ^*所在区域，电压矢量V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref所处的区域的符号如下：

(1)对于区域h＝1，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref≥0；

(2)对于区域h＝2，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref≥0，V^* _bref≥0；

(3)对于区域h＝3，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref＜0，V^* _bref≥0；

(4)对于区域h＝4，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref＜0；

(5)对于区域h＝5，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref＜0，V^* _bref＜0；

(6)对于区域h＝6，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref≥0，V^* _bref＜0。

进一步的，所述步骤S3中的转换过程如下：

设得到的新电压参考矢量为V_ref，有：

上式计算在三相坐标系中进行，转换矢量为V_r，其中，r＝1、2、3、4、5、6，V_r的值依下所示关系确定：

(1)对于h＝1，有V_ra＝U_dc/3，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝-U_dc/6；

(2)对于h＝2，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝-U_dc/3；

(3)对于h＝3，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝U_dc/3，V_rc＝-U_dc/6；

(4)对于h＝4，有V_ra＝-U_dc/3，V_rb＝U_dc/6，V_rc＝U_dc/6；

(5)对于h＝5，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝U_dc/3；

(6)对于h＝6，有V_ra＝U_dc/6，V_rb＝-U_dc/3，V_rc＝U_dc/6；

U_dc为直流侧电压，V_rb，V_ra，V_rc表示转换时所用的电压。

进一步的，所述的统一电压调制法是配置不同的时间偏移，实现不同的调制；所述两电平SVPWM方法是配置偏移时间使得两个零矢量000和111的作用时间相等；步骤S4中，所述基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法，具体为：

对于转换后的参考电压V_aref、V_bref、V_cref，定义其三相假想作用时间为：

式中，U_dc为直流侧电压，T_s为开关周期，T_xs为各相假想作用时间，其中，x＝a、b、c，现进行最值计算，有：

在两电平空间的电压矢量中，除了两个零矢量000和111之外，其余的电压矢量均为有效矢量，即能实现直流侧与交流侧之间的功率交换，现将一个开关周期中各有效矢量的总作用时间定义为有效时间T_eff，那么有：

T_eff＝T_max-T_min

根据两电平SVPWM的调制方式，可知T_eff在整个开关周期T_s中是以中间时刻为对称中心进行分布的，基于此，通过对三相假想作用时间进行偏移得到实际作用时间T_xfact，其中，x＝a、b、c，有：

式中，-T_min≤T_offset≤T_s-T_max，T_offset为偏移时间。

上述即为统一电压调制法，通过配置不同的时间偏移，可以实现不同的调制方法。在两电平SVPWM调制方法中，两个零矢量(000)和(111)的作用时间是相等的，因此可以配置偏移时间使得两个零矢量的作用时间相等，即可得到基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法。

进一步的，所述步骤S5的调整过程如下：

将S4中所获得的三相调制信号TRA1、TRB1、TRC1，依下式所示对其进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号TRX_f，X＝A、B、C，还原关系如下

式中，中间变量RA、RB、RC的值如下：

(1)对于h＝1，RA＝1，RB＝0，RC＝0；

(2)对于h＝2，RA＝1，RB＝1，RC＝0；

(3)对于h＝3，RA＝0，RB＝1，RC＝0；

(4)对于h＝4，RA＝0，RB＝1，RC＝1；

(5)对于h＝5，RA＝0，RB＝0，RC＝1；

(6)对于h＝6，RA＝1，RB＝0，RC＝1。

进一步的，所述步骤S6中的驱动信号是对步骤S5中所得信号TRX_f取的值分别为0、1、2中一个，依如下映射关系得到二极管钳位型三电平变流器中四个开关管GX1、GX2、GX3、GX4所需的驱动信号：

(1)当TRX_f＝0时，有GX1＝0，GX2＝0，GX3＝1，GX4＝1，输出电平为-U_dc/2；

(2)当TRX_f＝1时，有GX1＝0，GX2＝1，GX3＝1，GX4＝0，输出电平为0；

(3)当TRX_f＝2时，有GX1＝1，GX2＝1，GX3＝0，GX4＝0，输出电平为U_dc/2。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)用于对参考矢量V_ref ^*进行所在区域判断的方法只需要简单的逻辑运算；

(2)整个调制方法的作用时间计算部分都只涉及简单的四则运算，无需进行三角函数计算，为微处理器节省了计算资源；

(3)无需预存储大量的矢量序列表格，节省了硬件存储资源。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法的流程图；

图2为本实施例的三电平电压矢量空间图；

图3为本实施例的三电平变流器的主电路拓扑图；

图4为本实施例的区域判断方法流程图；

图5为本实施例的两电平SVPWM统一电压调制法示意图；

图6为本实施例的网侧A相电压波形图；

图7为本实施例的电压参考矢量V_ref ^*所在区域判断结果；

图8为本实施例的逆变器A相输出PWM波形图；

图9为本实施例的三相并网电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清晰明白，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，包括以下步骤：

(1)如图2所示，将传统的三电平空间电压矢量图按照：-30°～30°、30°～90°、90°～150°、150°～210°、210°～270°、270°～330°依次划分为区域h，h＝1、2、3、4、5、6，其区域划分情况如表1所示：

表1区域划分

(2)对于给定的三电平空间下的电压参考矢量V_ref ^*进行区域判断，得到其所在区域h；电压参考矢量V_ref ^*表示如下：

V_ref ^*＝[V^* _aref V^* _bref V^* _cref]^T

直接根据V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref的符号来判断V_ref ^*所在区域的流程如图4所示，电压矢量V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref所处的区域的符号如表1-1所示。

表1-1区域的符号

区域(h)

1

2

3

4

5

6

V<sup>*</sup><sub>aref</sub>V<sup>*</sup><sub>bref</sub>V<sup>*</sup><sub>cref</sub>

≥0

<0

≥0

<0

≥0

<0

V<sup>*</sup><sub>aref</sub>

≥0

≥0

<0

<0

<0

≥0

V<sup>*</sup><sub>bref</sub>

---

≥0

≥0

---

<0

<0

(3)在确定完参考矢量所在区域h后，需根据所得区域结果将三电平空间矢量转化到两电平空间中。设原参考矢量为V_ref ^*，转换后的矢量为V_ref，用来进行转换的矢量为V_r，那么有：

上式计算应在三相坐标系下进行，转换矢量V_r取值如下表：

表2 V_r取值表

(3)对于V_ref采用基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法计算得到两电平空间下的各相调制信号；

对于转换后的参考电压V_aref、V_bref、V_cref，定义三相假想作用时间为：

式中，U_dc为直流侧电压，T_s为开关周期，T_xs(x＝a、b、c)为各相假想作用时间，现取出其中的最值有：

在两电平空间矢量中，除了两个零矢量(000)和(111)之外，其余的电压矢量均为有效矢量，即能实现直流侧与交流侧之间的功率交换。现将一个开关周期中各有效矢量的总作用时间定义为有效时间T_eff，那么有：

T_eff＝T_max-T_min

根据两电平SVPWM的调制方式，可知T_eff在整个开关周期T_s中是以中间时刻为对称中心进行分布的。基于此，通过对计算所得到的三相假想作用时间进行偏移来得到实际作用时间T_xfact，其中，x＝a、b、c，有：

式中，-T_min≤T_offset≤T_s-T_max，T_offset为偏移时间。通过配置不同的时间偏移，可以实现不同的调制方法。在两电平SVPWM调制方法中，两个零矢量(000)和(111)的作用时间是相等的，因此可以配置偏移时间使得两个零矢量的作用时间相等，即可得到基于统一电压调制法实现的SVPWM，具体如图5所示，图5中的S_a,S_b,S_c分别表示两电平空间下的三相脉冲信号，其取值要么为1，要么为0。分析图5可得：

t₀，t₇分别为两电平空间下“000”矢量和“111”矢量的作用时间，现令t₀＝t₇，有：

(4)将(3)中所获得的三相调制信号TRA1、TRB1、TRC1，依下式所示对其进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号TRX_f，X＝A、B、C，根据参考矢

式中，中间变量RA、RB、RC的值如下表3所示：

表3转换脉冲取值表

(6)调制信号TRX_f取的值分别为0、1、2中一个，根据区域h，按照一定的映射关系转化得到二极管钳位型三电平变流器中开关管所需的驱动信号，对于图3所示三电平拓扑而言，各相桥臂有四个开关管，TRA_f、TRB_f、TRC_f对应相的四个开关管驱动信号的映射关系如下表：

表4开关管驱动信号表

至此，基于统一电压调制的简化三电平SVPWM方法已完整实现。

现以附图3所示的二极管钳位型三电平逆变系统为例，用本发明所提的方法，在PSCAD/EMTDC环境(电磁暂态仿真软件)中进行仿真分析，仿真参数如表5所示：

表5仿真参数

仿真结果如图6至图9所示：

(1)图6为网侧A相电压波形图，图7为电压参考矢量V_ref ^*所在区域判断结果，仿真结果表明：本发明所提出的区域判断方法效果良好；

(2)图8为逆变器A相输出PWM波(脉宽调制)波形图，图9为逆变器A相并网电流波形图，仿真结果表明：本发明所提出的三电平SVPWM方法能很好地实现对三电平逆变器的调制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将三电平空间电压矢量图按照：-30°～30°、30°～90°、90°～150°、150°～210°、210°～270°、270°～330°依次划分为区域h，h＝1、2、3、4、5、6；

S2.对于给定的三电平空间下的电压参考矢量V_ref ^*采用逻辑运算判断其所在区域h；

S3.将V_ref ^*从三电平空间转换到两电平空间；

S4.对于新电压参考矢量V_ref采用基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法计算得到两电平空间下的三相调制时间信号为TRA1、TRB1、TRC1；

S5.对S4中所获得的三相调制时间信号TRA1、TRB1、TRC1进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号；

S6.获取二极管钳位型三电平变流器中开关管所需的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，所述步骤S2中的逻辑运算判断方式如下：

设在三相坐标系中有

V_ref ^*＝[V^* _aref V^* _bref V^* _cref]^T

根据电压矢量V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref的符号来判断V_ref ^*所在区域，电压矢量V^* _aref，V^* _bref，V^* _cref所处的区域的符号如下：

(1)对于区域h＝1，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref≥0；

(2)对于区域h＝2，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref≥0，V^* _bref≥0；

(3)对于区域h＝3，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref＜0，V^* _bref≥0；

(4)对于区域h＝4，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref＜0；

(5)对于区域h＝5，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref≥0，V^* _aref＜0，V^* _bref＜0；

(6)对于区域h＝6，有V^* _arefV^* _brefV^* _cref＜0，V^* _aref≥0，V^* _bref＜0。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，所述步骤S3中的转换过程如下：

设得到的新电压参考矢量为V_ref，有：

上式计算在三相坐标系中进行，转换矢量为V_r，其中，r＝1、2、3、4、5、6，V_r的值依如下关系确定：

(1)对于h＝1，有V_ra＝U_dc/3，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝-U_dc/6；

(2)对于h＝2，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝-U_dc/3；

(3)对于h＝3，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝U_dc/3，V_rc＝-U_dc/6；

(4)对于h＝4，有V_ra＝-U_dc/3，V_rb＝U_dc/6，V_rc＝U_dc/6；

(5)对于h＝5，有V_ra＝-U_dc/6，V_rb＝-U_dc/6，V_rc＝U_dc/3；

(6)对于h＝6，有V_ra＝U_dc/6，V_rb＝-U_dc/3，V_rc＝U_dc/6；

V_rb，V_ra，V_rc表示转换时所用的电压，U_dc为直流侧电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，步骤S4中，所述的统一电压调制法是配置不同的时间偏移，实现不同的调制；所述两电平SVPWM方法是配置偏移时间使得两个零矢量000和111的作用时间相等。

5.根据权利要求4所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，步骤S4中，所述基于统一电压调制法实现的两电平SVPWM方法，具体为：

对于转换后的参考电压V_aref、V_bref、V_cref，定义其三相假想作用时间为：

式中，U_dc为直流侧电压，T_s为开关周期，T_xs为各相假想作用时间，其中，x＝a、b、c，进行最值计算，有：

在两电平空间的电压矢量中，除了两个零矢量000和111之外，其余的电压矢量均为有效矢量，即能实现直流侧与交流侧之间的功率交换，现将一个开关周期中各有效矢量的总作用时间定义为有效时间T_eff，那么有：

T_eff＝T_max-T_min

根据两电平SVPWM的调制方式，得知T_eff在整个开关周期T_s中是以中间时刻为对称中心进行分布的，基于此，通过对三相假想作用时间进行偏移得到实际作用时间T_xfact，其中，x＝a、b、c，有：

式中，-T_min≤T_offset≤T_s-T_max，T_offset为偏移时间。

6.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，所述步骤S5的调整过程如下：

将S4中所获得的三相调制信号TRA1、TRB1、TRC1，依下式所示对其进行调整，以还原得到三电平空间下的三相调制信号TRX_f，X＝A、B、C，还原关系如下：

式中，中间变量RA、RB、RC的值如下：

(1)对于h＝1，RA＝1，RB＝0，RC＝0；

(2)对于h＝2，RA＝1，RB＝1，RC＝0；

(3)对于h＝3，RA＝0，RB＝1，RC＝0；

(4)对于h＝4，RA＝0，RB＝1，RC＝1；

(5)对于h＝5，RA＝0，RB＝0，RC＝1；

(6)对于h＝6，RA＝1，RB＝0，RC＝1。

7.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解的三电平变流器SVPWM方法，其特征在于，所述步骤S6中的驱动信号是对步骤S5中所得信号TRX_f取的值分别为0、1、2中一个，依如下映射关系得到二极管钳位型三电平变流器中四个开关管GX1、GX2、GX3、GX4所需的驱动信号：

(1)当TRX_f＝0时，有GX1＝0，GX2＝0，GX3＝1，GX4＝1，输出电平为-U_dc/2；

(2)当TRX_f＝1时，有GX1＝0，GX2＝1，GX3＝1，GX4＝0，输出电平为0；

(3)当TRX_f＝2时，有GX1＝1，GX2＝1，GX3＝0，GX4＝0，输出电平为U_dc/2。